Technologie des granulats [4e édition. ed.] 9782897321086, 2897321083
Technologie des granulats, 4e édition est un manuel destiné aux étudiants en technique de génie civil (cégep) et en géni
1,561 227 34MB
French Pages 352 [348] Year 2018
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Pierre-Claude Aïtcin Frédéric Généreux
Guy Jolicoeur
Yolette Maurice
Pierre-Claude Aïtcin Université de Sherbrooke
Frédéric Généreux Cégep régional de Lanaudière à Joliette
Guy Jolicoeur Cégep de Sherbrooke
Yolette Maurice Cégep régional de Lanaudière à Joliette
Révision scientique Guy Dubé Collège Ahuntsic
Technologie des granulats 4e édition Pierre-Claude Aïtcin, Frédéric Généreux, Guy Jolicoeur et Yolette Maurice © 2018, 2013 Groupe Modulo Inc. © 1992,1983 Éditions du Griffon d’argile Conception éditoriale : Dominique Hovington Édition : Renée Théorêt Coordination : Sophie Jama Révision linguistique : Jean-Pierre Regnault Correction d’épreuves : Natacha Auclair Conception graphique : Pige communication Illustrations : Marc Tellier Photographies : Frédéric Généreux Conception de la couverture : Guylène Lefort
Le matériel complémentaire mis en ligne dans notre site Web est réservé aux résidants du Canada, et ce, à des fins d’enseignement uniquement.
L’achat en ligne est réservé aux résidants du Canada.
Catalogage avant publication de Bibliothèque et Archives nationales du Québec et Bibliothèque et Archives Canada Aïtcin, Pierre-Claude, 1938-, auteur Technologie des granulats/Pierre-Claude Aïtcin, Frédéric Généreux, Guy Jolicoeur, Yolette Maurice. 4e édition. Comprend un index. Public cible : Pour les étudiants du niveau collégial. ISBN 978-2-89732-108-6 1. Granulats. 2. Matériaux granulaires. 3. Granulats – Essais. 4. Granulats – Normes – Québec (Province). i. Généreux, Frédéric, 1980-, auteur. ii. Jolicoeur, Guy, auteur. iii. Maurice, Yolette, auteur. iv. Titre. TA441.A38 2018
620.1’91
C2017-942709-1
TOUS DROITS RÉSERVÉS. Toute reproduction du présent ouvrage, en totalité ou en partie, par tous les moyens présentement connus ou à être découverts, est interdite sans l’autorisation préalable de Groupe Modulo Inc. Toute utilisation non expressément autorisée constitue une contrefaçon pouvant donner lieu à une poursuite en justice contre l’individu ou l’établissement qui effectue la reproduction non autorisée. ISBN 978-2-89732-108-6 Dépôt légal : 1er trimestre 2018 Bibliothèque et Archives nationales du Québec Bibliothèque et Archives Canada Imprimé au Canada 1
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Des marques de commerce sont mentionnées ou illustrées dans cet ouvrage. L’Éditeur tient à préciser qu’il n’a reçu aucun revenu ni avantage conséquemment à la présence de ces marques. Celles-ci sont reproduites à la demande de l’auteur en vue d’appuyer le propos pédagogique ou scientifique de l’ouvrage.
18
Gouvernement du Québec – Programme de crédit d’impôt pour l’édition de livres – Gestion SODEC.
AVANT-PROPOS
Les ouvrages de génie civil requièrent toujours l’utilisation de matériaux granulaires qui entrent, par exemple, dans la composition du béton, des enrobés bitumineux et des fondations. Dès sa première édition en 1983, Technologie des granulats a présenté un portrait complet des exigences et des caractéristiques des granulats, accompagné d’une approche pédagogique et pratique. Ainsi, le manuel est-il demeuré un ouvrage de référence tant pour les enseignants et les étudiants que pour les professionnels. Comme les recherches dans le domaine des granulats sont axées sur l’optimisation, le rendement à long terme et le souci de préservation de l’environnement, les normes sont revues régulièrement, et la mise à jour de l’ouvrage Technologie des granulats constitue un dé permanent. Pour en améliorer encore l’aspect pédagogique, le manuel a été révisé et remanié en profondeur. La partie théorique a été ramenée à 10 chapitres. À l’aide d’exemples concrets et de problèmes pratiques, on y trouve les formules mathématiques qui permettent de mettre en relation certaines caractéristiques des granulats dans le contexte de leur utilisation. Pour augmenter encore la compréhension des étudiants et, du même coup, les qualités pédagogiques de l’ouvrage, plusieurs illustrations ont été repensées et redessinées, et de nombreuses photos ont été remplacées. Les données liées aux trois installations industrielles de production de granulats présentées dans l’édition précédente et choisies pour leur souci du respect de l’environnement et de la minimisation des nuisances (poussières, bruits) ont été mises à jour et reconduites dans cette 4e édition. Ajoutons que tous les essais et toutes les caractéristiques ont été ajustés conformément à la nouvelle nomenclature, que les exigences qualitatives ont été actualisées, de même que les données sur le recyclage des matériaux de construction. La deuxième partie de ce manuel, intitulée « Laboratoires », offre des compléments d’information aux normes d’essai en vigueur au Québec. On y trouve 23 laboratoires sur l’échantillonnage, sur les essais de détermination des caractéristiques de masse, de volume, d’humidité, de fabrication, intrinsèques et complémentaires, ainsi que des essais de résistance aux intempéries et sur les matériaux recyclés. On y trouve aussi un appendice sur les tamis de contrôle. Ces laboratoires, qui proposent des conseils pratiques relatifs à la réalisation des essais de caractérisation des granulats, font, depuis sa première édition, l’originalité pédagogique de l’ouvrage. Ils sont en effet essentiels pour lier la théorie à la pratique. Les compléments d’information, mis à jour et enrichis, seront particulièrement utiles aux professeurs et aux étudiants, dans la mesure où l’énoncé d’une norme n’explique pas tous les détails de la réalisation d’un essai, et l’expérience pratique ne s’acquiert qu’avec le temps.
REMERCIEMENTS
Ce manuel est le fruit d’un travail d’équipe dans lequel un grand nombre de personnes se sont impliquées. Nous tenons tout d’abord à remercier Guy Jolicoeur pour sa contribution aux 1re et 2e éditions de l’ouvrage. Nous tenons également à rendre hommage à notre regrettée Yolette Maurice, qui a contribué à la 3e édition de l’ouvrage. Les auteurs désirent remercier de leur précieuse collaboration les personnes et les organismes qui ont contribué à la réalisation de cette 4 e édition. Merci d’abord, pour la qualité et la pertinence de leurs commentaires, aux évaluateurs : • François Caron, du Cégep de Trois-Rivières ; • Sylvain Carrier, du Cégep Beauce-Appalaches ; • Frédéric Michaud, du Cégep de Rimouski ; • Oladélé Sandé, du Collège Montmorency. Nous remercions tout particulièrement Guy Dubé, du Collège Ahuntsic, et Stéphanie Perret, du Cégep de Sherbrooke, qui en plus de participer à l’évaluation de l’ouvrage en ont également assuré la révision scientique. Pour leurs commentaires et suggestions concernant le contenu et les photos, nous remercions : • le département de génie civil du Cégep régional de Lanaudière à Joliette, et tout particulièrement Jean-Louis Bastien, technicien, et David Petit, enseignant ; • Benoît Fournier, de l’Université Laval, qui nous a fourni des photos et qui a accepté de relire le chapitre 5, ainsi que Josée Duchesne, de la même institution ; • Gérard Ballivy et Arezki Tagnit-Hamou, de l’Université de Sherbrooke, qui nous ont fourni des informations sur les remblais contenant de la pyrite et des photos ; • François Routhier, du Collège Ahuntsic, pour sa participation à la 3e édition et des photos ; • Andrée Blouin, Yves Savard et Claude Robert, du ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrication des transports du Québec ; • Albanie Morin, de l’Association des consommateurs pour la qualité de la construction (ACQC), pour l’information sur les problèmes liés à l’utilisation de remblais contenant de la pyrite et de la pyrrhotite ; • Robert Laeur, technicien, pour ses conseils sur la production et la caractérisation des granulats ; • Éric Lachance-Tremblay, professionnel dans le domaine des enrobés bitumineux ; • Olivier Simard, de Soli Environnement inc., Saint-Ambroise-de-Kildare, pour sa relecture et ses commentaires du contenu traitant de l’échantillonnage environnemental. Nous remercions également la direction et le personnel des entreprises suivantes, notamment : • Exp (bureau de Laval) : Luc St-Pierre, géologue, et Maryse Martin, technologue (photos) ; • Exp (bureau de Joliette) : Luc Bédard-Chevrier, Michel Laurin et Jacquard Levac ; • Les Carrières St-Dominique ltée, Saint-Dominique : – Roger Daudelin, vice-président exécutif ; – Jean Dubreuil, directeur des opérations, carrières ; – Nicolas Sigouin, gérant de production ; – Pierre Castonguay, directeur, contrôle de la qualité ;
REMERCIEMENTS
• Lagacé Transport inc., Saint-Hyacinthe : – Mario Lagacé, président ; • Construction DJL (division industrielle d’Eurovia Québec), Boucherville : – Michel Therrien, directeur, DJL-Estrie ; – Christian Cloutier, directeur, exploitation des gisements et environnement ; – Marielle Caron et Michel Laperle, Banc Côté, Saint-François-Xavier-de-Brompton ; • Philippe Aimaro, Béton Nicoletti, Joliette ; • Marc-Antoine Cayer, Action Construction Infrastructure, ACI inc., Joliette ; • Les Entreprises Généreux, Saint-Jean-de-Matha ; • Forage Grenville, Grenville ; • Les Carrières BGR inc., Joliette, et particulièrement Alain Baril, opérateur de chargeuse. Les auteurs tiennent aussi à remercier l’équipe de Modulo pour la réalisation du travail d’édition et de production, notamment Dominique Hovington, éditrice conceptrice du projet, Michèle Vanasse, coordinatrice des services artistiques, Renée Théorêt, éditrice, Sophie Jama, chargée de projet, Jean-Pierre Regnault, réviseur linguistique, Natacha Auclair, correctrice d’épreuves, et Marc Tellier, illustrateur. Et Frédéric Généreux remercie chaleureusement Tanya Millette, Colin, Louis et Evanna pour leur gentillesse et leur patience tout au long de la production de l’ouvrage.
v
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1.1 Tableau 1.2
Tableau 1.3 Tableau 1.4 Tableau 3.1 Tableau 3.2 Tableau 3.3 Tableau 3.4 Tableau 3.5 Tableau 6.1 Tableau 7.1 Tableau 7.2 Tableau 7.3 Tableau 7.4
Tableau 7.5
Tableau 7.6 Tableau 7.7 Tableau 7.8
Tableau 7.9 Tableau 7.10 Tableau 7.11
Tableau 7.12 Tableau 7.13 Tableau 7.14 Tableau 7.15 Tableau 7.16 Tableau 7.17 Tableau 7.18
Échelle de Mohs 4 Variation de la surface spécique en fonction de la dimension des cubes obtenus par fractionnement 9 Quelques dénitions utiles 12 Acronymes des principaux organismes de normalisation 12 Fraction grossière 40 Fraction ne 40 Classication des sols selon le ministère des Transports du Québec 43 Résultats de l’exemple 3.6 47 Désignation des différents granulats selon le ministère des Transports du Québec 52 Perméabilité moyenne de certains matériaux usuels 98 Dimensions d’une classe granulaire 113 Dimensions utilisées pour les classes granulaires 113 Critères de dénition de l’appartenance à une classe granulaire 113 Fuseaux granulométriques déterminés à partir des critères d’appartenance aux classes granulaires d/D et 0/D 114 Catégories de gros granulats selon leurs caractéristiques intrinsèques et leurs caractéristiques de fabrication 115 Catégories de granulats ns selon leurs caractéristiques intrinsèques 115 Exigences relatives aux granulats routiers naturels 119 Exigences granulométriques relatives aux granulats routiers (d’après la norme NQ 2560-114) 120 Exigences relatives aux gros granulats pour béton de ciment portland 121 Exigences relatives aux granulats ns pour béton de ciment portland 123 Exigences granulométriques relatives aux granulats (gros et ns) pour béton de ciment portland 124 Exigences relatives aux gros granulats destinés aux enrobés pour chaussées 125 Exigences relatives aux granulats ns destinés aux enrobés pour chaussées 126 Fuseaux granulométriques de spécication pour les traitements de surface 127 Exigences granulométriques relatives aux granulats pour rapiéçage à froid 127 Fuseaux granulométriques de spécication pour les enrobés à chaud 128 Exigences relatives aux granulats utilisés comme abrasifs 129 Classication des matériaux recyclés 130
Tableau 7.19 Tableau 7.20 Tableau 8.1 Tableau 8.2 Tableau 8.3 Tableau 8.4 Tableau 8.5 Tableau 8.6 Tableau 8.7 Tableau 8.8 Tableau 8.9 Tableau 8.10 Tableau 8.11 Tableau 8.12 Tableau 9.1 Tableau 10.1 Tableau L6.1
Tableau L8.1 Tableau L10.1 Tableau L10.2 Tableau L10.3 Tableau L10.4 Tableau L12.1 Tableau L12.2 Tableau L15.1 Tableau L15.2 Tableau L15.3 Tableau L15.4 Tableau L20.1 Tableau L23.1 Tableau A.1 Tableau A.2 Tableau A.3 Tableau A.4 Tableau A.5
Exemples d’utilisation des matériaux recyclés dans une chaussée 131 Exemples d’utilisation des matériaux recyclés dans une chaussée 132 Granulométrie des sables A et B 138 Granulométrie du combiné (A + B) 138 Granulométrie du combiné (2A + B) 139 Granulométrie des sables A et B et fuseau imposé 140 Granulométrie du combiné (A + 2B) 141 Granulométrie du combiné (2A + 3B) 141 Granulométrie du combiné (37,5 % de A + 62,5 % de B) 142 Granulats A, B et C 144 Granulométrie du combiné 145 Granulométrie d’un granulat A1 146 Granulométrie des granulats B1 et C1 147 Granulométrie des granulats A, B et C 148 Granulats commercialisés en 2017 par la carrière de Saint-Dominique 174 Liste des matériaux recyclés comme granulats pour béton 182 Masse des fractions granulométriques pour la préparation de la prise d’essai (gros granulat) 217 Quantités nécessaires par fraction selon le grade 224 Caractéristiques physiques des roches 229 Caractéristiques mécaniques 229 Catégories pétrographiques des granulats de l’exemple 231 Calcul du nombre pétrographique 232 Dimensions moyennes et gabarits 242 Pourcentage de particules plates et allongées 245 Gravier concassé 250 Sable naturel 250 Résultats obtenus pour le gravier concassé 250 Résultats obtenus pour le sable naturel 250 Exemple de données et de résultats d’essais 263 Données et résultats de l’exemple d’application L23.1 270 Rapport des ouvertures successives des différentes séries utilisées 272 Dimensions nominales des ouvertures (mm) 272 Dimensions nominales des ouvertures (µm) 273 Dimensions, tolérances et diamètres (mm) 276 Dimensions, tolérances et diamètres (µm) 278
LISTE DES FIGURES
Figure 1.1 Figure 1.2
Figure 1.3 Figure 1.4 Figure 1.5 Figure 1.6 Figure 1.7 Figure 1.8 Figure 1.9 Figure 1.10 Figure 1.11
Figure 2.1 Figure 2.2 Figure 2.3 Figure 2.4 Figure 2.5 Figure 2.6 Figure 2.7 Figure 3.1 Figure 3.2 Figure 3.3
Figure 3.4 Figure 3.5 Figure 3.6 Figure 3.7 Figure 3.8 Figure 3.9 Figure 3.10 Figure 3.11 Figure 3.12
Figure 3.13 Figure 3.14
Composition des particules Matière vitriée obtenue en passant les résidus de combustion des déchets domestiques des Îles-de-la-Madeleine dans une torche à plasma Catégories de granulats Particules de formes caractéristiques Dénition de la sphéricité Dénition de l’angularité Particules d’angularité différente Schéma d’une particule de granulat Représentations schématiques d’un granulat Augmentation de la surface extérieure par fractionnement Variation de la surface extérieure d’un cube d’arête a selon son fractionnement en petits cubes semblables Banc de sable Échantillonnage à l’aide d’une chargeuse Exemple de feuille de rapport d’échantillonnage Exemple du croquis du lieu d’exploitation Appareillage utilisé pour la réduction d’échantillons Réduction d’un échantillon au moyen d’un séparateur mécanique Réduction de l’échantillon par quartage Principe général de l’analyse granulométrique par tamisage Lavage sur le tamis de 80 µm Analyse granulométrique d’un mélange de gros granulats, de granulats ns dans un gravier naturel – mode opératoire Formulaire de présentation des résultats de l’analyse granulométrique par tamisage Graphique modèle Types de courbes granulométriques Courbe granulométrique d’un granulat n (exemple 3.1) Granulométrie d’un sable Courbe granulométrique d’un granulat n après lavage (exemple 3.2) Granulométrie d’un granulat n après lavage Granulométrie d’un mélange de gros granulat et de granulat n Courbe granulométrique d’un mélange de gros granulat et de granulat n (exemple 3.3) Différents types de granulométrie Détermination des diamètres effectifs 10, 30 et 60 permettant de calculer les coefcients d’uniformité et de courbure
2
3 3 5 6 6 6 7 8 9
10 18 20 22 23 24 24 24 29 30
31 33 34 35 36 37 38 39 41
42 43
45
Figure 3.15 Courbe granulométrique d’un sable pour béton (exemple 3.6) Figure 3.16 Granulométrie d’un sable pour béton Figure 3.17 Granularité des résidus d’amiante (exemple 3.7) Figure 3.18 Types de fuseaux granulométriques Figure 3.19 Trois granulats particuliers Figure 4.1 Divers états d’une particule selon sa teneur en eau Figure 4.2 Divers états d’un granulat selon sa teneur en eau Figure 4.3 Représentation schématique des différentes phases d’une particule ou d’un granulat Figure 4.4 Détermination de la teneur en eau totale Figure 4.5 Aspect du cône de sable selon la teneur en eau du sable lors de la détermination de l’état SSS Figure 4.6 Principe de la mesure de la densité du gros granulat Figure 4.7 Calcul de la densité et de l’absorption d’un gros granulat Figure 4.8 Représentation schématique du volume représenté par Ms − MIw Figure 4.9 Méthode du pycnomètre Figure 4.10 Calcul de la densité et de l’absorption d’un granulat n Figure 5.1 Exemples de cas de réaction alcalis-granulats en Estrie Figure 5.2 Réactions causées par la pyrite dans les remblais Figure 5.3 Soulèvement et ssuration causés par l’utilisation de matériaux de remblayage contenant de la pyrite Figure 5.4 Dommages causés par la présence de pyrite dans le matériau de remblayage Figure 5.5 Remblais contenant de la pyrite Figure 5.6 Soulèvement d’une maison en vue de la reconstruction du sous-sol Figure 5.7 Sous-sol endommagé par une réaction de la pyrrhotite contenue dans le gros granulat utilisé pour fabriquer le béton Figure 6.1 Assemblage cubique simple Figure 6.2 Assemblage cubique à faces centrées Figure 6.3 Introduction de petites sphères dans l’espace libre entre trois grosses sphères Figure 6.4 Pourcentage de vide dans des mélanges de granulats pour béton Figure 6.5 Inuence de la granulométrie sur la compacité d’un sol Figure 6.6 Inuence de la granulométrie des matériaux granulaires sur leur perméabilité
45 46 49 50 51 60 61 61 65
66 66 67 67 68 69 83 85
85 86 86 87
87 92 93
94 94 96 97
VIII
Liste des gures
Figure 6.7 Figure 6.8
Figure 6.9 Figure 6.10 Figure 6.11 Figure 6.12
Figure 6.13 Figure 6.14
Figure 6.15 Figure 6.16
Figure 6.17
Figure 6.18
Figure 6.19
Figure 6.20 Figure 7.1 Figure 7.2 Figure 7.3 Figure 8.1 Figure 8.2
Figure 8.3
Figure 8.4 Figure 8.5
Figure 8.6
Inuence de la forme des particules sur la perméabilité d’un matériau granulaire Barrage en terre et enrochement Valeurs caractéristiques de la perméabilité des différentes parties du barrage Ascension capillaire dans un tube n État de la surface de roulement d’une rue, trois hivers après sa reconstruction Lentille de glace Vue d’un bloc de silt argileux prélevé dans une zone de formation de lentilles de glace Formation des lentilles de glace au niveau du front de gel Soulèvement et abaissement du centre d’une rue construite sur un sol gélif Gélivité des matériaux granulaires en fonction de leur granulométrie Inuence de la perméabilité et de la capillarité sur la gélivité des matériaux granulaires et des sols Variation au l des saisons du prol de la surface d’une tranchée creusée dans un sol gélif et remplie de matériau granulaire non gélif Prol du soulèvement de la surface d’une rue de Sherbrooke au cours de l’hiver 1976-1977 (rue Lavigerie) État de la surface de la rue présentée dans la gure 6.10 après le 3e hiver qui a suivi sa reconstruction Effet baignoire lors du dégel Exemple d’une classe granulaire 5/10 Représentation schématique d’une chaussée (d’après la norme NQ 2560-114) Classication des matériaux recyclés (d’après la norme NQ 2560-600) Courbe granulométrique des combinés (A + B) et (2A + B) Calcul graphique des proportions des deux granulats de base entrant dans la composition d’un combiné Exemple de deux granulats avec lesquels il est impossible d’obtenir un combiné entièrement compris dans le fuseau recherché Recherche d’un combiné par approximations successives Calcul de la granulométrie d’un combiné granulométrique par la méthode graphique Détermination des proportions limites de deux granulats de base permettant de couvrir un fuseau granulométrique
Figure 8.7 97
Figure 8.8 98 99
Figure 8.9 Figure 8.10
100 101
Figure 8.11
101
Figure 8.12
101
102
Figure 8.13 Figure 9.1 Figure 9.2
102
Figure 9.3 103
103
104
104 105 117 118 131 138
Figure 9.4 Figure 9.5 Figure 9.6 Figure 9.7 Figure 9.8 Figure 9.9 Figure 9.10 Figure 9.11 Figure 9.12 Figure 9.13 Figure 9.14 Figure 9.15 Figure 9.16 Figure 9.17 Figure 9.18 Figure 9.19 Figure 9.20
139
Figure 9.21
140
Figure 9.22 Figure 9.23
141
142
143
Figure 9.24 Figure 9.25 Figure 9.26 Figure 9.27 Figure 9.28 Figure 9.29
Détermination des proportions de trois granulats en appliquant deux fois la méthode graphique Représentation schématique des résultats obtenus dans la gure 8.7 Principe de la méthode du triangle Graphique utilisé dans la méthode du triangle Représentation des granulats A1, B1 et C1 dans le diagramme triangulaire Détermination des proportions d’un combiné en utilisant la méthode du triangle (formules générales) Calcul des proportions des granulats A, B et C par la méthode du triangle Coupe d’un trommel laveur Installation de débourbage (lavage) d’un sable pour béton Équipements de la sablière Lagacé à L’Avenir Chargeuse équipée de cellules de charge Élimination des matériaux grossiers Rejets de la sablière Lagacé Banc Côté exploité par DJL à Saint-François-Xavier-de-Brompton Les différentes zones du banc Côté Séparateur à barres Crible Pile de gravier concassé lavé Piles de sable lavé Vis débourbeuse Eaux de lavage Station de pompage dans l’étang de sédimentation Forage du front de taille Plan de dynamitage Fracturation de très gros blocs Chargement de blocs d’abattage Déversement des blocs dans la trémie de recette du poste primaire Marteau piqueur sur bras articulé dans la trémie de recette du poste primaire Système de bandes transporteuses Chargement d’un camion sous une trémie d’entreposage temporaire Chargement d’un camion pour livraison Concasseur à mâchoires Concasseur giratoire Concasseur giratoire conique Concasseur à rouleaux Concasseur à percussion
144 144 145 145
146
147 148 157 157 158 158 158 158 159 159 159 160 160 160 160 160 160 161 161 161 161 161
162 162 162 163 163 164 164 165 165
Liste des gures
Figure 9.30 Figure 9.31 Figure 9.32 Figure 9.33 Figure 9.34 Figure 9.35 Figure 9.36 Figure 9.37 Figure 9.38 Figure 9.39 Figure 9.40
Figure 9.41 Figure 9.42
Figure 9.43 Figure 9.44 Figure 9.45 Figure 9.46 Figure 9.47 Figure 9.48 Figure 9.49
Figure 9.50
Figure 9.51 Figure 10.1 Figure 10.2
Figure 10.3 Figure 10.4 Figure 10.5 Figure 10.6 Figure 10.7 Figure 10.8 Figure 10.9 Figure 10.10
Broyeur à marteaux Précribleur Principe de fonctionnement d’un crible Bandes transporteuses Techniques de stockage recommandables Techniques de stockage acceptables selon le comité ACI Mise en tas par sauterelle selon les normes CSA Techniques de stockage à proscrire selon les normes CSA Vue aérienne de la carrière de Saint-Dominique Salle de contrôle Flot d’écoulement des granulats à travers toute l’installation de la carrière Saint-Dominique en 2011 Lac de sédimentation Remontée des matériaux cassés dans le concasseur primaire vers l’usine de traitement nal Usine de traitement nal des granulats Concasseur conique Unité de dépoussiérage Poste de lavage des camions avant la livraison Lavage de la criblure Pont de la Confédération Carrière de pierre située en bord de mer à Canso, en Nouvelle-Écosse, permettant le chargement direct des bateaux Abrasion des glaces sur les piliers du pont de la Confédération dans la zone de marnage Plateforme pétrolière Hibernia en opération Une nouvelle approche du développement « Nous n’héritons pas de la terre de nos ancêtres, nous l’empruntons à nos enfants. » Récupération du béton armé Récupération des briques d’argile cuite Récupération des blocs de maçonnerie Tri des barres d’armature Concassage et mise en réserve de béton issu de démolition Concasseur mobile Fabrication de blocs à partir de retours de béton (usine Béton Memphré de Magog) Récupération par lavage et criblage du sable contenu dans les retours de béton (usine Demix Béton à Lachine)
165 166 167 167 168 169 169 170 170 170
171 171
172 172 172 173 173 173 177
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182 183 183 183 184 185 185 186
186
IX
Figure 10.11 Récupération par lavage et criblage du gros granulat (usine Demix Béton à Lachine) Figure 10.12 Ajustement du pH des eaux de lavage avant leur renvoi dans l’égout municipal (usine Demix Béton à Lachine) Figure 10.13 Recycleuse de chaussée Figure L1.1 Échantillonnage pour analyse environnementale Figure L1.2 Contenants ambrés pour analyse environnementale et récipient de type glacière pour conserver les prélèvements Figure L1.3 Contenant clairs et sacs stériles pour préserver les échantillons pour analyse environnementale Figure L1.4 Lavage de l’équipement des prélèvements Figure L1.5 Outils manuels et matériel pour l’échantillonnage Figure L1.6 Échantillonnage manuel Figure L1.7 Tarière motorisée Figure L1.8 Rétrocaveuse Figure L1.9 Foreuse mécanique — forage sur la chaussée Figure L1.10 Chargeuse sur pneus Figure L1.11 Échantillonnage sur bande transporteuse Figure L1.12 Échantillonnage à l’aide d’un carottier fendu et carotte de sol Figure L2.1 Appareillage utilisé pour la réduction d’échantillons Figure L2.2 Réduction d’un échantillon au moyen d’un séparateur mécanique Figure L2.3 Procédure de réduction par quartage Figure L3.1 Appareillage nécessaire pour réaliser l’essai Figure L3.2 Étalonnage d’un contenant au moyen d’eau Figure L3.3 Pesée du contenant rempli de granulats tassés Figure L3.4 Remplissage des vides du granulat avec de l’eau Figure L4.1 Appareillage pour déterminer la densité et l’absorption du granulat n Figure L4.2 Conditionnement d’un sable pour l’essai de densité Figure L4.3 Légère inclinaison du pycnomètre pour faciliter l’élimination de l’air Figure L4.4 Lecture de la température dans la partie la plus volumineuse d’un pycnomètre Figure L4.5 Conditionnement du gros granulat dans une serviette humide Figure L4.6 Mise à zéro de la balance Figure L4.7 Pesée du granulat dans l’air Figure L4.8 Pesée du granulat dans l’eau Figure L5.1 Nucléodensimètre Figure L5.2 Étuve ventilée pour la détermination de la teneur en eau
186
186 187 193
193
193 193 194 194 194 194 195 195 196 196 197 197 198 200 200 201 202 205 206 207 207 210 210 211 211 212 212
X
Liste des gures
Figure L5.3 Figure L5.4 Figure L6.1 Figure L6.2 Figure L6.3 Figure L6.4 Figure L7.1 Figure L8.1 Figure L8.2 Figure L9.1 Figure L9.2 Figure L9.3 Figure L10.1 Figure L10.2 Figure L10.3 Figure L10.4 Figure L10.5 Figure L10.6 Figure L11.1 Figure L11.2
Figure L11.3
Figure L11.4 Figure L11.5 Figure L11.6 Figure L11.7 Figure L12.1 Figure L12.2 Figure L12.3 Figure L12.4
Droite d’étalonnage d’une étuve Appareil Speedy Appareil micro-Deval Jarre étanche utilisée dans l’essai micro-Deval Billes constituant la charge abrasive Gabarit pour billes Billes constituant la charge abrasive Appareil Los Angeles pour mesurer la perte par abrasion des gros granulats Boulets d’acier et tamis à mailles carrées de 1,70 mm Pendule britannique Fabrication des éprouvettes Appareil de polissage par projection Microscope servant à l’examen pétrographique Particules triées par catégories Essai à l’acide chlorhydrique dilué Essai de dureté au moyen d’une lame de canif Ensemble pour évaluer la dureté Mohs Essai au marteau Appareillage utilisé pour effectuer l’analyse granulométrique par tamisage Tamiseur mécanique approprié pour les tamis ronds de 200 mm de diamètre Tamiseur mécanique approprié pour les tamis rectangulaires de 375 sur 575 mm Analyse granulométrique d’un sable naturel (exemple d’application L11.2) Courbe granulométrique (exemple d’application L11.2) Analyse granulométrique d’un gravier naturel (exemple d’application L11.3) Courbe granulométrique (exemple d’application L11.3) Gabarits pour particules plates et pour particules allongées Gabarit d’épaisseur Gabarit de longueur Compas
213 213 216 217 217 217 220 222 223 225 226 226 228 229 229 229 230 230 233
233
234 236 237 239 240 241 241 241 242
Figure L12.5 Vérication des particules plates Figure L12.6 Mesure des particules allongées Figure L15.1 Fractions de la prise d’essai lavées et séchées Figure L15.2 Chaque particule est pressée entre le pouce et l’index Figure L15.3 Chaque fraction est déposée et lavée sur le tamis approprié Figure L16.1 Appareillage pour déterminer la teneur en particules légères Figure L16.2 Mesure de la densité du liquide lourd au moyen d’un densimètre Figure L16.3 Récupération des particules qui ottent sur le liquide Figure L17.1 Appareillage pour déterminer la présence de matières organiques dans les sables pour béton Figure L17.2 Comparaison de la couleur de la solution de soude avec celle de la plaquette étalon Figure L18.1 Agitateur magnétique Figure L18.2 Aspect de divers dépôts produits durant l’essai Figure L19.1 Mesure du coefcient d’écoulement en laboratoire Figure L19.2 Vue d’ensemble de l’appareil Figure L19.3 Cône Figure L19.4 Cylindre Figure L19.5 Entonnoir Figure L20.1 Paniers faits de treillis d’acier inoxydable et servant au trempage des granulats Figure L20.2 Mesure de la densité de la solution de sulfate de magnésium Figure L20.3 Bassin pour l’immersion Figure L20.4 Séchage des granulats dans leur contenant Figure L20.5 Réaction du chlorure de baryum dans l’eau de lavage contenant du sulfate de magnésium (bécher de droite) Figure L23.1 Matériaux recyclés étalés dans un contenant à fond plat Figure A.1 Tamis de laboratoire Figure A.2 Le croisement des ls forme les mailles des tamis Figure A.3 Brosse et balais pour les tamis Figure A.4 Bain à ultrasons
243 243 248 249 249 252 252 253
254 254 255 256 258 258 259 259 259 261 261 262 262
263 269 271 271 276 276
TABLE DES MATIÈRES
CHAPITRE
1
La nature et les propriétés des granulats
1
1.1 Les granulats 1.2 Les sources de granulats 1.2.1 Les carrières 1.2.2 Les gravières et les sablières 1.2.3 Les granulats articiels 1.3 Les propriétés des particules 1.3.1 La dureté 1.3.2 La couleur 1.3.3 La ténacité 1.3.4 La dimension 1.3.5 La forme 1.3.6 La surface 1.3.7 L’absorption (absorptivité) 1.4 Les propriétés des granulats
2
1.4.1 La granularité
2 2 3 3 4 4 5 5 5 7 7
3.1 L’analyse granulométrique 3.1.1 La série normalisée de tamis 3.1.2 L’échantillon 3.1.3 Le principe général de l’essai de tamisage 3.1.4 Le principe de l’analyse granulométrique par lavage sur un tamis de 80 µm 3.1.5 Le principe de l’analyse d’un mélange de gros granulats et de granulats ns 3.1.6 L’analyse granulométrique d’un ller (méthode ASTM D546) 3.2 Les calculs et la présentation des résultats de l’analyse granulométrique 3.2.1 Le calcul des résultats 3.2.2 La présentation des résultats dans un tableau 3.2.3 La présentation des résultats dans un graphique 3.3 Des exemples de calculs 3.4 Les paramètres pour interpréter la granularité 3.4.1 Les types granulométriques 3.4.2 Les classes granulométriques 3.4.3 Les notions dérivées des résultats des analyses granulométriques 3.4.4 Les fuseaux granulométriques 3.5 La classication et la désignation des granulats 3.5.1 La désignation d’après la dimension des particules 3.5.2 La désignation des granulats d’après leur classe granulaire 3.5.3 La désignation des granulats d’après leur utilisation 3.5.4 La classication des matériaux 3.6 La classication et la désignation des matériaux recyclés
8
1.4.3 La densité 10 1.4.4 La masse volumique 10 10 11 11 11 11 11 11 13 13 13
2
2.1 L’importance de l’échantillonnage 2.2 L’échantillonnage conjoint 2.2.1 L’utilisation d’une table de hasard 2.3 L’échantillonnage d’un sol 2.4 L’échantillonnage d’un matériau naturel 2.4.1 Le banc d’emprunt exploité pour la première fois 2.4.2 Le banc d’emprunt en cours d’exploitation 2.4.3 Le banc d’emprunt abandonné 2.4.4 Le banc de gravier 2.4.5 Le roc 2.5 L’échantillonnage dans une installation de production en fonctionnement
19 19 19 21 21 21 21 25 25 26
3
La granularité
1.4.2 La surface spécique
Les techniques d’échantillonnage
CHAPITRE
7 7
CHAPITRE
19
5
1.4.5 La teneur en eau 1.4.6 La durabilité 1.4.7 La résistance à l’abrasion 1.4.8 La stabilité chimique 1.4.9 La réactivité 1.4.10 Les matières délétères 1.5 Les documents de référence Résumé Références Questions de révision
2.5.1 L’échantillonnage sur une bande transporteuse 2.5.2 L’échantillonnage à partir d’un chargement 2.6 L’échantillonnage d’une réserve de granulats 2.6.1 La couche de granulats 2.6.2 La réserve 2.7 L’échantillonnage sur la chaussée 2.8 Le rapport d’échantillonnage 2.9 La réduction des échantillons Résumé Références Questions de révision
15 16 17 18 18 18 18 18 19 19 19 19
27 28 28 28 28 29 30 32 32 32 32 33 36 42 42 43 43 47 50 50 51 51 51 52
XII
Table des matières
Résumé Références Questions de révision Problèmes CHAPITRE
53 54 55
4
La masse, le volume et la teneur en eau 4.1 Les propriétés des granulats 4.1.1 La porosité des particules et des granulats 4.1.2 Les divers états des particules et des granulats selon leur teneur en eau 4.1.3 La teneur en eau totale d’un granulat 4.1.4 L’absorption d’un granulat 4.1.5 L’humidité d’un granulat 4.1.6 La densité 4.1.7 La masse volumique 4.1.8 L’indice des vides et la porosité 4.2 La teneur en eau totale, l’absorption et l’humidité d’un granulat 4.2.1 La teneur en eau totale 4.2.2 L’absorption du granulat n 4.3 La densité et l’absorption des granulats 4.3.1 Le cas du gros granulat 4.3.2 Le cas du granulat n 4.4 La masse volumique et le volume des vides d’un granulat 4.4.1 Le principe de la méthode 4.4.2 L’indice des vides et la porosité Résumé Questions de révision Problèmes CHAPITRE
53
59 60 60 60 61 61 62 63 63 64 64 64 65 65 65 68 68 68 69 71 71 72
5
La durabilité et les matières délétères 5.1 La notion de durabilité 5.2 La durabilité liée aux caractéristiques intrinsèques des granulats 5.2.1 La détermination de la résistance à l’abrasion : l’essai Los Angeles 5.2.2 La détermination de la résistance à l’attrition : l’essai micro-Deval 5.2.3 La détermination de la résistance à l’écrasement : l’essai de friabilité 5.2.4 La détermination de la résistance au polissage 5.2.5 La justication des essais d’usure 5.3 La durabilité liée aux conditions climatiques 5.3.1 La détermination de la résistance à la désagrégation des granulats : l’essai au sulfate de magnésium
75 76 76 76 77 77 77 78 78
78
5.3.2 L’essai de résistance au gel et au dégel de gros granulats non connés 5.3.3 Les difcultés inhérentes à ces essais 5.4 La durabilité liée à la présence de matières délétères dans le granulat 5.4.1 La détermination de la présence de matières organiques dans un sable pour béton : l’essai colorimétrique 5.4.2 La détermination de la quantité de matières organiques dans les sols et les granulats : les essais d’ignition et d’oxydation 5.4.3 La détermination de la propreté des granulats 5.4.4 Le pourcentage de mottes d’argile et de particules friables 5.4.5 La détermination de la teneur en particules légères 5.5 Les propriétés délétères liées à l’environnement 5.5.1 La réactivité d’un granulat aux alcalis du ciment portland 5.5.2 Les dommages causés par les sulfures de fer Résumé Références Questions de révision Problèmes CHAPITRE
79 79 79
80
80 80 81 82 82 82 85 88 88 90 90
6
L’inuence de la granulométrie sur les propriétés physiques d’un granulat 6.1 L’assemblage de sphères dans l’espace 6.1.1 Les cas de sphères uniformes 6.1.2 Les cas de sphères non uniformes 6.1.3 Les résultats expérimentaux sur la porosité des granulats naturels 6.1.4 La granulométrie continue et discontinue 6.2 L’inuence de la granulométrie sur la compacité des sols 6.3 L’inuence de la granulométrie sur la perméabilité 6.3.1 La loi de Darcy 6.3.2 La relation entre le coefcient de perméabilité k et la granulométrie 6.3.3 La perméabilité de quelques matériaux usuels 6.4 L’inuence de la granulométrie d’un sol sur sa capillarité 6.5 L’inuence de la granulométrie d’un matériau sur sa gélivité 6.5.1 Le soulèvement des sols gélifs 6.5.2 La détermination du potentiel de ségrégation
91 92 92 93 94 95 95 96 96 96 98 98 99 99 103
Table des matières
6.5.3 La perte de la capacité portante de certains sols et granulats au moment du dégel Résumé Références Questions de révision Problèmes CHAPITRE
104 106 106 107 108
7
Les critères d’utilisation des granulats
109
7.1 Dénitions 110 7.2 Les normes de référence et les méthodes d’essai 111 7.3 Les exigences en matière de granulats 111 7.3.1 La dénition des classes granulaires et la classication des granulats 113 7.3.2 La classication des granulats routiers selon leur utilisation 118 7.4 L’utilisation des granulats dans les bétons de ciment portland, les enrobés bitumineux et les abrasifs 121 7.4.1 Les granulats pour béton de ciment portland 121 7.4.2 Les granulats pour enrobés bitumineux et abrasifs 127 7.5 Les matériaux recyclés 130 Résumé 133 Références 133 Questions de révision 134 Problèmes 135 CHAPITRE
8
Le mélange des granulats
137
8.1 La granulométrie des mélanges composés de deux granulats 8.1.1 Le choix des granulats et le fuseau imposé 8.1.2 La méthode par approximations successives 8.1.3 La méthode graphique 8.2 Les mélanges composés de trois granulats 8.2.1 La méthode graphique 8.2.2 La méthode trilinéaire ou méthode du triangle 8.3 Les mélanges composés de plus de trois granulats 8.3.1 La méthode mathématique Résumé Référence Questions de révision Problèmes CHAPITRE
9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.1.4
Une description générale 156 Le lavage des granulats (débourbage) 156 La sablière Lagacé de L’Avenir 158 Le banc Côté exploité par DJL à Saint-François-Xavier-de-Brompton 158 9.2 L’exploitation des carrières 160 9.2.1 Une description générale 161 9.2.2 Les différents types de concasseurs 162 9.2.3 Le choix du type de concasseur 165 9.2.4 Le système de shaper (surfaçage) 166 9.2.5 Les systèmes de criblage 166 9.2.6 Les appareils de manutention 167 9.2.7 Les matériaux d’ajout 168 9.2.8 La mise en réserve des granulats 168 9.2.9 La dénomination des granulats produits dans les installations de production 169 9.3 La carrière de Saint-Dominique 170 9.3.1 Une description générale 170 9.3.2 Le dynamitage du front de taille 171 9.3.3 Le concassage 172 9.3.4 Le lavage de la criblure 173 9.3.5 Les produits commerciaux 173 9.4 Les normes du ministère de l’Environnement 174 9.5 Le transport des granulats 175 9.5.1 Les routes et les voies maritimes 175 9.5.2 Le transport de granulats par voie maritime 176 Résumé 178 Références 179 Questions de révision 180
138 138 140 142 143 143 144 149 149 151 151 152 152
9
La production et le transport des granulats
XIII
155
9.1 L’exploitation des dépôts meubles 156
CHAPITRE
10
Le recyclage des granulats
181
10.1 Le développement durable 182 10.2 Le recyclage des déchets de construction 183 10.2.1 Quelques exemples concrets 183 10.2.2 L’utilisation des matériaux recyclés dans les infrastructures routières 184 10.3 Le recyclage des bétons de ciment 184 10.3.1 Les granulats de béton recyclés 184 10.3.2 Le recyclage des retours de béton 185 10.4 Le recyclage des enrobés bitumineux 187 10.4.1 Le retraitement en place des chaussées 187 10.5 La caractérisation des déchets recyclables 187 Résumé 188 Références 188 Questions de révision 189
XIV
Table des matières
LABORATOIRES
190
Échantillonnage 192 Laboratoire 1 Échantillonnage 192 Laboratoire 2 Réduction des échantillons pour essais en laboratoire 197 Essais de détermination des caractéristiques de masse, de volume et d’humidité Laboratoire 3 Détermination de la masse volumique et du pourcentage de vides Laboratoire 4 Détermination de la densité et de l’absorption des granulats Laboratoire 5 Détermination de la teneur en eau des granulats
200 200 205 212
Essais de détermination des caractéristiques intrinsèques 216 Laboratoire 6 Détermination du coefcient d’usure par attrition à l’aide de l’appareil micro-Deval 216 Laboratoire 7 Détermination du pourcentage de friabilité des granulats ns 220 Laboratoire 8 Détermination de la résistance à l’abrasion au moyen de l’appareil Los Angeles 222 Laboratoire 9 Détermination de la résistance au polissage par projection des granulats 225 Laboratoire 10 Analyse pétrographique et détermination du nombre pétrographique 227 Essais de détermination des caractéristiques de fabrication 233 Laboratoires 11 et 14 Analyse granulométrique – propreté 233 Laboratoire 12 Détermination du pourcentage de particules plates et allongées 241 Laboratoire 13 Détermination du pourcentage de particules fracturées d’un gros granulat 246 Essais de détermination des caractéristiques complémentaires 248 Laboratoire 15 Détermination du pourcentage de mottes d’argile dans les granulats naturels 248
Laboratoire 16 Détermination de la quantité de particules légères dans les granulats Laboratoire 17 Détermination de la présence de matières organiques dans les granulats ns Laboratoire 18 Détermination de la valeur au bleu de méthylène des granulats Laboratoire 19 Détermination du coefcient d’écoulement des granulats ns
252
254 255 258
Essais de résistance aux intempéries 261 Laboratoire 20 Détermination de la résistance à la désagrégation des granulats au moyen d’une solution de sulfate de magnésium 261 Laboratoire 21 Essai de résistance au gel et au dégel des gros granulats non connés 265 Matériaux recyclés 267 Laboratoire 22 Détermination de la teneur en impuretés dans un matériau recyclé 267 Laboratoire 23 Détermination de la composition d’un matériau recyclé contenant des résidus d’enrobé et de béton 269 APPENDICE 271 Le tamis de contrôle 271 SOLUTION DES PROBLÈMES Chapitre 3 Chapitre 4 Chapitre 5 Chapitre 6 Chapitre 7 Chapitre 8 GLOSSAIRE SOURCES ICONOGRAPHIQUES INDEX TERMES, SYMBOLES ET UNITÉS SI RECOMMANDÉS EN TECHNOLOGIE DES GRANULATS
280 280 296 302 303 305 308 315 321 323 329
CHAPITRE
La nature et les propriétés des granulats SOMMAIRE
1.1
Les granulats
1.2
Les sources de granulats
1.3
Les propriétés des particules
1.4
Les propriétés des granulats
1.5
Les documents de référence
Les matériaux granulaires font l’objet d’une importante utilisation dans le secteur du génie civil. Ce chapitre traite des propriétés physiques et chimiques des granulats et des particules qui les composent. Il est donc primordial de connaître ces propriétés, car elles inuent sur le comportement des matériaux lors de leur fabrication, ainsi que de leur manutention et de leurs multiples utilisations. Le chapitre s’achève avec la présentation des organismes de normalisation et des documents de référence.
1
2
1.1
CHAPITRE 1
Les granulats
On désigne par le terme granulat un ensemble de particules de matière solide provenant de roches meubles ou consolidées ou encore de matériaux recyclés ; ces particules sont de dimension, de forme et de nature variables. On peut agglomérer les granulats avec un liant pour produire des bétons de ciment portland ou des enrobés bitumineux, mais aussi les utiliser tels quels pour la construction de routes, de digues, de barrages et autres ouvrages. Un matériau composé d’une multitude de particules est couramment qualié de matériau granulaire. Chaque particule se compose d’un ou plusieurs minéraux (voir la gure 1.1), de matière vitriée, ou d’un mélange de matière cristallisée et vitriée. Les granulats employés au Québec en génie civil sont composés de particules de minéraux ; aucun type de roche contenant des matières vitriées n’est actuellement utilisé. Toutefois, on commence à utiliser du verre broyé comme granulat.
1.2
Les sources de granulats
De façon très générale, en génie civil, on classe les granulats en trois grandes catégories : • les granulats naturels qu’on tire des carrières, des gravières ou des sablières ; • les granulats recyclés qui proviennent de déchets de démolition (bétons de ciment portland, enrobés
bitumineux, verre broyé, matière vitriée comme le montre la gure 1.2) ; • les granulats articiels qu’on peut fabriquer pour des usages particuliers, comme les granulats légers pour béton. On trouve aussi des sous-produits d’origine industrielle comme les laitiers de haut fourneau, les scories, les cendres volantes et les résidus de mines.
1.2.1 Les carrières Les carrières sont une source importante de granulats, qui sont produits par fragmentation et par criblage de roches consolidées. Les formations rocheuses sont d’abord fracturées au moyen d’explosifs, puis réduites par concassage jusqu’à la dimension désirée (voir la gure 1.3 a). Toutes les faces des particules ainsi obtenues se forment lors du concassage. La qualité des granulats dépend du type de roche exploité, du grain de la roche, de sa capacité de fragmentation et du type de concasseur utilisé. Au Québec, la plupart des carrières fournissent des granulats de roches calcaires, de roches ignées de la famille des granites et des syénites, et aussi parfois de roches volcaniques. Toutefois, la roche la plus exploitée est sans aucun doute le calcaire de Trenton, présent en abondance dans les basses terres du Saint-Laurent et au Lac-Saint-Jean.
FIGURE 1.1 Composition des particules
a) Particules de granite formées de plusieurs minéraux (feldspath, quartz, mica)
b) Particules de calcaire formées principalement d’un seul minéral (calcite)
La nature et les propriétés des granulats
FIGURE 1.2 Matière vitriée obtenue en passant les résidus de combustion des déchets domestiques des Îles-de-la-Madeleine dans une torche à plasma
3
Pour certaines applications bien précises, on emploie parfois des roches particulières ; par exemple, comme les formations rocheuses de Havre-Saint-Pierre contiennent de l’ilménite, les granulats qui en proviennent ont les caractéristiques voulues pour entrer dans la composition des bétons lourds.
1.2.2 Les gravières et les sablières Dans les gravières et les sablières, on exploite des matériaux déjà fragmentés par altération naturelle. La formation par accumulation de ces dépôts peut résulter de l’action de l’eau (dépôt uviatile, deltaïque, marin, lacustre), des glaciers (dépôt glaciaire, uvioglaciaire) ou du vent (dépôt éolien, sable de dune).
Cependant, même si une roche est dure et paraît saine, elle n’est pas nécessairement adaptée à n’importe quelle utilisation. Par exemple, même s’ils donnent des granulats routiers de bonne qualité, certains types de roche ne peuvent entrer dans la fabrication du béton de ciment portland à cause de réactions secondaires provoquées par les alcalis du ciment ou à cause des réactions qui se produisent entre la pâte de ciment hydraté et certains de leurs minéraux (pyrite, pyrrhotite, par exemple). Avant d’arrêter son choix sur un type de roche, il est donc très important de s’assurer de la non-réactivité du granulat dans les conditions où on entend l’utiliser.
Au Québec, la grande majorité des gravières et des sablières exploitées sont des dépôts d’origine uvioglaciaire. Dans certains cas, on utilise les matériaux tels quels, dans d’autres cas, on les lave pour en extraire les particules les plus nes, ou encore on les concasse pour réduire la dimension des plus grosses particules (voir la gure 1.3 b).
1.2.3 Les granulats articiels On entend par granulats articiels des minéraux transformés, tels les résidus miniers. Comme le Québec est plutôt dépourvu de granulats articiels de qualité, on en utilise très peu en génie civil. Pour en trouver en quantité intéressante, il faut aller dans des régions minières éloignées des grands centres
FIGURE 1.3 Catégories de granulats
a) Grosses particules de pierre concassée (pierre 20-5 mm)
b) Grosses particules de gravier
4
CHAPITRE 1
(Abitibi, Murdochville, Schefferville et Gagnon) où les besoins en granulats sont faibles et où il est généralement facile de se procurer des granulats naturels de très bonne qualité et à un prix très abordable.
d’autres branches des sciences et du génie. Dans les paragraphes qui suivent, nous dénirons sommairement les plus importantes propriétés des particules.
1.3.1 La dureté
Par ailleurs, au Québec, il n’y a pas de source de granulats articiels tels que les laitiers de haut fourneau ou de cendres volantes. Les scories industrielles peuvent aussi servir de granulats articiels, mais celles produites sur le territoire sont de qualité médiocre.
La dureté d’un matériau se dénit comme sa capacité à se laisser rayer par un autre minéral ou par une autre matière. La dureté d’un matériau donne un indice de la résistance qu’il opposera à la destruction de sa structure. Elle peut être établie à l’aide de l’échelle de Mohs, basée sur la dureté de 10 minéraux de référence (voir le tableau 1.1). Cette échelle permet d’établir la dureté relative d’un granulat par rapport à ces minéraux de référence, ce qui s’avère très utile dans diverses circonstances, notamment pour : • établir la nature d’un minéral ou d’une roche donnée ; • avoir une idée de l’abrasivité de la roche exploitée dans une carrière pour estimer la durée de vie des revêtements en acier des concasseurs ; • connaître la résistance à l’abrasion d’un granulat entrant dans la composition d’un enrobé bitumineux ou d’un béton de ciment portland.
Les seuls résidus miniers qui ont été utilisés comme granulats routiers sont ceux des mines d’amiante de la région d’Asbestos et de Thetford Mines. Ces granulats, qui étaient couramment employés à l’intérieur des mines pour construire les routes nécessaires à l’exploitation du minerai, ont déjà été utilisés avec succès par le ministère des Transports1 (route 112 à Black Lake) et comme ballast par des compagnies de chemin de fer. Cependant, lorsqu’on se propose d’utiliser un résidu minier, il ne suft pas de s’assurer que la granulométrie de ce résidu est convenable et que l’on a atteint le degré de compaction désiré ; il faut aussi en étudier très soigneusement les effets sur l’environnement et sur la structure qu’on veut construire. Par exemple, dans la région de Sherbrooke, l’utilisation de résidus d’une vieille mine de cuivre comme matériau de remplissage a déjà causé de graves problèmes de corrosion sur différents types d’équipement (cuve enterrée, réservoir, tuyauterie, béton, etc.). C’est qu’on avait omis de vérier l’acidité de ce résidu minier, vérication tout à fait inutile avec un granulat naturel. (Nous présentons plus en détail au chapitre 10 les granulats recyclés actuellement utilisés au Québec.)
1.3
Au Canada, la résistance à l’abrasion des glaces peut être un critère essentiel pour la construction des ouvrages maritimes, comme ce fut le cas, dans la zone de marnage, pour les piliers du pont de la Confédération reliant le Nouveau-Brunswick à l’Île-du- PrinceÉdouard (voir le chapitre 9). La dureté des minéraux dépend de l’arrangement des ions dans le système cristallin qu’ils forment et de l’existence de plans de clivage assez distants les uns des autres et présentant une forte densité ionique. Le quartz et le diamant sont des minéraux très durs, car ils sont constitués de tétraèdres très difciles à déformer. Par contre, il existe dans le diamant quelques plans denses qui permettent aux diamantaires de tailler des diamants par clivage selon la direction de ces plans. À l’inverse, le gypse (CaSO4 × 2H2O) est un matériau mou, car il possède beaucoup de plans de clivage faiblement liés les uns aux autres.
Les propriétés des particules
La description et la dénition des particules des granulats employés en génie civil s’appuient habituellement sur un certain nombre de notions provenant TABLEAU 1.1 Échelle de Mohs 1
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3
4
5
talc
gypse
calcite
uorine
apatite
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10
orthose
quartz
topaze
corindon
diamant
1. Depuis décembre 2016, ce ministère s'intitule ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l'Électrication des transports. Pour simplier, nous avons utilisé le plus souvent l'expression de ministère des Transports dans l'ensemble de l'ouvrage.
La nature et les propriétés des granulats
En général, plus dur est le minéral constituant la particule, meilleure est sa résistance à l’usure ou à l’abrasion. C’est pourquoi on a tendance à rechercher des particules dures pour construire des revêtements bitumineux, des planchers industriels et des pavages en béton de ciment portland, par exemple.
1.3.2 La couleur La couleur des granulats varie selon la nature des minéraux qui les constituent ; elle peut aller d’un blanc immaculé dans le cas de la calcite et du quartz à une couleur très foncée proche du noir dans le cas de certaines anorthosites ou de l’ilménite (utilisée comme granulat lourd). Une couleur brune indique souvent la présence d’oxyde ferrique (Fe2O3), alors qu’un gris très foncé peut révéler la présence d’oxyde ferreux (FeO) ou de magnétite (Fe3O4). Les granulats de couleur bleue sont plutôt rares. Dans les bétons architectoniques, on utilise des granulats exposés de couleurs différentes pour améliorer l’aspect esthétique des panneaux de béton. Pour renforcer la couleur de ces panneaux, on utilise des pigments à base d’oxydes métalliques ou de molécules organiques synthétiques. La richesse du Québec en minéraux de couleurs différentes permet aux préfabricants québécois de panneaux de béton de remporter des marchés jusque dans la région de Washington.
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par une seule dimension linéaire, soit leur diamètre. Cependant, comme la grande majorité des particules ont des formes irrégulières, il n’est pas toujours facile d’en déterminer la dimension. On mesure généralement les dimensions des particules en les faisant passer au travers de tamis à mailles carrées (tamis de laboratoire) ou rectangulaires (cribles industriels) ; en fait, on mesure plutôt le diamètre d’une sphère équivalente à chacune des particules qui passerait au travers de la même maille.
1.3.5 La forme On peut décrire la forme des particules de diverses façons en considérant seulement le point de vue géométrique. On parle couramment de particules cubiques, prismatiques, sphériques, cylindriques ou en bâtonnets. Cependant, en génie civil, il est souvent difcile de décrire les particules à partir de qualicatifs géométriques aussi simples et l’on se contente de termes comme cubique, aplatie ou allongée pour décrire des particules de forme imparfaite (voir la gure 1.4). FIGURE 1.4 Particules de formes caractéristiques
Il est maintenant fréquent d’acheter des sacs de 10 à 20 kg de granulats de couleurs et de formes différentes entrant dans la constitution d’éléments décoratifs dans des aménagements paysagers.
1.3.3 La ténacité On dit qu’un matériau est tenace s’il résiste bien aux chocs et qu’il est fragile ou friable s’il se brise facilement. Les minéraux les plus durs ne sont pas nécessairement les plus tenaces. Ainsi le quartz, qui est très dur, se broie assez facilement, tandis que la serpentine, qui contient de l’amiante chrysotile et dont la dureté est faible, est très tenace. La température peut affecter la ténacité d’un matériau : par exemple, un enrobé bitumineux, un matériau généralement tenace à la température ordinaire, devient fragile par grand froid.
1.3.4 La dimension Si toutes les particules des granulats étaient sphériques, il n’y aurait aucun problème à les caractériser
On a essayé de décrire la forme des particules à l’aide des deux critères fondamentaux que sont la sphéricité et l’angularité. Toutefois, s’il est très facile de dénir précisément ces notions, il est très difcile de trouver des moyens simples de les mesurer dans la pratique.
La sphéricité La sphéricité d’une particule se dénit par le rapport de la surface s de la sphère, ayant le même volume que la particule, à la surface réelle S de la particule : s Sphéricité = S Pour une sphère parfaite, la sphéricité est égale à 1 ; pour n’importe quelle autre forme de particule, la
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CHAPITRE 1
sphéricité est inférieure à 1. En effet, il est démontré en géométrie que la sphère est la forme qui présente la surface minimale pour un volume donné. Ainsi, plus la valeur de la sphéricité est faible, moins la forme de la particule s’approche de celle d’une sphère.
FIGURE 1.6 Dénition de l’angularité
Comme il est très difcile de mesurer la surface d’une particule irrégulière, on a proposé une autre dénition de la sphéricité selon laquelle la sphéricité d’une particule serait donnée par le rapport entre le diamètre de la sphère qui aurait le même volume que la particule et le diamètre de la sphère circonscrite à la particule (voir la gure 1.5). Toutefois, cette dénition est peu pratique et c’est le plus souvent à l’œil que l’on évalue la sphéricité d’une particule. FIGURE 1.5 Dénition de la sphéricité
L’angularité On a proposé une dénition mathématique de l’angularité, que l’on obtient en calculant le rapport entre la moyenne des rayons de courbure des coins et arêtes d’une particule et le rayon de courbure de la sphère inscrite (voir la gure 1.6) : r Angularité = R Toutefois, à quoi sert-il de dénir une grandeur qu’on ne sait pas évaluer de façon simple dans la pratique ? Là encore, il faut s’en remettre à l’œil pour évaluer l’angularité d’une particule ; on pourra cependant se baser sur la gure 1.7 pour la déterminer. Même si elles sont difciles à mesurer dans la pratique, les notions de sphéricité et d’angularité demeurent importantes. Par exemple, pour fabriquer un béton de ciment portland, il est intéressant de rechercher des granulats ayant une sphéricité élevée et une assez forte angularité. En effet, la sphéricité élevée (on parle, dans le métier, de particules « cubiques ») donnera des
FIGURE 1.7 Particules d’angularité différente
La nature et les propriétés des granulats
bétons maniables, tandis qu’une assez forte angularité favorisera l’adhérence mécanique entre le granulat et le mortier. Par contre, chaque fois qu’on recherche un angle de frottement interne élevé, on préfère employer des particules angulaires de faible sphéricité.
7
FIGURE 1.8 Schéma d’une particule de granulat
1.3.6 La surface La surface d’une particule de granulat est rugueuse lorsqu’elle a, par exemple, la texture d’un papier de verre ; elle est lisse lorsqu’elle est douce au toucher. En règle générale, les particules obtenues par concassage présentent des faces rugueuses. Par contre, les particules de granulats naturels déposés par les glaciers, les rivières ou le vent ont d’ordinaire des surfaces lisses. L’adhérence d’un liant à une particule, tout comme l’adhérence des pneus sur les chaussées, dépend beaucoup de la rugosité de sa surface : plus la surface est rugueuse, meilleure est l’adhérence. Il existe un essai pour déterminer si la surface des particules, combinée à leur angularité, convient aux revêtements bitumineux. Ainsi, le coefcient d’écoulement (Ce ), que nous étudierons au laboratoire 19 (voir p. 258), doit être supérieur ou égal à 80 pour que le granulat soit acceptable.
Une particule est humide lorsqu’elle retient un lm d’eau à sa périphérie. L’absorption d’une particule est égale au rapport (en pourcentage) entre la masse de liquide absorbé à l’état SSS et la masse sèche de la particule (voir le chapitre 4).
1.3.7 L’absorption (absorptivité)
La section 1.3 portait sur les propriétés des particules individuelles des granulats. Nous allons voir maintenant que tout ensemble de particules possède aussi plusieurs propriétés, notamment la compacité, la perméabilité, la porosité et l’indice des vides. Toutes ces propriétés dépendent de la façon dont s’assemblent les particules élémentaires. Un granulat comporte généralement une phase solide (les particules individuelles), une phase liquide (en général, l’eau) et une phase gazeuse (en général, l’air). Les phases liquide et gazeuse occupent le volume intergranulaire. On peut représenter un granulat, ou un matériau granulaire, par l’un des deux schémas de la gure 1.9 (voir page suivante). La représentation conventionnelle d’un granulat a l’avantage de faire ressortir l’importance relative des phases solide, liquide et gazeuse en présence.
En général, les particules de granulat sont poreuses et peuvent absorber une certaine quantité de liquide (eau ou bitume). La gure 1.8 représente schématiquement une particule de granulat. Cette particule comporte des pores fermés qui ne communiquent pas avec l’extérieur (type A), des pores ouverts qui débouchent sur la surface extérieure des granulats (types B et C), et des pores superciels situés à la surface de la particule (type D). Seuls les pores ouverts ou superciels (types B et D) se saturent ou sont partiellement remplis (type C) lorsque la particule absorbe un liquide. Les pores de type E sont des pores trop ns pour se remplir de liquide. Une particule est sèche lorsque tous les pores ouverts ou superciels sont remplis d’air. Une particule est à l’état saturé superciellement sec (état SSS) lorsque tous les pores ouverts et superciels présentent un ménisque à la surface extérieure de la particule. Toutefois, cela ne veut pas forcément dire que la totalité des pores ouverts est saturée (voir la gure 1.8). Un ménisque est une surface incurvée située à l’interface liquide/air. La forme du ménisque dépend de la tension supercielle de l’eau et des forces d’adhésion qui agissent à l’interface des phases solide, gazeuse et liquide.
1.4
Les propriétés des granulats
1.4.1 La granularité La granularité d’un matériau granulaire correspond à la distribution de ses particules selon leur dimension. En génie civil, avant de choisir un granulat particulier, il faut d’abord évaluer sa granularité. On détermine cette caractéristique en effectuant un essai de tamisage à l’aide d’une série normalisée de tamis. On classe habituellement les granulats en deux grandes catégories : les gros granulats, dont la majorité des particules est retenue sur un tamis de 5 mm (on appelle aussi gros
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CHAPITRE 1
FIGURE 1.9 Représentations schématiques d’un granulat
(voir la sous-section 1.4.4). La surface spécique du cube est égale 6a2/ρa3, soit 6/ρa. Quand on fractionne le cube initial en deux, on fait apparaître deux nouvelles faces (en gris sur la gure 1.10 b) qui ont chacune une surface égale à a2. La surface extérieure totale des deux cubes ainsi obtenus est égale à 6a2 + 2a2 = 8a2. La surface spécique du cube fractionné est égale à 8a2/ρa3, soit 8/ρa. Partageons encore en deux ces deux particules (voir la gure 1.10 c). Comme dans le cas précédent, on fait apparaître deux nouvelles faces (en gris sur la gure) qui ont chacune une surface égale à a2. La surface extérieure totale des quatre particules ainsi obtenues est donc égale à 8a2 + 2a2 = 10 a2. La surface spécique du cube fractionné est égale à 10a2/ρa3, soit 10/ρa. Partageons de nouveau en deux ces quatre particules (voir la gure 1.10 d). Comme précédemment, on fait apparaître deux nouvelles faces qui ont chacune une surface égale à a2. La surface extérieure des huit particules obtenues est égale à 10a2 + 2a2 = 12a2. La surface spécique du cube fractionné équivaut à 12a2/ρa3, soit 12/ρa. En fractionnant une troisième fois le cube initial, on obtient huit petits cubes semblables dont l’arête est égale à a/2. Nous pouvons aussi calculer la surface extérieure de ces huit cubes de la façon suivante :
granulat la portion d’un granulat retenue sur le tamis de 5 mm), et les granulats ns, dont la majorité des particules traverse un tamis de 5 mm. On appelle aussi granulat n la portion d’un granulat qui traverse le tamis de 5 mm. La granularité fait l’objet du chapitre 3.
1.4.2 La surface spécique La surface spécique d’un matériau correspond à la surface extérieure totale des particules contenues dans l’unité de masse. On l’exprime généralement en m 2/kg et, plus rarement, en surface par unité de volume, soit en m2/m3. De façon générale, plus un matériau est n, plus sa surface spécique est élevée, plus il faut de liquide pour le mouiller et plus il est réactif. On peut illustrer la notion de surface spécique en prenant, par exemple, un cube d’arête a qu’on fractionne. La surface extérieure initiale de ce cube d’arête a est composée de six faces, et chacune de ces faces a une surface égale à a2 . Le volume du cube correspond à a3 (voir la gure 1.10 a). Sa masse M est égale à ρ × a3, où ρ (lire « rho ») représente la masse volumique du matériau qui constitue le cube
arête de chacun des huit petits cubes surface d’une face d’un petit cube surface extérieure d’un petit cube surface extérieure des huit petits cubes
a/2 a/2 × a/2 = a2/4 6 × a2/4 8 × 6 × a2/4 = 12a2
Supposons ensuite qu’on veuille recommencer la même opération de fractionnement sur un des huit petits cubes. La dimension de départ de ce petit cube sera cette fois-ci égale à a/2. Dans ce dernier exemple, posons a1 = a/2. Comme dans l’exemple initial, on fractionne un cube dont l’arête est égale à a1. On peut dire, par analogie, qu’à la n des trois opérations de fractionnement, la surface extérieure des petits cubes, qui auront cette fois-ci une arête a1/2, sera égale à 12a12 . Comme cette nouvelle opération de fractionnement génère huit nouveaux petits cubes d’arêtes a1, on obtient 8 × 8 = 64 petits cubes d’arête a1/2 et dont la surface totale extérieure est de 8 × 12 × a12.
La nature et les propriétés des granulats
FIGURE 1.10 Augmentation de la surface extérieure par fractionnement a)
9
Puisque a1 est égal à a/2 après cette deuxième opération de fractionnement, nous avons maintenant 64 petits cubes avec une arête égale à a/4 et une surface totale extérieure égale à 8 × 12 × (a/2)2, soit 8 × 12 × a2/4 = 24a2. On peut recommencer les mêmes opérations de fractionnement avec, cette fois-ci, un cube d’arête a2 = a/4. Quand on aura fractionné la particule initiale d’arête a en petits cubes d’arête a/8, on aura 8 × 64 = 512 petits cubes dont la surface extérieure totale sera de 48a2. On peut donc établir le tableau 1.2.
b)
TABLEAU 1.2 Variation de la surface spécique en fonction de la dimension des cubes obtenus par fractionnement Arête
c)
Nombre de cubes
Surface extérieure totale
Surface spécique
a
1 = 20
6a 2
6a2
6/ρa
a/2
8 = 23
6 × 2a2
12a2
12/ρa
a/4
64 = 26
6 × 4a2
24a2
24/ρa
a/8
512 = 29
6 × 8a2
48 a2
48/ρa
Note : ρ est la masse volumique du matériau.
De manière générale, on pourrait démontrer que lorsqu’on fractionne la particule initiale en petits cubes dont l’arête est égale à a/n, la surface extérieure totale de la particule initiale est égale à 6 × n × a2 et sa surface spécique est égale à 6n/ρa. C’est ce qu’illustre la gure 1.11 (voir page suivante), où la surface extérieure des particules dépend de la dimension de l’arête des petits cubes semblables obtenus après fractionnement.
d)
En conclusion, on constate que plus on fractionne le cube initial en cubes plus petits, plus la surface extérieure des petits cubes générés augmente. Dans le cas d’un matériau granulaire, cela signie que plus les particules sont petites, plus leur surface spécique est grande. Par conséquent, la quantité d’ions exposés aux inuences extérieures augmente et le matériau devient plus réactif. C’est pourquoi les bétons de ciment portland et les enrobés bitumineux fabriqués avec des matériaux ns nécessitent plus de liant pour enrober les particules, ce qui fait augmenter leur coût. Quant aux couches de fondation et de sous-fondation, elles nécessiteront plus d’eau pour lubrier les particules lors du compactage. Plus la surface spécique est grande, plus un matériau est susceptible de retenir de l’eau dans ses vides intergranulaires, et plus ce matériau sera sujet au gel.
10
CHAPITRE 1
FIGURE 1.11 Variation de la surface extérieure d’un cube d’arête a selon son fractionnement en petits cubes semblables
La mesure de la surface spécique se fait toujours de façon indirecte en mesurant : • la perméabilité d’une certaine épaisseur de matériau avec l’appareil Blaine ; • l’adsorption d’azote ; • l’adsorption de bleu de méthylène ; • la turbidité ; • etc. Il faut toujours préciser l’appareil de mesure utilisé. La surface spécique d’un ciment (déterminée avec l’appareil Blaine) peut varier de 350 à 500 m 2/kg, et celle d’une argile (déterminée par adsorption d’azote) peut varier de 15 000 à 800 000 m 2/kg selon le type d’argile. Il est nécessaire de connaître la surface spécique des granulats qui constituent un enrobé pour établir l’épaisseur moyenne de la couche de bitume sur les particules. Dans ce cas, on l’évalue à partir de la granulométrie. Toutefois, d’autres facteurs, comme la forme des particules, inuent sur la valeur de la surface spécique.
1.4.3 La densité La densité d d’un matériau est égale au rapport entre la masse d’un certain volume de ce matériau et la masse du même volume d’eau. La densité d’un matériau dépend surtout de la nature du minéral ou des minéraux qui le constituent. Elle dépend aussi de l’état dans lequel le matériau se trouve. Si on mesure la densité lorsque les particules sont sèches, c’est-à-dire que tous les pores ouverts sur le milieu extérieur sont remplis d’air, il s’agit de densité sèche ou brute. Par contre, si tous les pores communiquant avec le milieu
extérieur sont remplis d’eau, il s’agit de la densité à l’état saturé superciellement sec ou densité SSS. Nous traiterons de cette caractéristique au chapitre 4.
1.4.4 La masse volumique La masse volumique ρ d’un matériau granulaire correspond à la masse de granulat contenue dans un volume égal à l’unité, soit 1 m3 dans le système SI. La masse volumique d’un matériau granulaire sert à relier son volume et sa masse. Cette donnée est importante, car les matériaux que l’on achète à la tonne doivent souvent occuper un volume précis après leur mise en place. La masse volumique d’un matériau granulaire dépend de facteurs tels que son degré de compaction et sa teneur en eau ; aussi faut-il toujours préciser ces deux caractéristiques lorsqu’il est question de la masse volumique d’un matériau granulaire. Très souvent, on utilise indifféremment les termes densité et masse volumique. Cependant, il est bon de rappeler qu’en génie civil, pour éviter toute confusion, on parle habituellement de densité lorsqu’il s’agit de particules, et de masse volumique lorsqu’il s’agit d’un granulat.
1.4.5 La teneur en eau Les matériaux granulaires naturels contiennent presque toujours de l’eau dans les espaces capillaires et entre les différentes particules du granulat. Il est très important de connaître la quantité d’eau ainsi emprisonnée quand on utilise des sables pour béton de ciment portland, par exemple. En effet, cette eau contenue dans le sable peut modier le rapport eau/ciment du béton, et par conséquent son affaissement, sa résistance en compression à 28 jours et sa durabilité.
La nature et les propriétés des granulats
On calcule la teneur en eau d’un granulat en mesurant la perte de masse au cours de son séchage à l’étuve et en divisant cette valeur par la masse sèche du granulat.
1.4.6 La durabilité
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ciment (Na2O et K2O). Dans la province de Québec, on connaît deux types de réactions de ce genre : les réactions alcalis-silice (grès de Potsdam de Beauharnois) et les réactions alcalis-carbonate (certains calcaires de Trenton).
La durabilité des particules d’un granulat se détermine en mesurant leur résistance aux intempéries, à des cycles de mouillage-séchage ou de gel-dégel. La durabilité des granulats se mesure en laboratoire par des essais accélérés qui tentent de simuler, avec plus ou moins de succès, des conditions climatiques rigoureuses.
Dans plusieurs régions du Québec, il faut aussi tenir compte de la réactivité des granulats aux sulfates. Voici quelques situations exigeant une grande prudence :
1.4.7 La résistance à l’abrasion
• l’utilisation de matériaux de remblayage renfermant de la pyrite ou de la pyrrhotite ;
On détermine la résistance à l’abrasion d’un granulat en mesurant sa résistance à l’usure par frottement. On recherche des granulats possédant une bonne résistance à l’abrasion quand on veut des revêtements routiers de béton de ciment portland ou d’enrobé bitumineux capables de résister à l’usure que peuvent causer les pneus munis ou non de crampons. On mesure la résistance à l’abrasion en déterminant la perte de masse au cours d’un essai d’usure (essai Los Angeles, essai micro-Deval).
1.4.8 La stabilité chimique Les matériaux utilisés en génie civil doivent être chimiquement stables dans des conditions normales d’utilisation. Cependant, il importe de tenir compte des conditions environnementales pour évaluer la stabilité chimique d’un matériau. Ainsi, des matériaux comme les calcaires, réputés autrefois pour leur très grande stabilité dans des conditions environnementales normales, sont beaucoup plus vulnérables en raison des pluies acides et de la pollution urbaine. Les principales réactions chimiques qui peuvent se produire sur des matériaux de génie civil sont des réactions d’oxydation, d’hydratation, de carbonatation, de dissolution, de sulfatation, de décomposition organique ou de fermentation ; elles sont aussi le fait de certaines bactéries (Thiobacillus ferroxidens). Lors de ces réactions, le granulat peut s’altérer au point d’entraîner l’affaiblissement, et parfois même, la ruine d’un ouvrage.
1.4.9 La réactivité Certains matériaux chimiquement stables dans un environnement donné peuvent devenir réactifs lorsqu’on les utilise dans un autre environnement. C’est le cas de certains granulats qui réagissent aux alcalis du
• la présence de sols ou de roches avoisinantes potentiellement riches en sulfure (pyrite, pyrrhotite) et susceptibles de s’oxyder pour former des sulfates ;
• l’utilisation de granulats pour béton contenant de la pyrite ou de la pyrrhotite, comme on l’explique en détail au chapitre 5.
1.4.10 Les matières délétères L’expression matières délétères désigne toutes les substances nuisibles qui peuvent se trouver dans un granulat naturel. En général, il s’agit de matières organiques, de mottes de particules argileuses ou de matières minérales en état de décomposition plus ou moins avancée. Même en faible quantité, ces matières délétères peuvent parfois rendre le granulat inutilisable. Il existe des techniques de bonication (lavage, séparation par liquide dense, etc.) pour éliminer ces matières délétères. En raison de la raréfaction des sources de bons granulats et de l’augmentation des coûts de transport, il ne serait pas étonnant que ce type de traitement soit de plus en plus utilisé à l’avenir pour exploiter des granulats locaux de qualité moyenne.
1.5
Les documents de référence
Avant d’utiliser un granulat tel quel ou comme composant d’autres matériaux, il faut s’assurer que sa qualité permet de le transporter à pied d’œuvre et de le mettre en place sans qu’il se dégrade. En effet, il doit pouvoir remplir la fonction pour laquelle il a été choisi longtemps après sa mise en place. Pour s’assurer de la qualité d’un granulat, on doit déterminer ses caractéristiques et s’assurer que celles-ci contribuent à le rendre performant. Voici quelques questions à se poser : • Quelles sont les propriétés à déterminer et comment arriver à les déterminer ?
12
CHAPITRE 1
TABLEAU 1.3 Quelques dénitions utiles Notion
Dénitions
Contrôle de la qualité
Réalisation d’essais sur des échantillons représentatifs des matériaux en vue de déterminer une ou plusieurs de leurs caractéristiques, puis comparaison des résultats de ces essais avec les exigences spéciées pour établir leur conformité.
Essais
Épreuves que l’on fait subir aux matériaux et aux ouvrages pour vérier s’ils sont conformes aux normes et aux exigences des plans et devis.
Exigences
Limites acceptables des propriétés spéciées. La méthode d’essai pour évaluer une propriété fait partie des exigences qui dénissent cette propriété.
Normes d’essai
Documents de référence servant à la réalisation des essais. Plus précisément, les normes d’essai dénissent les procédures d’essai normalisées sur lesquelles on s’appuie pour juger de la conformité des matériaux et des travaux.
Qualité
Selon la norme ISO 9000, la qualité désigne l’aptitude d’un ensemble de caractéristiques à satisfaire une exigence.
Spécications
Moyens (essais normalisés) et critères (propriétés, exigences) suivant lesquels on peut vérier la qualité et la conformité.
• Comment s’assurer que, d’un opérateur à un autre, les valeurs obtenues pour ces propriétés seront comparables ? • Comment savoir que les valeurs qui caractérisent un granulat donné ne sont pas en deçà des seuils de performance ? • Quels sont ces seuils ? Il existe un certain nombre de documents, à caractère normatif ou non, qui permettent de répondre à ces questions. En voici une liste, dont le contenu fera l’objet du chapitre 7. Il s’agit des outils (documents contractuels, normes, documents techniques) les plus souvent utilisés au Québec dans la pratique du génie civil (plus particulièrement, le génie routier). Ils permettent notamment de classer et d’évaluer la qualité des granulats, de dénir les exigences auxquelles ils doivent satisfaire pour être utilisés pour un usage donné et de réaliser les essais de laboratoire. • American Society for Testing and Materials (ASTM) • Béton : Constituants et exécution des travaux/Méthodes d’essai et pratiques normalisées pour le béton, Normes CSA A23.1/A23.2 • Cahier des charges et devis généraux du ministère des Transports (CCDG) • • • •
Document contractuel Normes d’essai Normes qualitatives (critères d’utilisation) Ouvrages routiers, Collection Normes, Tome VII – Matériaux, ministère des Transports du Québec
• Recueil des méthodes d’essai LC, Publications du Québec • Travaux de génie civil – Granulats, Bureau de normalisation du Québec, NQ-2560-114 • Travaux de génie civil – Granulats – Matériaux recyclés fabriqués à partir de résidus de béton, d’enrobés bitumineux et de briques, Bureau de normalisation du Québec, NQ-2560-600 Le tableau 1.3 présente quelques dénitions utiles, et le tableau 1.4, les acronymes des principaux organismes de normalisation auxquels renvoie directement le présent ouvrage. TABLEAU 1.4 Acronymes des principaux organismes de normalisation Acronyme
Organisme de normalisation
ACNOR (CSA)
Association canadienne de normalisation
ASTM
American Society for Testing and Materials
BNQ
Bureau de normalisation du Québec
CCN
Conseil canadien des normes
EN
Comité européen de normalisation (NF ; EN en France)
ISO
Organisation internationale de normalisation
LC
Laboratoire des chaussées du ministère des Transports du Québec
ONGC
Ofce des normes générales du Canada
La nature et les propriétés des granulats
RÉSUMÉ Les granulats sont des assemblages de particules solides de dimension, de forme et de nature diverses. Il en existe trois types principaux : les granulats naturels provenant des carrières, des gravières et des sablières ; les granulats recyclés ; les granulats articiels fabriqués spécialement pour des usages particuliers et provenant de matériaux recyclés. La dureté et la ténacité des particules sont des propriétés très importantes à considérer si l’on veut mieux comprendre les phénomènes d’usure et de fragmentation des particules. La sphéricité et l’angularité, qui sont des caractéristiques reliées à la forme, inuent sur de très nombreuses propriétés des particules. Elles sont toutefois très difciles à évaluer. Les granulats ont des propriétés particulières qui résultent de l’assemblage de leurs particules. Les différents cahiers des charges, qui xent les normes minimales d’utilisation des matériaux granulaires, dénissent les valeurs limites de la granulométrie, la surface spécique, la densité, la masse volumique, la teneur en eau, l’absorption, la durabilité et la résistance à l’usure. Certains granulats peuvent contenir des particules délétères ou nuisibles qu’il est important de déceler, car au-delà d’un certain seuil, elles peuvent nuire à la durabilité des ouvrages. Enn, lorsqu’on modie l’environnement dans lequel ils se trouvent, certains granulats peuvent devenir chimiquement instables et causer de graves problèmes de durabilité.
RÉFÉRENCES Ouvrages AÏTCIN, P.-C. Utilisation des résidus des mines d’amiante en construction routière, Colloque international sur l’utilisation des sous-produits et déchets dans le génie civil, Paris, 28-30 novembre 1978. AÏTCIN, P.-C., G. LEFEBVRE. Possibilités d’utilisation des rejets miniers et métallurgiques dans la construction de routes au Québec, ministère des Transports du Québec, juillet 1975. AÏTCIN, P.-C., C. LUPIEN. Évaluation des propriétés physiques et mécaniques des résidus des mines d’amiante en fonction du pourcentage de bres libres, ministère des Transports du Québec, mai 1980. LANDRY, B. et collab. (2012). Notions de géologie, 4e édition, Groupe Modulo, 650 p. ROBITAILLE, V., D. TREMBLAY. (2014). Mécanique des sols – Théorie et pratique, 2e édition, Groupe Modulo, 462 p.
QUESTIONS DE RÉVISION 1. Différenciez les termes granulat et particule. 2. Quelles sont les principales sources de granulats naturels ? Quels types de matériaux y exploite-t-on ? 3. Quels sont les principaux types de granulats articiels utilisés en génie civil ? 4. Qu’est-ce que l’absorption d’une particule ? 5. Pourquoi ne peut-on pas caractériser les particules par une seule dimension ? 6. Comment mesure-t-on, en général, la dimension des particules ? 7. L’adhérence d’un liant (la pâte de ciment, par exemple) à des particules de pierre concassée est meilleure que l’adhérence à des particules de gravier naturel. Vrai ou faux ?
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CHAPITRE 1
8. On classe habituellement les granulats en deux grandes catégories. Quelles sont ces catégories et quelles sont les dimensions qui les déterminent ? 9. Qu’est-ce que la surface spécique d’un granulat ou d’une poudre minérale ? 10. On dispose de deux échantillons de 1 kg chacun d’un sable dont les particules sont de dimension inférieure à 5 mm et d’un gravier dont la dimension des particules est de 5 à 10 mm. a) Dans quel cas la surface spécique du matériau est-elle la plus élevée ? Expliquez votre réponse. b) Pour une même quantité de ces matériaux, dans quel cas faut-il plus de liant (pâte de ciment pour le béton, par exemple) pour un enrobage équivalent des particules ? Expliquez votre réponse. 11. Pour un volume de 1 cm3, calculez la surface spécique d’une particule d’un matériau donné dans chacun des cas suivants : a) cubique et de 1 cm de côté ; b) plate, allongée et dont la dimension est de 100 cm × 1 cm × 0,01 cm ; c) sphérique ; d) cylindrique et de 1 cm de longueur. 12. On mesure la masse volumique d’un granulat et la densité d’une particule. Vrai ou faux ? 13. À partir des plans d’un ouvrage donné, on a déterminé le volume de matériau granulaire requis pour les fondations. Le devis du projet stipule que le matériau sera payé à la tonne. Quelle caractéristique du granulat permet de calculer le coût des granulats ? Expliquez votre réponse. 14. Pourquoi est-il important de : a) connaître la teneur en eau des granulats lorsqu’on fabrique du béton ? b) s’assurer de la stabilité chimique des granulats ? 15. Différenciez les termes spécications et exigences.
CHAPITRE
Les techniques d’échantillonnage
SOMMAIRE
2.1 L’importance de l’échantillonnage 2.2 L’échantillonnage conjoint 2.3 L’échantillonnage d’un sol 2.4 L’échantillonnage d’un matériau naturel 2.5 L’échantillonnage dans une installation de production en fonctionnement 2.6 L’échantillonnage d’une réserve de granulats 2.7
L’échantillonnage sur la chaussée
2.8 Le rapport d’échantillonnage 2.9 La réduction des échantillons
De nombreux travaux de génie civil requièrent de grandes quantités de granulats qui doivent répondre aux besoins spéciques des ouvrages de génie civil. Il faut donc s’assurer que ces matériaux possèdent les propriétés requises ou que ces propriétés varient à l’intérieur d’une fourchette de valeurs acceptables stipulées par les normes en vigueur. Mais comment s’assurer que les propriétés d’un granulat conviennent à une utilisation en particulier ? Comme il est impossible d’effectuer un contrôle systématique et continu de la qualité des granulats, on recourt habituellement à des techniques d’échantillonnage ables et normalisées qui permettent de recueillir une fraction représentative sur laquelle on effectue les divers essais d’acceptation. D’ailleurs, la abilité des résultats dépend de l’application rigoureuse de ces techniques d’échantillonnage éprouvées.
2
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2.1
CHAPITRE 2
L’importance de l’échantillonnage
Tous les ans, on utilise de grandes quantités de granulats dans les chantiers de construction de routes, de barrages, de fondations de bâtiments industriels ou commerciaux, d’usines et de bien d’autres ouvrages. On pourrait même dire qu’une des activités fondamentales du génie civil consiste à déplacer et à transformer sans cesse des montagnes de sable, de gravier ou de roc pour satisfaire les besoins de construction et de transport de notre société industrielle. Les granulats qu’on prévoit utiliser doivent posséder les caractéristiques correspondant à l’utilisation qu’on veut en faire. Il faut aussi s’assurer qu’une fois mis en place, ils rempliront adéquatement la fonction technologique à laquelle on les destine. Il est impossible de contrôler systématiquement les caractéristiques de la totalité des granulats parce que : • les quantités à contrôler sont énormes ; • les granulats utilisés en génie civil ont un coût unitaire très bas et un contrôle systématique se traduirait par une augmentation importante des coûts ; • la période estivale, propice à leur mise en place, est très courte et un contrôle systématique ne ferait que ralentir l’avancement des travaux. C’est pourquoi on a mis au point des techniques de contrôle de qualité simples, peu coûteuses et rapides pour s’assurer que les matériaux qu’on veut utiliser satisfont aux exigences du Cahier des charges et devis généraux. Ces méthodes de contrôle de qualité reposent sur des principes statistiques et font appel à des tables de hasard, des calculs de moyenne, d’écart type, de coefcient de variation, d’intervalle de conance, etc. Puisqu’il est impossible de contrôler la totalité des matériaux utilisés, on doit effectuer des contrôles méticuleux sur une fraction réduite du matériau choisi. De plus, cette fraction doit être représentative de l’ensemble du matériau aussi dèlement que possible. Lorsqu’on prélève une fraction de granulat aux ns d’analyse, on dit qu’on « échantillonne » le matériau ; la fraction représentative constitue l’échantillon global et l’opération qui consiste à sélectionner l’échantillon représente l’échantillonnage. On obtient l’échantillon global en effectuant plusieurs prélèvements de masses voisines dans les mêmes
conditions opératoires. Ces prélèvements font l’objet d’un partage duquel on tire l’échantillon global qu’on soumettra ensuite aux essais de laboratoire. Une fois qu’on a soigneusement sélectionné l’échantillon global, il faut veiller à le protéger de toute contamination possible, c’est-à-dire de tout mélange accidentel avec un granulat différent. Un échantillonnage réussi suppose que la fraction de matériau sélectionnée est en tout point semblable au granulat global, et qu’en extrapolant les résultats des essais effectués sur cet échantillon de taille réduite, on peut considérer que l’ensemble du matériau satisfait, ou non, aux exigences du Cahier des charges et devis généraux et des normes qualitatives en vigueur. Comme toute extrapolation, cette opération comporte un certain nombre de risques. En effet, si l’échantillonnage est décient, le producteur pourrait voir rejeté un granulat pourtant conforme et l’utilisateur pourrait accepter un granulat non conforme. Pour minimiser ce genre de risque, il faut s’assurer que l’échantillon soumis aux analyses représente bien l’ensemble du matériau. L’échantillonnage d’un granulat constitue la phase la plus critique de l’étude d’un matériau. On n’insistera donc jamais assez sur son importance. À quoi servirait de dépenser du temps et de l’argent à effectuer des essais longs et complexes si la fraction qu’on teste n’est pas vraiment représentative du matériau qu’on veut utiliser ? En outre, l’acceptation d’un granulat non conforme ou le rejet d’un granulat conforme peuvent avoir des conséquences nancières et légales considérables, tant pour le ministère des Transports ou autre donneur d’ouvrage et le laboratoire responsable du contrôle qualité que pour l’entrepreneur. S’il est en général relativement facile de codier, dans une norme, la façon de faire un essai pour réduire au minimum tout risque d’erreur humaine, il est beaucoup plus difcile de codier l’échantillonnage de granulats. Il existe certes des techniques d’échantillonnage pour contrôler la qualité de produits industriels tels que les automobiles, les réfrigérateurs et les téléviseurs, mais ces techniques s’appliquent difcilement au cas des granulats, car ils présentent un caractère hétérogène beaucoup plus marqué que ces produits industriels. Par exemple, pour contrôler une production de téléviseurs, il suft de prélever, en n de chaîne de production, un certain nombre d’unités selon une table de
Les techniques d’échantillonnage
hasard, de les soumettre à une batterie d’essais de contrôle et d’effectuer des calculs statistiques. Les granulats sont des produits naturels ou des produits industriels très simples. Il est donc difcile d’effectuer un contrôle de qualité sur eux, puisque les échantillons sont constitués d’un ensemble de composantes non reliées entre elles. De plus, des phénomènes de ségrégation, c’est-à-dire de séparation naturelle ou accidentelle de particules de différentes dimensions dans un granulat, ou encore une contamination par des particules étrangères peuvent affecter la composition globale des échantillons. Il faut donc se limiter à fournir des lignes directrices générales, dénir des méthodes d’échantillonnage en fonction du type de matériau envisagé, déterminer les instruments à utiliser lors de l’échantillonnage, xer des tailles d’échantillonnage, etc. Rappelons que l’œil, l’intelligence et le savoir-faire jouent aussi un grand rôle en matière d’échantillonnage de granulats. Plus un granulat est hétérogène, plus il est difcile à échantillonner. Il est donc relativement facile d’échantillonner une pile de granulat pour béton de ciment portland 20-14 mm, puisque toutes les particules de la pile ont des diamètres voisins ; ce qui élimine tout phénomène de ségrégation dans la pile et tout risque d’erreur grossière lors du prélèvement de l’échantillon. Par contre, l’échantillonnage d’un granulat routier 20-0 mm est beaucoup plus complexe en raison de l’importante variation du diamètre des particules, car elle augmente les risques d’hétérogénéité et de ségrégation dans la pile de granulat. Il en est de même pour l’échantillonnage d’un gravier, car celui-ci peut provenir d’un dépôt constitué d’une succession de couches alluvionnaires différentes, avec des granulométries distinctes, et renfermant des particules d’argile de 1 µm aussi bien que des galets de plusieurs centaines de millimètres de diamètre. Quand on fait l’échantillonnage d’un granulat, on poursuit généralement l’un des buts suivants : • vérier la conformité aux normes avant son utilisation ; • contrôler la qualité en cours de production de l’ouvrage ; • vérier la qualité de l’ouvrage nal. Le Cahier des charges et devis généraux (CCDG) recommande d’effectuer des prélèvements en vue du contrôle de qualité au minimum chaque fois qu’on met en réserve 5000 tonnes de matériau (ou 2500 m 3). On doit également effectuer deux prélèvements initiaux
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et le CCDG recommande au moins un prélèvement par jour si la production est inférieure à 5000 tonnes (ou 2500 m 3). Lorsque le matériau mis en place doit être contrôlé, le CCDG recommande d’effectuer le contrôle sur chaque lot. Cette façon de faire est décrite à la section 2.7. Il est très important de vérier les plans et devis puisque chaque projet peut faire l’objet de spécications spéciales et propres à l’ouvrage quant à la fréquence de prélèvement des matériaux. Le Guide de contrôle de la qualité des sols et des granulats présente des tableaux résumés complets concernant la fréquence des prélèvements et des essais à effectuer sur les matériaux selon l’utilisation que l’on en fait. Avant d’effectuer l’échantillonnage, on doit s’assurer que les matériaux ont été mis en réserve à des emplacements qui ont été bien identiés, nivelés, drainés et nettoyés de toute matière contaminante. Les paragraphes qui suivent portent sur les techniques d’échantillonnage dont le ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrication des transports du Québec recommande la mise en œuvre dans des situations précises, selon la provenance (dépôt meuble ou dépôt consolidé) et le type de granulat utilisé.
2.2
L’échantillonnage conjoint
Il est fréquent d’effectuer un échantillonnage conjoint pour s’assurer de la validité des échantillons et pour pouvoir réagir en cas de recours judiciaire. Pour ce faire, deux représentants d’entreprise, de laboratoire, de fabricant de béton ou d’enrobé bitumineux effectuent l’échantillonnage d’un matériau granulaire en présence d’une autre instance. On s’assure ainsi d’avoir la neutralité et la légitimité des résultats d’analyse sur les matériaux granulaires ainsi échantillonnés. De même, l’échantillon témoin est constitué de plusieurs prélèvements échantillonnés au même moment que l’échantillonnage principal par un représentant d’un laboratoire enregistré et indépendant. Ces échantillons sont scellés et conservés précieusement. Ils seront utilisés en cas de recours judiciaire. Ainsi, on pourra utiliser cet échantillon pour reprendre des essais jugés non conformes ou encore pour assurer que les défectuosités de l’ouvrage ne proviennent pas de la qualité des matériaux.
18
CHAPITRE 2
2.2.1 L’utilisation d’une table de hasard L’emplacement des prélèvements d’échantillons peut se faire en se ant sur le jugement du technicien responsable. Pour enlever toute subjectivité dans la procédure d’échantillonnage, il est conseillé d’utiliser une table de hasard et les plans et devis du projet indiqueront s’il est nécessaire de procéder ainsi. Par exemple, il peut être tentant de sélectionner un emplacement où aucun signe de ségrégation ou de contamination n’est présent même si la presque totalité du lot présente ces défauts. L’utilisation d’une table de hasard est simple : il suft de déterminer les dimensions du lot et le nombre d’échantillons à prélever sur celui-ci. On sélectionne ensuite autant de valeurs aléatoires qu’il y a d’échantillons à recueillir, et ce, selon l’axe des x et l’axe des y (ou encore selon la longueur et la largeur du lot). On multiplie ensuite la longueur et la largeur totales du lot par chaque nombre aléatoire. On obtient ainsi le positionnement de chaque prélèvement. Il existe plusieurs tables de hasard pour générer ces nombres aléatoires, notamment celle de l’Association canadienne de normalisation utilisée pour l’échantillonnage des matériaux granulaires (CSA A23.2-7B). Les devis ou les documents contractuels imposent quelquefois leur propre table de hasard et la plupart des calculatrices récentes (méthode acceptée selon la norme CSA A23.2 -7B) ont une fonction qui génère des nombres aléatoires. Il est donc de la responsabilité du technicien de noter la méthode d’échantillonnage utilisée et de soumettre sa table de hasard au responsable des travaux avant d’entreprendre l’échantillonnage.
2.3
L’échantillonnage d’un sol
L’échantillonnage d’un sol en place s’applique à des terrains naturels une fois déblayés de la couche supercielle de terre végétale, lors de la construction de fossés ou de la préparation de l’emprise d’une route. Si ce sol doit demeurer en place, on prélève les échantillons à la pelle en prenant soin d’enlever une épaisseur minimale de 300 mm de sol de surface. Dans le cas où le déblai a une grande profondeur, l’échantillonnage se fera par tranchée d’observation, à la tarière ou par sondage au moyen d’un tube de forage lorsque le dépôt est très profond. Dans le cas où la stratication du sol présente une grande hétérogénéité
et que le type de sol change rapidement, il est important de prélever chaque type de sol rencontré et de noter son positionnement.
2.4
L’échantillonnage d’un matériau naturel
2.4.1 Le banc d’emprunt exploité pour
la première fois Dans un banc d’emprunt exploité pour la première fois, l’échantillonnage peut s’effectuer de différentes façons (à la tarière, par excavation ou par forage) sur toute l’épaisseur qu’on prévoit exploiter an d’obtenir un échantillon le plus représentatif possible du granulat qu’on se propose d’utiliser. L’échantillon recueilli est alors constitué de l’ensemble des granulats prélevés. Toutefois, si on s’aperçoit que la stratigraphie du granulat est très hétérogène au moment de l’échantillonnage, il est préférable d’effectuer un échantillonnage séparé de chacune des couches du granulat et de noter soigneusement leur profondeur et leur épaisseur.
2.4.2 Le banc d’emprunt en cours d’exploitation Dans un banc d’emprunt en cours d’exploitation (voir la gure 2.1), on échantillonne la face d’exploitation avec la pelle d’une chargeuse en prélevant une couche d’épaisseur uniforme de bas en haut. S’il n’y a pas de chargeuse disponible, on effectue l’échantillonnage à FIGURE 2.1 Banc de sable
Les techniques d’échantillonnage
la tarière, légèrement en retrait de la face d’exploitation dans la partie n'ayant eu aucune ségrégation notable.
2.4.3 Le banc d’emprunt abandonné Dans un banc d’emprunt abandonné, on prélève l’échantillon à la tarière après avoir pris soin d’éliminer tous les matériaux accumulés sous l’effet de l’érosion. Il ne faut donc jamais prélever l’échantillon dans l’ancienne face d’exploitation en raison des phénomènes de ségrégation survenus au l du temps.
2.4.4 Le banc de gravier On échantillonne un banc de gravier à l’aide d’une rétrocaveuse en prélevant une tranche d’égale épaisseur sur toute la face d’exploitation an de s’assurer que l’échantillon est représentatif de l’ensemble du matériau.
2.4.5 Le roc Dans le cas d’un roc, le forage au diamant permet de récolter des échantillons intacts (appelés carottes) qui permettront de connaître la stratigraphie et les propriétés du matériau. On peut aussi prélever un peu partout différents blocs de pierre dans l’amoncellement des produits d’abattage accumulés au pied du front de taille. Il est cependant recommandé de recourir aux services d’un géologue pour effectuer l’échantillonnage.
2.5
L’échantillonnage dans une installation de production en fonctionnement
2.5.1 L’échantillonnage sur une bande
transporteuse L’échantillonnage sur bande transporteuse est peu pratiqué au Québec, car on doit arrêter l’installation de production chaque fois qu’on veut effectuer un tel prélèvement. On place alors un cadre spécial sur une bande transporteuse et l’on prélève tout le matériau qui se trouve à l’intérieur de ce cadre. Cette technique doit être reprise deux fois, aléatoirement, pour compléter l’échantillon. On procède de cette façon à moins que l’usine de production de granulats soit équipée d’un
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système d’échantillonnage plus complexe. Il est aussi possible de faire trois prélèvements à l’extrémité de la bande transporteuse, à condition que la production soit stable. Au Québec, on préfère habituellement effectuer l’échantillonnage à partir du chargement d’un camion ou d’une réserve de granulats, soit au cours de la mise en réserve, soit à la n de la mise en réserve, selon une des méthodes décrites dans les sections suivantes.
2.5.2 L’échantillonnage à partir
d’un chargement L’échantillonnage à partir d’un chargement (dans la benne de camions/wagons/barges, etc.) se fait sur un chargement qui vient d’être effectué à l’usine de concassage, à la carrière, à la sablière ou à la gravière. Si l’on ne dispose pas d'équipement mécanique, on creuse trois tranchées horizontales d’au moins 300 mm de profondeur et d’environ 300 mm de largeur. On prélève ensuite une fraction de granulat avec une pelle en plusieurs points équidistants et qui tiennent compte de la grosseur du chargement. On mélange le prélèvement des trois tranchées pour former un seul échantillon.
2.6
L’échantillonnage d’une réserve de granulats
2.6.1 La couche de granulats Après avoir sélectionné une pile de réserve, prélevé un échantillon et nivelé la couche de matériau, on procède à son échantillonnage, en trois points, à l’aide d’une chargeuse en prenant soin d’effectuer des prélèvements sur toute l’épaisseur de la couche (voir la gure 2.2, page suivante). Il ne faut surtout pas effectuer les prélèvements à la pelle sur la partie supérieure de la couche qui vient d’être nivelée parce que le granulat n’y est pas sufsamment homogène. On étend le matériau pour former une couche de 300 à 400 mm d’épaisseur (voir les gures 2.2 b, c et d, page suivante) à la surface de laquelle on recueille trois prélèvements (voir la gure 2.2 e, page suivante) qu’on prépare et qu’on assemble pour former un seul échantillon nal (voir les gures 2.2 f, g et h, page suivante).
20
CHAPITRE 2
FIGURE 2.2 Échantillonnage à l’aide d’une chargeuse
a) Prélèvement d’un échantillon
e) Prélèvement d’une des trois parties de l’échantillon à la pelle
b) Homogénéisation de l’échantillon
f) Scellement d’un sac pour le transport
c) Mise en couche
g) Identication du prélèvement
d) Régalage de la couche nale
h) Échantillon prêt à être expédié
Les techniques d’échantillonnage
2.6.2 La réserve L’échantillonnage sur le pourtour d’une réserve doit se faire à la chargeuse, en trois points distincts, comme dans le cas d’une seule couche. On prélève l’échantillon de la réserve avec une chargeuse qui pénètre sufsamment dans la réserve an de s’assurer de prélever une tranche d’égale épaisseur du bas vers le haut (voir la gure 2.2 a). Les matériaux ainsi recueillis sont étendus en une couche de 300 à 400 mm d’épaisseur où l’on prélève, comme précédemment, un échantillon à trois endroits différents.
2.7
L’échantillonnage sur la chaussée
Lors de travaux routiers, la compacité des matériaux granulaires est très importante pour assurer la durabilité des ouvrages et leur résistance aux charges des véhicules lourds, aux conditions climatiques et aux intempéries. Pour augmenter la compacité, on doit effectuer la compaction des couches de matériaux granulaires sans endommager les matériaux dont la granularité peut être altérée au cours de la manutention, de la mise en place et de la compaction. C’est pourquoi il est primordial de contrôler cette propriété après la mise en place sur le chantier. Pour ce faire, le ministère des Transports a mis au point une méthode d’échantillonnage par lot. Un lot est déterminé de façon contractuelle soit par une surface ou un tonnage prédéni. Le CCDG dénit un lot comme une surface de 7500 m2 par couche compactée. L’échantillonnage doit se faire en trois prélèvements dont la position est déterminée aléatoirement sur trois sections d’égale supercie de ce lot. On analyse la granularité pour chaque prélèvement et la moyenne des résultats constitue le critère d’acceptation ou de rejet. Quant au degré de compacité, que nous présenterons en détail au chapitre 6, il est déclaré acceptable seulement si tous les points de contrôle satisfont aux exigences de mise en œuvre prévues aux plans et devis.
2.8
Le rapport d’échantillonnage
Le rapport d’échantillonnage contient tous les renseignements qui permettent de déterminer la nature de
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l’échantillonnage et la provenance de l’échantillon. On doit y lire toutes les informations nécessaires aux analyses subséquentes : le nom de la personne responsable de l’échantillonnage, la date de l’échantillonnage, le lieu exact du ou des prélèvements (positionnement dans le lieu d’exploitation, chaînage, numéro du lot, etc.), la nature du matériau prélevé, le nombre de sacs et la masse totale de l’échantillon, les essais à effectuer sur cet échantillon, la date et l’heure de réception de l’échantillon, etc. La section « Remarques » peut servir à indiquer les conditions météo au moment du prélèvement, des spécications locales, diverses observations ou toute autre information pertinente au traitement de l’échantillon. Un croquis aide à situer facilement et rapidement le ou les lieux de prélèvement. À titre d’exemple, nous présentons, aux gures 2.3 et 2.4 (voir page suivante et p. 23), deux formulaires types à remplir au moment des essais d’échantillonnage de matériaux et lors de la production de granulats. Des formulaires complets sont disponibles dans le Guide de contrôle de la qualité des sols et des granulats. Il est primordial, avant de quitter le lieu de l’échantillonnage, d’avoir bien étiqueté et identié les sacs d'échantillonnage, et de s’assurer d’avoir sufsamment de matériaux pour effectuer tous les essais de caractérisation nécessaires à son analyse. De même, il faut s’assurer, lors des manipulations, du transport et de l’entreposage de l’échantillon, de prendre toutes les précautions nécessaires pour ne pas altérer les propriétés du matériau.
2.9
La réduction des échantillons
La réduction des échantillons recueillis se fait au laboratoire dans le but d’obtenir juste assez de matériau pour effectuer l’essai. En effet, si on effectuait l’essai sur une trop grande quantité de matériau, on ne pourrait obtenir le rendement désiré en raison des erreurs indésirables que pourrait occasionner cette masse trop importante. La réduction est donc une étape tout aussi cruciale que l’échantillonnage. Chaque norme d’essai contient une section qui donne les quantités minimales requises pour effectuer l’essai et assurer son bon fonctionnement.
22
CHAPITRE 2
FIGURE 2.3 Exemple de feuille de rapport d’échantillonnage
Les techniques d’échantillonnage
FIGURE 2.4 Exemple du croquis du lieu d’exploitation
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24
CHAPITRE 2
En laboratoire, un appareillage est prévu pour effectuer cette réduction des échantillons (voir la gure 2.5). Le séparateur mécanique permet de séparer l’échantillon FIGURE 2.5 Appareillage utilisé pour la réduction d’échantillons
recueilli en deux parties de masse égale (voir la gure 2.6). On répète cette séparation jusqu’à l’obtention de la masse minimale requise par la norme. La somme d’une ou plusieurs séparations donne la masse de la prise d’essai. Lorsque le matériau est humide, on remplace le séparateur mécanique par la méthode de quartage (voir la gure 2.7). Cette méthode permet, elle aussi, de réduire l’échantillon en deux parties de masse presque équivalente pour obtenir une masse de prise d’essai plus adaptée à l’essai. Sur une toile étalée sur le sol ou directement sur le plancher propre, on sépare l’échantillon à réduire en quatre et on conserve les deux quarts opposés. On refait ensuite cette opération jusqu’à ce que la masse obtenue corresponde à la masse requise. On trouvera les détails de cette procédure au Laboratoire 2, p. 197 à 199. FIGURE 2.7 Réduction de l’échantillon par quartage
FIGURE 2.6 Réduction d’un échantillon au moyen d’un séparateur mécanique a) Ensemble des trois prélèvements
b) Homogénéisation de l’échantillon
Les techniques d’échantillonnage
FIGURE 2.7 Réduction de l’échantillon par quartage (suite)
c) Réduction par quartage
d) Préparation de la prise d’essai
RÉSUMÉ Échantillonner un granulat consiste à sélectionner une fraction de masse réduite qui représente statistiquement et aussi dèlement que possible l’ensemble du matériau. L’échantillonnage constitue donc une phase critique de l’étude des granulats, car la validité des résultats des essais qu’on effectuera ultérieurement en laboratoire dépend de la représentativité de l’échantillon prélevé sur le terrain. On peut effectuer l’échantillonnage d’un matériau en vue de son acceptation avant ou durant son exploitation, pendant ou après sa mise en œuvre, ou encore en vue de l’acceptation nale de l’ouvrage. Les techniques d’échantillonnage utilisées dépendent de la nature du matériau, de son utilisation et de son mode d’exploitation. Cependant, dans tous les cas, il faut s’assurer que l’échantillon global retenu est représentatif du granulat qu’on se propose d’utiliser et que les manipulations ultérieures ne causeront pas de perte de matériaux ou d’apport de matériau extérieur susceptibles de modier la nature et la composition du granulat original. Tout échantillonnage doit faire l’objet d’un rapport où sont consignés tous les détails qui peuvent servir à déterminer avec précision les caractéristiques du matériau échantillonné, le lieu de l’échantillonnage, la méthode utilisée et le nom de la personne responsable de l’échantillonnage et autres renseignements utiles.
RÉFÉRENCES Ouvrages Cahier des charges et devis généraux – Infrastructures routières – Construction et réparation, ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrication des transports, Les Publications du Québec, 2017. Guide de contrôle de la qualité des sols et des granulats, ministère du Transport, de la Mobilité durable et de l’Électrication des transports, Les Publications du Québec, 2017.
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CHAPITRE 2
Normes CSA A23.2-1A, Échantillonnage des granulats pour usage dans le béton, Association canadienne de normalisation, 2014. CSA A23.2-7B, Échantillonnage aléatoire des matériaux de construction, Association canadienne de normalisation, 2014. Recueil des méthodes d’essai LC, Échantillonnage (LC 21-010), Procédure du laboratoire des chaussées, ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l'Électrication des transports, Les Publications du Québec, 2016. Recueil des méthodes d’essai LC, Réduction des échantillons pour essais en laboratoire (LC 21-015), Procédure du laboratoire des chaussées, ministère des Transports du Québec, 2016.
QUESTIONS DE RÉVISION 1. Qu’est-ce qu’un échantillon ? 2. Quelle différence y a-t-il entre un prélèvement et un échantillon global ? 3. Pourquoi l’échantillonnage représente-t-il une phase critique dans l’étude d’un granulat ? 4. Pourquoi est-il plus facile d’échantillonner un granulat pour béton de ciment portland 20-14 mm qu’un gravier naturel ? 5. Pourquoi échantillonne-t-on des granulats ? 6. Quelles précautions faut-il prendre une fois qu’on a prélevé un échantillon global ? 7. Pourquoi est-il difcile d’échantillonner un granulat en cours de production sur une bande transporteuse ? 8. De quelle façon doit-on échantillonner une couche dans une réserve de granulats ? 9. Comment doit-on réaliser l’échantillonnage d'un granulat sur une chaussée? 10. Quel type de renseignements doit contenir un rapport d’échantillonnage ?
CHAPITRE
La granularité
SOMMAIRE
3.1
L’analyse granulométrique
3.2 Les calculs et la présentation des résultats de l’analyse granulométrique 3.3 Des exemples de calculs 3.4 Les paramètres pour interpréter la granularité 3.5 La classication et la désignation des granulats 3.6 La classication et la désignation des matériaux recyclés
Une bonne partie des matériaux utilisés en génie civil sont des matériaux granulaires, c’està-dire des matériaux constitués d’une multitude de particules de dimensions différentes tels que les sables et les gros granulats pour béton, les emprunts granulaires routiers, les matériaux utilisés pour la construction des barrages en terre et en enrochement, les granulats pour enrobés bitumineux ou autres. Les propriétés techniques des matériaux granulaires dépendent de facteurs tels que la dimension, la forme, la nature chimique et la nature minéralogique des particules, mais aussi et surtout de la granularité, à savoir la proportion des différentes grosseurs des particules dans les matériaux granulaires. La détermination de la granularité s’effectue au moyen d’une analyse granulométrique dont on représente les résultats sous la forme d’une courbe granulométrique. Pour établir la granularité d’un matériau granulaire, il faut le fractionner en plusieurs classes de particules de dimension semblable. Il existe plusieurs méthodes d’analyse granulométrique selon la nature du matériau et de la fraction granulométrique que l’on souhaite analyser. En génie civil, l’analyse granulométrique s’effectue généralement par tamisage pour les particules plus grosses (gravier, sable), et par sédimentométrie pour les particules de dimension inférieure à 80 µm (silt, argile). Cette dernière technique, aussi appelée « essai à l’hydromètre », est utilisée surtout en mécanique des sols.
3
28
3.1
CHAPITRE 3
L’analyse granulométrique
L’analyse granulométrique par tamisage permet de déterminer les dimensions des particules d’un granulat à l’aide d’une série de tamis à mailles carrées. Étant donné qu’on ne peut pas compter les particules présentes dans chacune des fractions, on mesure la masse de celles qui ont passé au travers des mailles du tamis supérieur, mais qui sont retenues sur le tamis inférieur.
3.1.1 La série normalisée de tamis Les tamis utilisés en laboratoire sont constitués d’un fond en toile métallique montée sur des bâtis ronds (200 ou 300 mm de diamètre) ou rectangulaires (375 mm × 575 mm). Les ouvertures des mailles sont choisies dans les séries des nombres normaux (séries de Renard) ISO R-10, R-20 et R-401 présentées à la n du manuel (voir les tableaux A.2 et A.3, p. 272 et 273). Les dimensions d’ouvertures inférieures à 1 mm s’expriment en micromètres (µm), tandis que celles supérieures à 1 mm s’expriment en millimètres (mm). Au Québec, on procède à l’analyse granulométrique à l’aide de la série ISO R-20 dont les ouvertures normalisées sont les suivantes : • 80 ; 160 ; 315 et 630 µm ; • 1,25 ; 2,5 ; 5 ; 10 ; 14 ; 20 ; 28 ; 40 ; 56 ; 80 et 112 mm. On notera que jusqu’à 10 mm, l’ouverture de la maille d’un tamis est le double de celle du tamis précédent, et qu’à partir de 10 mm, on utilise une deuxième série de tamis (14, 28, 56, 112) où, là encore, l’ouverture de la maille d’un tamis est le double de celle du tamis précédent. Selon les besoins, il est possible d’ajouter des tamis d’autres dimensions. Par exemple, selon la norme NQ 2560-114, les spécications des fuseaux granulométriques pour les matériaux de fondation et de sous-fondation exigent l’utilisation d’un tamis de 31,5 mm plutôt qu’un tamis de 28 mm. Il faut alors inclure le tamis de 31,5 mm dans la série lors de l’essai.
3.1.2 L’échantillon On détermine la granulométrie d’un matériau donné à partir d’un échantillon représentatif de ce matériau, qu’il soit prélevé à la source ou sur le site des travaux. On n’insistera jamais assez sur cette représentativité de l’échantillon qui doit être soumis à l’essai de 1. ISO : Organisation internationale de normalisation.
tamisage, car les résultats d’un essai n’auront aucune valeur si l’échantillon n’est pas représentatif de l’ensemble du matériau à analyser. De plus, il ne sera pas possible d’utiliser ces résultats pour évaluer la qualité ou le comportement éventuel de ce matériau. L’échantillon prélevé sur le terrain est souvent trop volumineux pour effectuer un essai. Il faut alors réduire le volume de l’échantillon à une de ses fractions, qui constituera la prise d’essai, en tenant compte de la dimension nominale maximale des granulats. La technique de réduction utilisée pour constituer la prise d’essai doit faire en sorte que la prise est bien représentative de l’échantillon global. Pour ce faire, les méthodes d’essai normalisées donnent les masses minimales d’échantillons réduits nécessaires pour déterminer une caractéristique donnée. Dans le cas de l’analyse granulométrique, le volume de la prise d’essai doit être sufsant pour assurer la représentativité de l’échantillon sans toutefois surcharger les tamis, car cela nuirait à l’efcacité de l’opération de tamisage. En pratique, les quantités à garder au moment de la réduction par rapport aux masses minimales recommandées reposent sur le savoir-faire de l’expérimentateur.
3.1.3 Le principe général de l’essai de tamisage L’essai de tamisage s’effectue généralement sur un matériau sec, car l’eau favorise l’agglomération des particules nes. La présence de traces d’eau peut donc fausser les résultats. Il arrive cependant qu’on doive tamiser par lavage à l’eau avec un tamis de 80 µm. En effet, ce tamis très n se colmate facilement et comme ces particules nes ont une faible inertie, elles traversent les mailles du tamis assez difcilement. Il faut noter que lorsqu’un grand nombre de particules nes restent collées aux plus grosses, la prise d’essai doit être lavée avant le tamisage pour obtenir des résultats plus précis. Comme on peut le voir à la gure 3.1, la série de tamis appropriés pour l’essai est rangée de haut en bas en ordre décroissant d’ouverture des mailles, et le tout est placé au-dessus d’un plat destiné à recueillir les particules qui traversent le dernier tamis. La masse représentative de matériau granulaire (prise d’essai) est déposée sur le tamis supérieur. Un couvercle xé sur la partie supérieure des tamis permet d’éviter des pertes de particules.
La granularité
Après avoir agité le dispositif manuellement ou mécaniquement en contrôlant le temps et l’amplitude des mouvements lors du tamisage, on recueille la masse de matériau retenue entre les tamis. Une fois terminée l’opération, on retrouve entre deux tamis des particules qui ont pu passer au travers des mailles du tamis supérieur, mais qui n’ont pu passer au travers des mailles du tamis sur lequel elles se trouvent. Si toutes les particules étaient sphériques, on pourrait utiliser leur diamètre pour déterminer leur dimension, mais comme leur forme (cubique, en aiguille ou en paillette) inue sur la facilité avec laquelle elles traversent les mailles du tamis, on évite de décrire les quantités recueillies selon la dimension des particules. On emploie plutôt les termes refus (particules retenues sur un tamis) et tamisat ou « passant » (particules passées à travers un tamis). À l’aide d’une balance dont le degré de précision permet de mesurer la masse de la prise d’essai, on mesure dans l’ordre la masse des différentes fractions retenues sur chacun des tamis en partant du tamis aux mailles les plus grandes jusqu’au tamis inférieur (voir la gure 3.1). À la n de l’essai, la masse des particules perdues pendant la procédure (perte au tamisage) ne doit pas différer de plus de 0,3 % de la masse avant l’essai selon les normes CSA et LC. Si la perte est plus importante, on ne peut pas utiliser les résultats de l’essai pour déterminer la granularité du matériau et il faut reprendre l’essai.
Une valeur négative indique que les tamis ont été mal nettoyés avant l’essai. On tamise individuellement les particules dont la grosseur est supérieure à 80 mm an de vérier s’il est possible de les faire passer à travers une ouverture de tamis donnée en variant leur position sur le tamis. Celles qui passent sont considérées comme tamisat et celles qui ne passent pas constituent le refus.
3.1.4 Le principe de l’analyse granulométrique par lavage sur un tamis de 80 µm Nous avons déjà mentionné qu’il est difcile d’effectuer un bon tamisage à sec sur un tamis de 80 µm. C’est
FIGURE 3.1 Principe général de l’analyse granulométrique par tamisage
29
30
CHAPITRE 3
pourquoi il est préférable d’effectuer ce tamisage par lavage. Quand on soumet l’échantillon représentatif au lavage, le courant d’eau entraîne les particules susceptibles de traverser les mailles du tamis 80 μm spécialement conçu pour cette opération. On recueille le matériau retenu sur le tamis de 80 µm, on le fait sécher dans une étuve ventilée, puis on réalise l’essai selon la procédure indiquée précédemment (voir la gure 3.2).
FIGURE 3.2 Lavage sur le tamis de 80 µm
Note : Lorsqu’on effectue un lavage en vue de déterminer la propreté d’un matériau (présence plus ou moins importante de particules inférieures à 80 µm), on calcule sa propreté en soustrayant de la masse initiale de l’échantillon la masse sèche du matériau ainsi recueilli et on écrit ce résultat en pourcentage de la masse totale du matériau.
3.1.5 Le principe de l’analyse d’un mélange de gros granulats et de granulats ns Beaucoup de granulats naturels comportent à la fois des particules qui passent au travers des mailles d’un tamis de 80 µm et d’autres qui sont retenues sur des tamis de 40 mm ou de 80 mm. Par conséquent, il est impossible d’effectuer l’analyse granulométrique d’un échantillon représentatif d’un tel matériau en un seul essai. C’est le cas, par exemple, des graviers naturels. Le tamisage de ces matériaux commence toujours par la division de l’échantillon sur le tamis de 5 mm (voir la gure 3.3). On sépare ainsi le matériau en deux fractions : la fraction retenue sur le tamis de 5 mm (gros granulat ou fraction grossière), et la fraction qui passe au travers du tamis de 5 mm (granulat n ou fraction ne). Chaque fraction constitue un matériau distinct qu’on analyse séparément. On reconstitue ensuite la granulométrie du matériau de départ à partir des résultats obtenus avec chacune de ces fractions en fonction de leurs proportions respectives dans le matériau. En règle générale, il est facile de faire l’analyse granulométrique de la totalité de la fraction grossière, car on y trouve peu de particules1. Par contre, la masse de la fraction ne de l’échantillon représentatif est souvent beaucoup trop importante pour qu’on puisse la tamiser en une seule fois tout en respectant les normes de tamisage. Dans ce cas, on détermine la granulométrie d’une fraction représentative de la fraction ne de l’échantillon et on extrapole le résultat obtenu à l’ensemble de la fraction, comme l’indique l’étape 4 de la gure 3.3. 1. Lorsque l’on constitue les prises d’essai pour effectuer l’analyse granulométrique sur un mélange de gros granulats et de granulats ns, il faut prendre en considération que les masses minimales sont données en fonction des fractions. On doit donc estimer la masse totale de matériau qui permettra d’avoir la quantité minimale requise pour chaque fraction.
La granularité
FIGURE 3.3 Analyse granulométrique d’un mélange de gros granulats, de granulats ns dans un gravier naturel – mode opératoire
31
32
CHAPITRE 3
Nous verrons, à l’aide de l’exemple 3.3 (voir p. 40), comment reconstituer la granulométrie réelle d’un matériau donné.
3.1.6 L’analyse granulométrique d’un ller (méthode ASTM D546) Les llers utilisés pour les travaux routiers servent surtout aux revêtements en enrobés bitumineux. On commence par placer l’échantillon de ller parfaitement sec (50 g environ) sur un tamis de 80 µm que l’on secoue à la main. Lorsqu’il n’y a plus aucune particule qui traverse le tamis, on place le refus au tamis de 80 µm sur un tamis de 160 µm et l’on recommence l’opération jusqu’à ce que tout l’échantillon traverse un tamis de la série normalisée. Il est important de noter que ce tamisage se fait à sec, ce qui le différencie du tamisage par lavage sur le tamis de 80 µm. En pratique, pour économiser du temps, on détermine le pourcentage de ller à partir de la courbe granulométrique. On sous-estime donc ce pourcentage puisque les particules nes ont tendance à adhérer aux plus grosses.
3.2
Les calculs et la présentation des résultats de l’analyse granulométrique
Pour éviter d’utiliser la masse de l’échantillon soumis à l’essai de tamisage, on exprime les résultats en pourcentage de la masse totale de l’échantillon sec, plus spéciquement, en pourcentage des tamisats cumulés : • à l’unité près pour les tamis de dimension supérieure à 80 µm ; • à 0,1 % près pour le passant au tamis de 80 µm1. Le pourcentage des tamisats cumulés sur un tamis représente le pourcentage de toutes les particules de dimensions inférieures à l’ouverture des mailles de ce tamis.
3.2.1 Le calcul des résultats Pour formuler les résultats de l’essai de tamisage, on procède de la façon suivante :
• on commence par calculer la masse des refus cumulés sur chaque tamis (voir l’étape 1 de l’exemple 3.1, p. 36) en additionnant tous les refus sur les tamis plus gros que le tamis dont on calcule le refus, à moins que les pesées ne soient déjà cumulatives ; • on calcule ensuite le pourcentage des refus cumulés sur chacun des tamis (voir l’étape 2 de l’exemple 3.1, p. 36) en divisant chacune des masses cumulées précédentes par la masse totale de l’échantillon soumis à l’essai ; • on calcule enn le pourcentage des tamisats cumulés en tenant compte du complément à 100 des refus cumulés (voir l’étape 3 de l’exemple 3.1, p. 36). Ces calculs et les résultats de l’analyse granulométrique qui en découlent sont généralement présentés dans un tableau et, comme c’est souvent le cas en génie, au moyen d’un graphique, car ces formes de présentation favorisent l’analyse visuelle et facilitent l’interprétation des résultats.
3.2.2 La présentation des résultats dans un tableau Le contenu d’un tableau varie peu d’un laboratoire ou d’une institution à l’autre. On y retrouve généralement des informations sur : • le matériau soumis à l’essai (source, échantillonnage, nature et état, utilisation, etc.) ; • les méthodes d’essai appliquées (organismes de normalisation, numéro d’identication, date de publication ou de révision) ; • le numéro de la série de tamis. On inscrit dans les différentes colonnes du tableau la série des tamis, les masses des refus et les résultats des calculs. Pour résoudre les problèmes contenus dans ce manuel, on utilisera la feuille de résultats modèle présentée à la gure 3.4. En plus des informations de base, cette feuille comporte une colonne dans laquelle on peut indiquer les exigences qualitatives auxquelles le matériau analysé doit satisfaire. On a également ajouté une section pour le calcul des différents paramètres d’interprétation de la granularité.
1. D’une façon générale, dans ce manuel, l’arrondissement des nombres est basé sur les recommandations contenues dans la méthode d’essai LC 26-950, Nombres – Règles d’arrondissement.
La granularité
33
FIGURE 3.4 Formulaire de présentation des résultats de l’analyse granulométrique par tamisage
3.2.3 La présentation des résultats dans un graphique
• sur l’axe vertical (en ordonnée), on reporte les tamisats cumulés en pourcentage.
Pour tracer la courbe granulométrique, on reporte les résultats du tamisage dans un système de coordonnées cartésiennes : • sur l’axe horizontal (en abscisse), on porte les dimensions des ouvertures des mailles des tamis ;
Étant donné que les dimensions des particules peuvent varier beaucoup dans un matériau granulaire (tout comme elles varient dans un sol), on utilise une échelle logarithmique à 4 ou 5 séquences en abscisse, comme le montre la gure 3.5 (voir page suivante). En ordonnée, on utilise
34
CHAPITRE 3
FIGURE 3.5 Graphique modèle
habituellement une échelle linéaire graduée de 0 à 100 % avec des intervalles de 2 %. La combinaison des coordonnées linéaires et logarithmiques donne un diagramme semi-logarithmique. Pour tracer la courbe granulométrique, on joint les points qui représentent les résultats obtenus pour chacun des tamis par des segments de droite pour un matériau granulaire ou par une courbe pour un sol. Notez qu’une courbe granulométrique commence à la valeur 100 % et n’a pas de valeur 0 (zéro). Il existe plusieurs modes de représentation graphique des courbes granulométriques : • Dans le domaine des matériaux, on utilise une échelle croissante en abscisse pour les dimensions des mailles des tamis, soit une représentation semi-logarithmique croissante (voir la gure 3.6 a). • En mécanique des sols, on utilisait autrefois une échelle décroissante en abscisse pour une représentation semi-logarithmique décroissante (voir la gure 3.6 b). Ce type d’échelle n’est plus utilisé aujourd’hui, mais il n’est pas rare que des résultats d’essais granulométriques provenant des États-Unis présentent encore une échelle inversée. • Dans le domaine des enrobés bitumineux, la granularité des enrobés est représentée sous forme de puissance 0,45 pour optimiser la qualité des
revêtements. Il s’agit d’un graphique sur lequel on porte en abscisse les dimensions des mailles des tamis élevées à la puissance 0,45 (voir la gure 3.6 c). L’intérêt de ce graphique réside dans le fait qu’on y trace aussi une droite dite de « masse volumique maximale » qu’on peut comparer à la granularité de l’enrobé an d’en optimiser la performance. L’optimisation est basée sur le fait que sur ou à proximité de la droite de masse volumique maximale, les vides interparticulaires sont faibles (facteur favorable à des revêtements résistant à l’orniérage) et augmentent à mesure qu’on s’éloigne de part et d’autre de cette droite de référence (facteur de durabilité et de sécurité des revêtements selon le cas). L’enrobé dont les courbes granulométriques sont situées en dessous de la droite de masse volumique maximale présente une texture ouverte et on le qualie de « grenu », tandis que l’enrobé dont les courbes sont situées au-dessus de la droite est qualié de « fermé ». Une granulométrie fermée correspond à un granulat qui contient assez de particules nes pour remplir les vides interparticulaires lorsque le matériau est compacté, que le granulat soit grossier ou n. La granulométrie ouverte correspond à un matériau qui ne contient pas ou peu de particules nes et qu’on y
La granularité
FIGURE 3.6 Types de courbes granulométriques
a) Représentation semi-logarithmique croissante
b) Représentation semi-logarithmique décroissante
c) Représentation sous forme de puissance 0,45
35
36
CHAPITRE 3
trouve de grands espaces interparticulaires après le compactage. Note : La granularité d’un granulat peut résulter de la combinaison de plusieurs granulats dont les granularités individuelles doivent être conformes aux spécications dénies dans les normes applicables. EXEMPLE
3.3
Des exemples de calculs
À l’aide de différents exemples, nous allons voir ici comment effectuer les analyses granulométriques d’un sable (granulat n), d’un granulat n après lavage sur un tamis de 80 µm, d’un mélange de gros granulat et de granulat n ainsi que d’un ller.
3.1
L’analyse granulométrique d’un sable (granulat n) L’analyse granulométrique de 510,0 g de sable a donné les résultats reportés dans le tableau suivant : mm Tamis
10
Refus (g)
0
5
2,5
µm
1,25 630 315 160
80
Plat
21,7 55,3 101,5 106,2 102,9 95,8 18,2 8,0
La masse cumulée des refus sur le tamis de 1,25 mm est égale à 21,7 + 55,3 + 101,5 = 178,5 g, et ainsi de suite. Tous les résultats de ces calculs sont inscrits sur la feuille de résultats ( gure 3.8). 2 Le pourcentage des refus cumulés sur le tamis
de 1,25 mm est égal à Pour déterminer la granularité de ce sable, on doit : 1 Calculer la masse des refus cumulés sur un tamis.
et ainsi de suite.
2 Calculer le pourcentage des refus cumulés sur un tamis.
3 Le pourcentage des tamisats cumulés sur le tamis de 630 µm est égal à 100 % – 55,8 % = 44,2 %, soit 44 % et ainsi de suite.
3 Calculer le pourcentage des tamisats cumulés sur un tamis.
La courbe granulométrique de ce sable est présentée à la gure 3.7.
SOLUTION
1 Selon les données du tableau, la masse des refus cumulés sur le tamis de 2,5 mm est égale à 21,7 + 55,3 = 77,0 g. FIGURE 3.7 Courbe granulométrique d’un granulat n (exemple 3.1)
La granularité
FIGURE 3.8 Granulométrie d’un sable
37
38
CHAPITRE 3
EXEMPLE
3.2
L’analyse granulométrique d’un granulat n après lavage sur un tamis de 80 µm On a lavé 519,6 g de matériau sec sur un tamis de 80 µm. Après séchage à l’étuve du refus récupéré sur le tamis de 80 µm, il ne reste que 493,8 g. On a rempli la feuille de résultats (voir la gure 3.10), puis on a effectué une analyse granulométrique dont on a reporté les résultats dans le tableau suivant : mm Tamis
5
Refus (g) 26,4
µm
2,5
1,25
630
315
160
80
33,3
44,5
80,1 137,7 119,4 48,0
2 Calcul de la perte au tamisage
Il s’agit de comparer la masse des particules recueillies dans les tamis et la masse totale cumulative à la n.
Plat
masse avant essai = 493,8 g 3,0
1 Quelle est la granularité du matériau ?
masse après essai = 26,4 + 33,3 + 44,5 + 80,1 + 137,7 + 119,4 + 48,0 + 3,0 = 492,4 g
2 Quelle est la perte au tamisage ? SOLUTION
1 Calcul de la granularité Le calcul de la granularité se fait comme dans l’exemple 3.1 (voir p. 36), mais il faut se rappeler qu’on doit utiliser la masse avant lavage1.
Les résultats de l’essai sont acceptables (voir la gure 3.9).
FIGURE 3.9 Courbe granulométrique d’un granulat n après lavage (exemple 3.2)
1. Utiliser la masse après lavage éliminerait de l’échantillon les particules qui ont traversé le tamis de 80 µm lors de l’opération.
La granularité
FIGURE 3.10 Granulométrie d’un granulat n après lavage
39
40
CHAPITRE 3
EXEMPLE
3.3
L’analyse granulométrique d’un mélange de gros granulat et de granulat n Un laboratoire a reçu un échantillon de 10,200 kg de gravier naturel sec. En tamisant cet échantillon sur un tamis de 5 mm, on a recueilli 7,180 kg de matériau. On a procédé à l’analyse granulométrique des fractions grossière et ne de ce gravier et l’on a reporté les résultats obtenus dans les tableaux 3.1 et 3.2.
70,4 le pourcentage des tamisats cumulés au tamis de 5 mm, car le pourcentage des tamisats cumulés obtenu pour la fraction grossière est de 29,6 %.
TABLEAU 3.1 Fraction grossière
De la même façon, le pourcentage des tamisats cumulés sur le tamis de 14 mm est de
mm Tamis
40
28
20
14
10
5
Refus (g)
0
169
205
478
533
1635
Ainsi dans l’exemple qui nous intéresse, le pourcentage des tamisats cumulés au tamis de 10 mm est égal à :
Plat
7180
et ainsi de suite (voir la gure 3.11).
TABLEAU 3.2 Fraction ne mm
2 Granularité de la fraction ne
µm
Tamis
5
2,5
1,25
630
315
160
80
Refus (g)
0
77,1
121,4 101,6 91,9
68,6
17,4
Plat
3,3
La masse de la prise d’essai sèche avant lavage est de 502,6 g et la masse après lavage et séchage est de 481,5 g. On veut déterminer la granulométrie de ce gravier naturel et en tracer la courbe granulométrique. 1 On établit la granularité de la fraction grossière. 2 On établit la granularité de la fraction ne.
Pour déterminer la granulométrie de la fraction ne, on procède de la même façon que dans l’exemple 3.1 (voir p. 36). Pour établir le pourcentage réel de chacune des classes granulométriques de la fraction ne contenue dans l’échantillon représentatif de gravier original, il suft de multiplier chacun des pourcentages des tamisats cumulés obtenus avec l’échantillon de 502,6 g par 70,4 %, qui représente la part réelle du granulat n dans l’échantillon total. Ainsi, le pourcentage des tamisats retenus sur le tamis de 2,5 mm sera de
3 On trace la courbe granulométrique. SOLUTION
1 Granularité de la fraction grossière
La fraction grossière du gravier à analyser représente 3,020 kg, soit 29,6 % de la masse totale du gravier. La détermination de la granulométrie ne pose aucun problème particulier, puisque la procédure est la même que celle présentée dans l’exemple 3.1 (voir p. 36). Pour calculer le pourcentage des tamisats de l’échantillon représentatif du matériau, il faudra ajuster à
De même, le pourcentage des tamisats cumulés sur le tamis de 1,25 mm sera de
et ainsi de suite (voir la gure 3.11). 3 Représentation graphique
Nous avons vu dans les exemples précédents qu’il est facile de tracer les courbes granulométriques du
La granularité
FIGURE 3.11 Granulométrie d’un mélange de gros granulat et de granulat n
41
42
CHAPITRE 3
gros granulat, du granulat n et du granulat total en utilisant les données des deux dernières colonnes de la feuille de résultats. Il est très important de noter que la courbe granulométrique du granulat total est comprise entre la
courbe granulométrique du gros granulat et celle du granulat n. On peut, en effet, considérer le granulat total comme un mélange contenant 29,6 % de gros granulat et 70,4 % de granulat n (voir la gure 3.12).
FIGURE 3.12 Courbe granulométrique d’un mélange de gros granulat et de granulat n (exemple 3.3)
EXEMPLE
3.4
3.4
La granularité d’un ller On a soumis un échantillon de 54,2 g de ller sec à un essai d’analyse granulométrique conformément à la méthode ASTM D546. On a recueilli 49,7 g de particules qui traversaient un tamis de 80 µm. Les 4,5 g qui restent sur ce tamis ont traversé les mailles du tamis de 160 µm. On cherche la granularité de ce ller. SOLUTION
Le pourcentage de ller qui traverse le tamis de 160 µm est de 100. Le pourcentage de ller qui traverse le tamis de 80 µm est de
Ces valeurs sont inscrites dans le tableau suivant : µm Tamis
160
80
Tamisats (%)
100
92
Les paramètres pour interpréter la granularité
3.4.1 Les types granulométriques L’aspect (position et forme) de la courbe granulométrique permet de classer les matériaux en divers types granulométriques. Lorsqu’un matériau est constitué de particules de dimensions semblables, on dit que sa granulométrie est uniforme ou serrée. Sa courbe granulométrique est plutôt verticale ou très peu inclinée. Par contre, lorsque le matériau est composé de particules de dimensions très variées, on dit que sa granulométrie est étalée. Sa courbe granulométrique est très inclinée et recoupe des particules de dimensions très variées (voir la gure 3.13). Lorsqu’il manque des particules d’une certaine grosseur dans un matériau, on dit que celui-ci a une granulométrie discontinue. Cette discontinuité se traduit par un palier horizontal sur la courbe granulométrique (voir la gure 3.13). Par contre, lorsqu’un matériau comporte des particules de toutes les grosseurs, on parle de granulométrie continue (voir la gure 3.9, p. 38).
La granularité
43
FIGURE 3.13 Différents types de granulométrie
De moins en moins de producteurs de béton utilisent des granulats de granulométrie discontinue pour fabriquer du béton. Quand ils le font, c’est soit parce qu’ils n’arrivent pas à se procurer des granulats naturels de granulométrie continue qui soient économiques, soit parce qu’ils prétendent pouvoir obtenir ainsi des bétons plus compacts. Au chapitre 6, nous verrons l’interprétation des comportements des matériaux granulaires et de leurs propriétés physiques et hydrauliques selon les paramètres associés à leur courbe granulométrique.
TABLEAU 3.3 Classication des sols selon le ministère des Transports du Québec Type de sol Blocs (B)
On a toujours utilisé des mots particuliers pour décrire des matériaux granulaires de dimensions différentes. Ainsi, « gravier » évoque un matériau plus grossier que le « sable » qui, lui, évoque un matériau plus grossier que le « silt », lui-même plus grossier que l’« argile ». Pour dénir ces termes de façon plus précise, on fait appel aux résultats de l’analyse granulométrique. La norme 1101, Classication des sols, du ministère des Transports du Québec, propose pour les sols la classication dimensionnelle présentée au tableau 3.3 (les types de sols sont suivis de leur symbole conventionnel entre parenthèses). Notons que, dans la nature, il est très rare de trouver des matériaux avec des caractéristiques granulométriques aussi tranchées et ne recoupant pas plusieurs des seuils granulométriques précédemment dénis. Dès lors, il devient difcile de dénommer ces matériaux.
> 300 mm
Cailloux (Q)
300 – 80 mm
Gravier (G)
80 – 5 mm
Pierre (P)1
> 5 mm
Sable (S)
5 – 0,08 mm
Silt (M)
3.4.2 Les classes granulométriques
Dimension
Argile (C) Sols organiques (PT)
0,08 – 0,002 mm < 0,002 mm Variable
1. Dans le langage courant, le terme « pierre (P) » désigne les graviers, les cailloux et les blocs.
3.4.3 Les notions dérivées des résultats des analyses granulométriques La notion de diamètre effectif Le diamètre effectif correspond au diamètre pour lequel le pourcentage des tamisats cumulés est égal au chiffre placé en indice. Par exemple, le diamètre effectif D10 correspond au diamètre des particules pour lesquelles on a un pourcentage de tamisats cumulés égal à 10 %. En d’autres termes, 10 % des particules ont un diamètre inférieur au diamètre effectif D10, et 90 % des particules ont un diamètre supérieur à D10. Les diamètres effectifs servent à calculer divers paramètres
44
CHAPITRE 3
d’interprétation et à établir des exigences. En effet, les diamètres D10, D30 et D60 permettent de calculer les coefcients d’uniformité et de courbure, lesquels servent à décrire la forme des courbes granulométriques. Aussi, lorsqu’on veut utiliser un matériau comme ltre granulaire, les diamètres D15, D50 et D85 doivent satisfaire à des exigences précises an d’assurer une rétention des particules et une perméabilité adéquates.
révèle l’absence de certains diamètres ; on dit alors que la granulométrie est mal graduée.
Le coefcient d’uniformité Le coefcient d’uniformité Cu d’un matériau caractérise de façon quantitative et qualitative l’étalement d’une courbe granulométrique. Il est égal au rapport :
La notion de module de nesse Dans la pratique, on caractérise la granulométrie des sables pour béton à l’aide d’un facteur appelé « module de nesse ».
où D60 est le diamètre à 60 % de tamisats cumulés.
Pour calculer le module de nesse d’un sable pour béton, on additionne les pourcentages de refus cumulés sur les 6 tamis suivants : 5 mm ; 2,5 mm ; 1,25 mm ; 630 µm ; 315 µm ; 160 µm (attention, le tamis de 80 µm n’est pas inclus dans cette série) et on divise le total par 100.
D’après la valeur de leur coefcient d’uniformité, on peut classer les matériaux en cinq catégories : Cu ≤ 2 2 < Cu ≤ 5 5 < Cu ≤ 20 20 < Cu ≤ 200 200 < Cu
granulométrie très serrée granulométrie serrée granulométrie semi-étalée granulométrie étalée granulométrie très étalée
Par exemple, un sable uniforme a un coefcient d’uniformité variant de 1,2 à 2 ; un gravier argileux a un coefcient d’uniformité variant de 25 à 1000.
Le coefcient de courbure Le coefcient de courbure est égal au rapport suivant :
où D30 est le diamètre à 30 % de tamisats cumulés. Le coefcient de courbure quantie la distribution des particules dans une courbe granulométrique. Par exemple, un matériau comportant peu de particules nes présente un coefcient de courbure supérieur à 3, alors qu’un matériau dont la distribution granulométrique contient plus de particules nes que de particules grossières a un coefcient de courbure inférieur à 1. Les graviers et les sables propres ont en général un coefcient de courbure compris entre 1 et 3. Si, en plus du CC compris entre 1 et 3, le coefcient d’uniformité est supérieur à 4 pour le gravier et à 6 pour le sable, on dit que la granulométrie est bien graduée ou dense, et le matériau se prêtera bien au compactage. Toutefois, un coefcient de courbure dépassant 3 ou inférieur à 1
On utilise aussi la valeur du coefcient de courbure dans l’étude de la gélivité des sols. Note : Les coefcients Cu et Cc sont signicatifs lorsqu’un matériau contient moins de 10 % de particules qui traversent un tamis de 80 µm.
Un bon sable pour béton doit avoir un module de nesse compris entre 2,00 et 3,40. Dans l’industrie, on recherche de préférence des sables dont le module de nesse est compris entre 2,50 et 2,80. Plus le module de nesse est élevé, plus le granulat est grossier, ce qui peut occasionner des problèmes de nition du béton. EXEMPLE
3.5
L’analyse granulométrique d’un sol a donné les résultats reportés dans le tableau suivant : mm Tamis Tamisats cumulés (%)
µm
5
2,2
1,25
630
315
160
80
100
62
40
25
17
11
8,6
1 Quels sont les coefcients d’uniformité et de courbure de ce matériau granulaire ? 2 Comment qualier la forme de la courbe granulométrique de ce matériau ? SOLUTION
1 La courbe granulométrique illustrée à la gure 3.14 révèle que D60 = 2,4 mm D30 = 0,8 mm. D10 = 120 µm 20,0 ou 0,120 mm
Le coefcient de courbure est égal à
2 Le matériau est un sable propre à granulométrie semi-étalée et bien graduée.
La granularité
45
FIGURE 3.14 Détermination des diamètres effectifs D10, D30 et D60 permettant de calculer les coefcients d’uniformité et de courbure
EXEMPLE
3.6
L’analyse granulométrique d’un sable pour béton a donné les résultats inscrits au tableau suivant : mm Tamis
10
5
2,5
µm
1,25 630
315
160
80
Plat
Refus (g) 18,0 28,6 35,6 53,1 111,7 170,5 81,9 23,7 4,9
Quel est le module de nesse de ce sable ? SOLUTION
Comme on peut le voir dans la gure 3.15, la courbe granulométrique de ce sable est presque entièrement située dans le fuseau recommandé pour les sables pour béton. Il comporte cependant un peu trop de petits cailloux. On pourra corriger cet excédent lors du dosage de la pierre de 10-5 mm. Le module de nesse de ce sable pour béton est :
Le calcul complet du module de nesse de ce sable se trouve sur la feuille de résultats (voir la gure 3.16, page suivante). FIGURE 3.15 Courbe granulométrique d’un sable pour béton (exemple 3.6)
46
CHAPITRE 3
FIGURE 3.16 Granulométrie d’un sable pour béton
47
La granularité
TABLEAU 3.4 Résultats de l’exemple 3.6 Sable pour béton Tamis
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
Tamisat (avant correction)
97
91
84
74
53
21
5
0,9
100
92
81
58
23
5
1,1
0
8
19
42
77
95
–
80-100
50-90
25-65
10-35
2-10
Tamisat (corrigé) Refus cumulés (%) Fuseau BC 80 µm-5
100
95-100
Module de nesse
On exprime généralement le module de nesse au moyen de deux chiffres signicatifs après la virgule décimale, selon la norme CSA A23.1/A23.2.
La correction du module de nesse Pour s’assurer de la conformité d’un granulat, on peut corriger théoriquement son module de nesse et sa granulométrie. C’est souvent le cas des sables pour béton qui renferment un pourcentage de pierre. Reprenons le sable sur la feuille de résultats de l’exemple 3.6 (voir p. 45) : son module de nesse est de 2,71 (très acceptable), mais sa granulométrie sort du sommet du fuseau BC 80 µm-5. Effectuons une division au niveau du tamis de 5 mm, pour voir comment seront modiés sa granulométrie et son module de nesse, et comment s’insérera ce granulat dans le fuseau BC 80 µm-5. Ce sable contient 91 % de tamisat au tamis de 5 mm. En divisant chacun des tamisats inférieurs à 5 mm par 91/100, on obtient le pourcentage de tamisat corrigé à chaque niveau de tamis, ce qui donne :
2,41
On constate dans le tableau 3.4 que le granulat entre bien dans le fuseau BC 80 µm-5 et que son module de nesse est maintenant de 2,41 (encore très acceptable). On voit sur la courbe de granulométrie corrigée de la gure 3.15 (voir p. 45) que ce granulat entre bien à l’intérieur des limites xées.
La correction de l’excédent de pierre dans le sable Le producteur de béton ne tamisera pas le granulat pour corriger la présence de pierre, mais il en tiendra compte au moment de la pesée des matériaux. Par exemple, s’il faut 725 kg de sable SSS de calibre 80 µm-5 mm pour fabriquer un mètre cube de béton, on devra peser
du sable utilisé qui contient de la pierre pour être bien sûr d’avoir 725 kg de sable à l’intérieur du fuseau BC 80 µm-5. Toutefois, il ne faudra pas oublier de soustraire 797 – 725 = 72 kg de pierre 10-5 mm par mètre cube de béton de la masse de pierre calculée, car cette quantité de pierre est apportée par le sable.
3.4.4 Les fuseaux granulométriques
et ainsi de suite pour les autres tamis (voir le tableau 3.4). On calcule les refus cumulés en soustrayant chaque tamisat de 100. Le module de nesse corrigé est égal à la somme des refus (%) cumulés des tamis 5 ; 2,5 ; 1,25 ; 630 ; 315 et 160 divisée par 100.
Jusqu’à présent, nous avons toujours considéré qu’un matériau granulaire était caractérisé par une courbe granulométrique unique. Cependant, il est très rare qu’on puisse utiliser des matériaux dont la granulométrie est constante dans le temps. En effet, la plupart des matériaux granulaires naturels ou manufacturés ont des granulométries qui varient au l du temps. Il est donc plus approprié de parler d’ensemble de courbes granulométriques d’un matériau donné ou encore de fuseau granulométrique pour caractériser un matériau donné.
48
CHAPITRE 3
Le fuseau granulométrique d’un matériau comprend donc deux courbes granulométriques limites à l’intérieur desquelles la granulométrie du matériau peut varier et convenir quand même aux usages pour lesquels il est prévu.
sont comprises toutes les courbes granulométriques individuelles. On détermine la courbe granulométrique moyenne du matériau en faisant la moyenne des pourcentages des tamisats cumulés de plusieurs échantillons du même matériau sur chacun des tamis. Pour déterminer la courbe granulométrique médiane située au milieu du fuseau, on calcule la demi-somme des maximums et des minimums des pourcentages des tamisats cumulés sur chacun des tamis.
Pour tracer un fuseau granulométrique à partir des résultats de plusieurs analyses granulométriques, il suft de reporter sur un graphique les tamisats cumulés maximal et minimal de chacun des tamis. On dénit ainsi une zone graphique dans laquelle EXEMPLE
3.7
Le groupe de recherche sur l’amiante de l’Université de Sherbrooke a reçu huit échantillons de résidus qui traversent un tamis de 10 mm. Ces échantillons proviennent du dernier stade de broyage d’une usine d’amiante de Thetford Mines. On demande à ce laboratoire d’étudier la variabilité du résidu dans le temps.
1 Est-ce que tous les échantillons reçus font partie du même fuseau granulométrique ? 2 Quelles sont les limites inférieure et supérieure du fuseau granulométrique ? 3 Quelles sont les courbes granulométriques moyenne et médiane de ce résidu ?
Le tableau ci-dessous regroupe les résultats des huit analyses granulométriques. mm
µm
Tamis
5
2,5
1,25
630
315
160
80
Échantillon 1 (%)
98
85
64
42
23
10
3,0
Échantillon 2 (%)
97
72
48
32
19
9
4,0
Échantillon 3 (%)
100
99
98
96
84
50
20,0
Échantillon 4 (%)
95
74
55
38
24
12
5,0
Échantillon 5 (%)
96
75
54
37
25
14
9,0
Échantillon 6 (%)
96
83
60
39
21
10
5,0
Échantillon 7 (%)
94
69
45
27
15
7
3,0
Échantillon 8 (%)
95
62
30
15
10
5
2,0
SOLUTION
1 En comparant les valeurs des pourcentages des tamisats cumulés, on constate que la granulométrie de l’échantillon n° 3 diffère fortement de celle des sept autres échantillons. (Note : Après une enquête effectuée auprès de la compagnie qui a fourni les échantillons, on a pu conclure qu’il y a eu une erreur d’échantillonnage.) 2 Si on exclut l’échantillon n° 3, les valeurs reportées dans la première colonne du tableau de résultats
révèlent que la limite supérieure du pourcentage des tamisats cumulés sur le tamis de 5 mm est de 98 % (échantillon n° 1), alors que la limite inférieure est de 94 % (échantillon n° 7). On peut voir aussi que le pourcentage des tamisats cumulés sur le tamis de 2,5 mm est compris entre 85 % (échantillon n° 1) et 62 % (échantillon n° 8), et ainsi de suite. On obtient donc le tableau suivant :
mm Tamis Limites du fuseau
µm
5
2,5
1,25
630
315
160
80
94-98
62-85
30-64
15-42
10-25
5-14
2-9
La granularité
49
3 La courbe granulométrique moyenne s’obtient en calculant la moyenne des pourcentages des tamisats cumulés sur un tamis donné. Ainsi, sur le tamis de 1,25 mm, on a un pourcentage moyen égal à :
tamisats cumulés des deux courbes granulométriques limites. Ainsi sur le tamis de 1,25 mm, on a :
La courbe granulométrique médiane s’obtient en calculant la demi-somme des pourcentages des
À l’aide de ces résultats, on peut tracer le graphique de la gure 3.17.
Note : Plus ces valeurs sont proches l’une de l’autre, plus la variation de la granulométrie dans le fuseau est uniforme.
FIGURE 3.17 Granularité des résidus d’amiante (exemple 3.7)
À partir de la notion de fuseau granulométrique, on peut dénir les courbes et fuseaux de spécication, de régularité et de fabrication.
Le fuseau granulométrique de spécication Le fuseau de spécication délimite les variations permises de la courbe granulométrique d’un granulat en fonction de son utilisation. C’est le donneur d’ouvrage qui spécie ce fuseau. Par exemple, le fuseau BC 80 µm-5 tracé précédemment (voir la gure 3.15, p. 45) est le fuseau de spécication d’un granulat n pour béton. On peut tracer les fuseaux de spécication à partir des données qu’on trouve dans les devis des travaux ou dans les différentes normes qui dénissent les exigences propres aux divers types d’ouvrage. Pour répondre aux exigences granulométriques, la courbe
granulométrique moyenne d’une livraison de matériau doit se situer à l’intérieur du fuseau de spécication.
Le fuseau granulométrique de régularité Le fuseau granulométrique de régularité délimite les tolérances de dispersion maximales ou les étendues admissibles des passants par rapport à la courbe moyenne du matériau fabriqué. Lors du contrôle, 95 % des courbes obtenues doivent se situer à l’intérieur du fuseau de régularité. De plus, le fuseau de régularité doit se situer à l’intérieur du fuseau de spécication. Pour les granulats routiers, la norme 2101, Granulats du ministère des Transports du Québec spécie les étendues maximales pour chacune des classes granulaires. En outre, il faut au minimum dix analyses granulométriques pour déterminer le fuseau de régularité.
50
CHAPITRE 3
Le fuseau granulométrique de fabrication Le fuseau granulométrique de fabrication caractérise une production donnée. On l’obtient en ajoutant deux écarts types au tamisat moyen et en soustrayant deux écarts types du tamisat moyen pour chacun des tamis. Pour qu’un matériau soit conforme, ce fuseau doit se situer à l’intérieur du fuseau granulométrique de régularité. Il arrive même que ces deux fuseaux se confondent.
La gure 3.18, tirée de la norme 2101, Granulats, illustre bien ces diverses notions. On constate que le fuseau de spécication est le plus large et que les fuseaux de régularité et de fabrication le limitent, ce qui force le producteur à réduire la variabilité de ces produits. Les fuseaux de régularité et de fabrication constituent donc des fuseaux de contrôle.
FIGURE 3.18 Types de fuseaux granulométriques
Source : D’après gure 2101-1, Granulats, tome VII, ch.2, p. 2, MTQ, 2007.
3.5
La classication et la désignation des granulats
3.5.1 La désignation d’après la dimension des particules Selon la norme 2101, Granulats, les particules de dimensions comprises entre 5 mm et 125 mm constituent les gros granulats et celles dont les dimensions des particules se situent entre 0 et 5 mm constituent les granulats ns. Par exemple, le sable et la criblure de pierre sont des granulats ns. Une criblure est issue d’un concassage à l’issue duquel 100 % des particules sont fracturées. Les nes et le ller, qui inuencent grandement le comportement des enrobés bitumineux, sont aussi des granulats ns. Les nes constituent la partie des granulats contenant des particules dont la dimension est inférieure à 80 µm, et le ller constitue la partie des granulats contenant des particules dont la dimension est inférieure à 315 µm. 1. Tiré de Dosage et contrôle des mélanges de béton.
La terminologie utilisée pour décrire la dimension des granulats diffère d’un organisme à un autre. Il est donc préférable de toujours se référer au même organisme. La grosseur maximale d’un granulat correspond à la dimension de l’ouverture du plus petit tamis de la série normalisée à travers laquelle passe tout le granulat (Normes 2101, NQ2560-114, ASTM C125 et ACI 116). Par exemple, on utilise la grosseur maximale avec les enrobés bitumineux pour représenter leur courbe de masse volumique maximale qui, par dénition, relie dans un graphique sous forme de puissance 0,45 les coordonnées (0, 0) et leur grosseur maximale (100 %). La grosseur nominale maximale d’un granulat correspond à la dimension du plus petit tamis de la série normalisée au travers duquel la plupart des particules d’un granulat doivent passer. Selon les normes ASTM et ACI, la grosseur nominale maximale d’un granulat pour béton peut retenir de 5 % à 15 % du granulat1.
La granularité
Au ministère des Transports, la grosseur nominale maximale d’un granulat correspond à la dimension de l’ouverture du plus petit tamis de la série normalisée qui est supérieure à celle du premier tamis qui a un retenu plus de 10 %1 du granulat. Par exemple, dans les exigences présentées au chapitre 7, un granulat pour béton de type BC 5-20 et un combiné granulaire pour enrobé bitumineux de type GB-20 ont une grosseur maximale de 28 mm et une grosseur nominale maximale de 20 mm. On détermine les masses minimales des échantillons et des prises d’essai à partir de la grosseur nominale maximale du granulat. On utilise aussi la grosseur nominale maximale dans la classication des enrobés bitumineux. Par exemple, un enrobé de type EG-10 désigne un mélange dont la grosseur nominale maximale du granulat est de 10 mm.
3.5.2 La désignation des granulats d’après leur classe granulaire La classe granulaire désigne la dimension minimale (d) et la dimension maximale (D) d’un granulat où d et D correspondent à deux ouvertures de tamis à mailles carrées. L’intervalle d/D est d’ailleurs appelé « classe granulaire ». Dans la pratique, les opérations de criblage ont leurs limites, car elles ne peuvent pas produire un matériau entièrement inclus dans l’intervalle d/D2. On admet donc qu’il puisse y avoir un refus sur D et un passant sur d (particules déclassées). Toutefois, des exigences précises limitent les pourcentages de particules déclassées. Lorsque d ≥ 2,5 mm, il s’agit d’une classe granulaire d/D (par exemple, les classes 2,5/5, 10/20) et lorsque
51
d < 2,5 mm, il s’agit d’une classe granulaire 0/D (par exemple, les classes 0/5, 0/20). Au ministère des Transports du Québec, la notion de classe granulaire remplace celle de calibre dont les dénominations n’étaient pas assez précises, puisque le calibre pouvait désigner soit l’enveloppe de grosseurs du granulat (par exemple, un matériau de fondation de calibre 20-0), soit la grosseur nominale du granulat. (Par exemple, une pierre classée ou pierre nette de 20 mm avait un calibre de 20 mm si la très grande majorité des particules – environ 90 % – traversait le tamis de 20 mm et si toutes les particules traversaient le tamis de 28 mm.)
3.5.3 La désignation des granulats d’après leur utilisation On utilise divers termes pour désigner des matériaux granulaires selon leur utilisation : granulats pour fondation, sous-fondation, couche de roulement granulaire et accotement, pour coussin, enrobage, couche anti-contaminante et couche ltrante, pour béton de ciment portland, pour enrobé bitumineux ou pour abrasifs (voir la gure 3.19). En général, chacun de ces matériaux doit répondre à un ensemble d’exigences que l’on retrouve, par exemple, dans les normes du ministère des Transports. Le tableau 3.5 (voir page suivante), présente la désignation de ces différents matériaux.
3.5.4 La classication des matériaux Examinons la classication des matériaux selon leurs caractéristiques intrinsèques et leurs caractéristiques de fabrication.
FIGURE 3.19 Trois granulats particuliers
1. Tiré de Enrobés – Formulation selon la méthode LC. 2. Tiré de G. Tremblay, M. Bouchard et P. Flon. Notions de classes granulaires, exposé préparé pour la séance sur les granulats du congrès annuel de 1995 de l’Association des transports du Canada à Victoria, Colombie-Britannique, D71-D89.
52
CHAPITRE 3
TABLEAU 3.5 Désignation des différents granulats selon le ministère des Transports du Québec Granulats pour
Désignation
Fondation, sous-fondation, couche de roulement granulaire et accotement
MG X (par exemple, MG 20, MG 56)
Coussin, enrobage, couche anti-contaminante et couche ltrante
CG X (par exemple, CG 20, CG 56)
Abrasifs
AB X (par exemple, AB 5)
Béton de ciment
BC d-D (par exemple, BC 5-20, BC 80 µm-5)
Enrobés bitumineux à chaud
Classes granulaires d/D, 0/D
Les caractéristiques intrinsèques Les caractéristiques intrinsèques sont liées à la nature même du matériau ; elles ne peuvent donc pas être modiées. Elles désignent : • la résistance à l’usure évaluée au moyen des essais micro-Deval et de friabilité ; • la résistance à la fragmentation évaluée au moyen de l’essai Los Angeles. Les caractéristiques de fabrication Les caractéristiques de fabrication sont liées au processus de fabrication des granulats. On peut les modier en intervenant dans ce processus. Elles désignent : • la fragmentation ; • la forme (particules plates, particules allongées). La classication des gros granulats On classe les gros granulats en six catégories (de 1 à 6), selon leurs caractéristiques intrinsèques et en cinq catégories (de a à e) selon leurs caractéristiques de fabrication. On désigne le granulat par un chiffre suivi d’une lettre ; par exemple, on parle d’un gros granulat de catégorie 1a, 3c. La qualité du granulat diminue à mesure que le rang du chiffre ou de la lettre augmente. Ainsi, la moins bonne qualité est la catégorie 6e, mais cela ne signie pas qu’un matériau de cette catégorie ne convient pas pour certains usages. Par exemple, un matériau de catégorie 6e ne convient pas pour fabriquer du béton et des enrobés bitumineux, mais il peut être utilisé en sous-fondation routière.
La classication des granulats ns Les granulats ns sont classés en trois catégories (de 1 à 3) selon leurs caractéristiques intrinsèques de résistance à l’usure et leur friabilité. Pour appartenir à une catégorie, le granulat doit satisfaire à des exigences dénies dans la norme NQ
2560-114, aussi présentées au chapitre 7. Dans certains cas, le granulat doit montrer des caractéristiques complémentaires garantissant que les granulats répondent à des besoins particuliers.
3.6
La classication et la désignation des matériaux recyclés
Les matériaux recyclés qui proviennent des résidus d’enrobés bitumineux (EB), des résidus de béton, dont la brique de béton (BC), et des granulats naturels (GN) sont classés selon le pourcentage de la masse de chacun de ces constituants. Ils sont désignés par les lettres MR suivies d’un chiffre de 1 à 7 (MR-1 à MR-7), qui indiquent la plage de proportion possible de chacun des constituants. Par exemple, un matériau recyclé MR-4 contient plus de 30 % de résidus de béton, moins de 55 % de résidus de granulats naturels et entre 15 et 35 % de résidus d’enrobés. On peut ajouter à la désignation de base une correspondance avec un autre système de classication. Dans ce cas, la désignation complète du matériau recyclé se compose d’une première partie comportant les lettres et le chiffre suivie d’une deuxième partie qui indique la correspondance avec un autre système de classication. Par exemple, on peut parler d’un « matériau recyclé MR-4 correspondant à un granulat MG 20 ». Il sera question des granulats recyclés et de leurs utilisations au chapitre 10. Par ailleurs, les matériaux recyclés qui contiennent de la brique d’argile sont désignés par les lettres AB. Note : La masse des constituants est déterminée selon les exigences prescrites dans la méthode d’essai LC 21-901, Détermination de la composition d’un matériau recyclé contenant des résidus d’enrobés et de béton. Nous approfondirons ce sujet dans le laboratoire 23 (voir p. 269)
La granularité
RÉSUMÉ L’analyse granulométrique d’un matériau granulaire sert à déterminer les proportions des différentes dimensions des particules qui composent ce matériau. On effectue une analyse granulométrique en utilisant une série normalisée de tamis à mailles carrées. On reporte ensuite les résultats de l’analyse granulométrique sur un graphique semi-logarithmique sur lequel on trace la courbe granulométrique du matériau. Si le matériau ne comporte que des particules dont la dimension est à peu près égale, on dit qu’il a une granulométrie serrée ou uniforme ; par contre, s’il contient des particules de toutes les dimensions, on dit que sa granulométrie est étalée. S’il manque des particules d’une dimension donnée, on dit que le matériau a une granulométrie discontinue ; par contre, s’il renferme des particules de toutes les dimensions, on dit que le matériau a une granulométrie continue. À partir des résultats de l’analyse granulométrique, on peut calculer différents paramètres tels que le coefcient d’uniformité, le coefcient de courbure et le module de nesse an de caractériser la granulométrie du matériau à l’aide d’un seul nombre. Il est rare qu’on puisse dénir un matériau donné à partir d’une seule courbe granulométrique, car la granulométrie des matériaux naturels ou manufacturés varie presque toujours. Les limites à l’intérieur desquelles varie la granulométrie constituent ce que l’on appelle un « fuseau granulométrique ». On distingue les fuseaux de spécication (qui permettent de s’assurer de la conformité granulométrique d’un matériau pour un ouvrage donné) et les fuseaux de régularité et de fabrication (qui permettent de contrôler la production et limiter la variabilité des produits). À partir des résultats de l’analyse granulométrique, on peut caractériser un matériau selon ses proportions respectives de particules grossières (gravier), nes (sable), très nes (silt) et ultranes (argile). On peut aussi le classer et le désigner à partir de critères précis.
RÉFÉRENCES Ouvrages ASSOCIATION CANADIENNE DU CIMENT PORTLAND. Dosage et contrôle des mélanges de béton, 8e édition canadienne, 2011, 411 p. Earth Manual, 3e édition, U.S. Department of the Interior-Bureau of Reclamation, Denver, Colorado, 1998, 329 p. LANGLOIS, P. Enrobés – Formulation selon la méthode LC, ministère des Transports du Québec, Direction du laboratoire des chaussées, 2005, 111 p. LECLERC, A.-M., É. BRETON, C. ROBERT, G. TREMBLAY. Les nouvelles normes sur les matériaux granulaires, ministère des Transports du Québec, 1996, 55 p. TREMBLAY, G., M. BOUCHARD, P. FLON. Notions de classes granulaires, Exposé préparé pour la séance sur les granulats du congrès annuel de 1995 de l’Association des transports du Canada à Victoria, Colombie-Britannique, D71-D89. Normes ASTM C33, Standard Specication for Concrete Aggregates, American Society for Testing and Materials. ASTM D546, Sieve Analysis of Mineral Filler for Asphalt Paving Mixtures, American Society for Testing and Materials. BNQ 2002, Granulats – Matériaux recyclés fabriqués à partir de résidus de béton, d’enrobés bitumineux et de briques – Classication et caractéristiques, Bureau de normalisation du Québec, NQ 2560-600.
53
54
CHAPITRE 3
BNQ 2014, Travaux de génie civil – Granulats, Bureau de normalisation du Québec, NQ 2560-114. CSA A23.2-2A, Analyse granulométrique du granulat n et du gros granulat, Association canadienne de normalisation. CSA A23.2-5A, Détermination de la quantité de particules nes passant 80 µm dans le granulat, Association canadienne de normalisation. ISO 3310-1, Tamis de contrôle – Exigences techniques et vérications – Partie 1 : Tamis de contrôle en tissus métalliques, Organisation internationale de normalisation. Norme 1101, Classication des sols ; Norme 2101, Granulats, Ouvrages routiers, Collection Normes, Tome VII – Matériaux, ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrication des transports, Les Publications du Québec. Recueil des méthodes d’essai LC, Analyse granulométrique (LC 21-040), [2016], Procédure du laboratoire des chaussées, ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrication des transports, Les Publications du Québec. Recueil des méthodes d’essai LC, Nombres – Règles d’arrondissement (LC 26-950), Procédure du laboratoire des chaussées, [2016], ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrication des transports, Les Publications du Québec.
QUESTIONS DE RÉVISION 1. En quoi consiste une analyse granulométrique ? 2. Quelle est la forme des ouvertures des mailles des tamis de laboratoire ? 3. Les dimensions des mailles des tamis n’ont pas été choisies au hasard. Comment se comparent-elles dans la série normalisée de tamis ? 4. Quel tamis sert à différencier le gros granulat du granulat n ? 5. a) Qu’est-ce qu’un refus sur le tamis ? b) Qu’est-ce qu’un tamisat ou passant ? 6. Pourquoi ne doit-on pas utiliser l’expression « particules de 2,5 mm de diamètre » ? 7. Que signie l’expression « pourcentage des tamisats cumulés sur un tamis donné » ? 8. Pourquoi le matériau doit-il être parfaitement sec lors d’un essai de tamisage ? 9. Corrigez l’expression des résultats de l’analyse granulométrique suivants : mm Tamis Tamisats (%)
µm
5
2,5
1,25
630
315
160
80
100
85,4
60
40,1
21,95
8
4,08
10. Pourquoi ne fait-on jamais l’analyse granulométrique de toute la fraction de gravier qui traverse le tamis de 5 mm ? 11. La courbe granulométrique d’un gravier est entièrement comprise entre deux autres courbes. Lesquelles ? 12. Quelle différence y a-t-il entre : a) une granulométrie serrée et étalée ? b) une granulométrie continue et discontinue ? 13. Pourquoi a-t-on choisi une échelle logarithmique en abscisse plutôt qu’une échelle arithmétique sur les graphiques représentant des courbes granulométriques ?
La granularité
14. Qu’est-ce qu’un fuseau granulométrique ? 15. Différenciez les différents types de fuseaux granulométriques. 16. Citez trois paramètres qu’on peut utiliser pour caractériser une courbe granulométrique. 17. Comment dénit-on une classe granulaire ? 18. Différenciez les caractéristiques intrinsèques et les caractéristiques de fabrication des granulats. 19. Expliquez comment on établit la classication et la désignation des matériaux recyclés.
PROBLÈMES 1 On a effectué une analyse granulométrique d’un échantillon représentatif de 590,0 g d’un matériau et l’on a obtenu les résultats suivants : mm Tamis Refus (g)
µm
5
2,5
1,25
630
315
160
80
97,7
239,1
88,9
43,2
26,0
17,9
16,5
Plat 60,6
a) Selon les quantités retenues sur chaque tamis, la masse de la prise d’essai permettait-elle un tamisage efcace ? Sinon, comment aurait-on pu améliorer l’efcacité de la procédure ? b) Quelle est la granularité de ce matériau ? c) Tracez sa courbe granulométrique. 2 L’analyse granulométrique d’un sable pour béton réalisé sur un échantillon de 468,0 g a donné les résultats suivants : mm
µm Plat
Tamis
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
Refus (g)
0
20,7
38,3
92,2
98,8
104,0
87,3
24,0
2,7
a) Quelle est la granularité et le module de nesse de ce sable ? b) Tracez sa courbe granulométrique. 3 On a prélevé un échantillon de 615,3 g d’un granulat n en vue d’effectuer une analyse granulométrique. Après lavage sur un tamis de 80 µm et séchage de l’échantillon, il ne restait qu’une masse de 595,3 g sur laquelle on a effectué l’essai à l’aide d’un tamiseur mécanique. Le tableau suivant indique les résultats obtenus : mm
µm
Tamis
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
Refus (g)
0,0
18,4
30,6
122,6
153,2
140,1
98,0
29,0
a) Quelle est la granularité de ce granulat n ? b) Calculez la perte au tamisage. c) Tracez la courbe granulométrique du matériau. d) Calculez les coefcients d’uniformité et de courbure.
Plat 2,3
55
56
CHAPITRE 3
4 On a effectué l’analyse granulométrique d’une criblure de pierre qui sera utilisée pour fabriquer divers types d’enrobés bitumineux. Une criblure peut contenir un fort pourcentage de particules de dimension inférieure à 0,080 mm et ces dernières peuvent inuer de façon signicative sur le comportement de l’enrobé. Pour déterminer leur proportion avec le plus de précision possible, on a procédé au lavage d’un échantillon représentatif du matériau sur un tamis de 80 µm (0,080 mm) avant de le soumettre à un tamisage mécanique. Les résultats de l’essai sont donnés dans le tableau suivant : mm
µm
Tamis
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
Refus (g)
0,0
21,3
175,8
123,8
82,3
53,3
42,6
24,9
Plat 3,2
Masse avant lavage : 583,6 g Masse après lavage : 527,3 g
a) Quelle est la granularité de cette criblure ? b) Calculez la perte au tamisage. c) Tracez la courbe granulométrique du matériau. d) Que remarque-t-on par rapport au matériau analysé au problème n° 3 (voir page précédente) ? 5 Le tableau suivant présente les résultats de l’essai de l’analyse granulométrique réalisée sur un sable : mm Tamis Refus (g)
µm
5
2,5
1,25
630
315
160
80
0,5
1,1
3,7
17,1
44,7
30,1
5,8
Plat 0,4
Masse de la prise d’essai sèche avant lavage : 104,6 g Masse de la prise d’essai sèche après lavage : 103,4 g
a) Calculez la granularité du matériau. b) Calculez le module de nesse. c) Tracez la courbe granulométrique. d) Décrivez le sable selon la forme de sa courbe granulométrique. e) Justiez la masse de la prise d’essai. f) Ce sable pourrait-il constituer un bon sable pour béton ? 6 On a divisé un échantillon de 9,173 kg de gravier sur un tamis de 5 mm. La fraction retenue a été tamisée manuellement et on a prélevé 495,0 g de la fraction de dimension inférieure à 5 mm. On a obtenu les résultats suivants sur les fractions grossière et ne : Analyse granulométrique de la fraction grossière mm Tamis
28
20
14
10
5
Refus (g)
0
420
1267
771
1311
La granularité
Analyse granulométrique de la fraction ne mm
µm Plat
Tamis
5
2,5
1,25
630
315
160
80
Refus (g)
0
95,0
86,6
79,0
91,5
83,8
24,1
34,4
a) Quelles sont les granularités de la partie grossière et de la partie ne de ce gravier ? b) Quelle est la granularité de ce gravier ? c) Calculez le coefcient d’uniformité et le coefcient de courbure de ce gravier. d) Décrivez la granularité du gravier. 7 On a effectué l’analyse granulométrique d’une pierre concassée et on a obtenu les résultats suivants : mm Tamis
20
14
10
5
2,5
Refus (g)
0
592
2248
1962
104
Plat 0
a) Quelle est la granularité de cette pierre concassée ? b) Quel qualicatif utiliseriez-vous pour décrire la granulométrie de cette pierre concassée ? Justiez votre réponse. 8 L’analyse granulométrique d’un mélange de granulat n et de gros granulat utilisé par un producteur de béton a donné les résultats suivants : mm
µm
Tamis
28
20
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
Tamisats cumulés (%)
100
79
62
40
40
38
30
18
8
2
0,9
a) Tracez la courbe granulométrique du granulat utilisé pour fabriquer ce béton. b) Quel qualicatif utiliseriez-vous pour décrire la granulométrie de ce granulat ? 9 Un entrepreneur a utilisé un mélange de granulat n et de gros granulat comme matériau de fondation de routes. Les résultats de l’analyse granulométrique de ce mélange ont été reportés dans le tableau suivant : mm
µm
Tamis
28
20
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
Tamisats cumulés (%)
100
95
76
59
38
25
18
14
11
9
6,9
a) Tracez la courbe granulométrique de ce matériau de fondation. b) Quel qualicatif utiliseriez-vous pour en décrire la granulométrie ?
57
58
CHAPITRE 3
10 On a effectué l’analyse de 10 échantillons de criblure de pierre extraits d’une carrière montréalaise. Ces échantillons ont été prélevés au cours d’une période de 10 jours d’exploitation consécutifs. On a obtenu les résultats suivants :
µm
mm
Tamisats cumulés (%)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
5
93
95
77
83
93
83
95
86
85
93
2,5
69
65
47
43
58
50
61
50
52
62
1,25
46
40
34
28
34
32
35
32
34
40
630
31
27
28
21
22
22
22
22
23
28
315
20
18
24
16
16
15
15
17
17
20
160
14
13
13
13
11
12
10
13
11
15
80
10,1
10,2
10,3
9,4
6,2
9,5
6,3
10,1
9,7
10,2
a) Dans quel fuseau granulométrique se situe cette criblure de pierre ? b) Quelle est la granularité moyenne de cette criblure de pierre ? 11 Un producteur de béton a en réserve un sable ayant la granulométrie suivante : mm Tamis Tamisats cumulés (%)
µm
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
100
95
80
70
60
44
18
7
2,3
a) Quel est le module de nesse de ce sable ? b) Corrigez la granularité de ce sable an qu’elle soit conforme au fuseau 80 µm-5 et calculez à nouveau le module de nesse. c) Combien faudra-t-il peser de ce sable si, pour fabriquer 1 m3 de béton, il faut utiliser 710 kg de sable SSS de calibre 80 μm-5 ? d) Quelle masse de pierre 10-5 mm faudra-t-il soustraire de la masse de pierre prévue pour chaque mètre cube de béton ? e) Quelle masse de pierre 14-10 mm faudra-t-il soustraire de la masse de pierre prévue pour chaque mètre cube de béton ? 12 Un producteur d’enrobés bitumineux utilise le combiné suivant pour satisfaire aux exigences du mélange EB-20 du ministère des Transports. mm
µm
Tamis
28
20
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
Tamisats cumulés (%)
100
97
78
65
47
35
28
21
14
9
5,0
Après avoir été séché, le mélange est dirigé vers les trémies à chaud où il est divisé en trois fractions. Les granulats qui traversent le tamis de 6,3 mm sont recueillis dans la trémie à chaud n° 1 ; ceux qui traversent le tamis de 14 mm et qui sont retenus sur le tamis de 6,3 mm sont recueillis dans la trémie à chaud n° 2 ; enn, ceux qui sont retenus sur le tamis de 14 mm sont recueillis dans la trémie à chaud n° 3. a) Quelle est la grosseur maximale du granulat résultant de ce combiné ? b) Quelle est la grosseur nominale maximale du granulat résultant de ce combiné ? c) Quelle est la granularité des matériaux recueillis dans chacune des trémies à chaud ?
CHAPITRE
La masse, le volume et la teneur en eau SOMMAIRE
4.1
Les propriétés des granulats
4.2
La teneur en eau totale, l’absorption et l’humidité d’un granulat
4.3
La densité et l’absorption des granulats
4.4
La masse volumique et le volume des vides d’un granulat
Dans le domaine du génie civil, les quantités de matériaux se mesurent tantôt selon leur volume, comme dans le cas des remblais, des excavations ou du béton de ciment portland ; tantôt selon leur masse, comme dans le cas du dosage des quantités pour fabriquer les bétons de ciment portland ou les enrobés bitumineux, et pour le transport des matériaux d’emprunt. On doit donc pouvoir passer de la masse d’une certaine quantité de granulats à son volume correspondant et vice-versa. Pour ce faire, il faut établir des relations entre ces valeurs au moyen de la masse volumique ou de la densité des matériaux qu’il est possible de déterminer en appliquant le principe d’Archimède, selon lequel tout corps plongé dans un liquide reçoit une poussée égale au poids du liquide déplacé. Il est aussi important de pouvoir déterminer la quantité d’eau contenue dans les espaces intergranulaires quand on fabrique des bétons de ciment portland, car si cette eau n’est pas prise en compte dans le calcul de sa composition, la qualité et la durabilité du béton risquent d’être affectées sérieusement. Pour établir la composition d’un béton, on se base sur un état de référence des granulats : l’état dit « saturé superciellement sec » (SSS). Dans le cas des enrobés bitumineux, l’inuence des espaces intergranulaires est d’ordre économique et jouera un rôle important en ce qui a trait aux performances dans le temps des enrobés (durabilité). Le bitume non absorbé par les granulats, qu’on appelle « bitume effectif », ira se loger dans les vides intergranulaires, faisant ainsi varier la quantité de bitume incorporée et, de ce fait, le coût de production des enrobés. Il faut donc déterminer la quantité de bitume absorbé, car cette quantité permet de calculer d’autres paramètres comme la densité effective du granulat (Dge) et le pourcentage de bitume effectif (P be).
4
60
4.1
CHAPITRE 4
Les propriétés des granulats
Les granulats présentent plusieurs propriétés importantes à considérer au regard de leurs différentes utilisations.
4.1.1 La porosité des particules et des granulats Presque toutes les particules des granulats utilisés en génie civil ont une capacité variable d’absorber des liquides (eau ou bitume) dans leurs pores ouverts ou superciels (voir le chapitre 1). Dans le cas d’un granulat constitué d’un ensemble de particules, il faut ajouter, en plus de la porosité de chacune des particules, un autre type de porosité : la porosité intergranulaire. La porosité intergranulaire a des effets sur de très nombreuses propriétés du granulat telles que sa perméabilité, sa compacité, sa masse volumique, sa capillarité et sa capacité de retenir un liquide.
4.1.2 Les divers états des particules et des granulats selon leur teneur en eau Comme on l’a vu au chapitre 1, il existe trois états particuliers pour les particules selon leur teneur en eau : l’état sec, l’état saturé superciellement sec (SSS) et l’état humide (voir la gure 4.1) : • État sec : tous les pores ouverts sur le milieu extérieur ne contiennent pas d’eau. • État saturé superciellement sec (SSS) : tous les pores ouverts sur le milieu extérieur présentent un ménisque à la surface de la particule.
• État humide : où l’on retrouve l’état SSS avec en plus un lm d’eau autour de la particule. Dans le cas des granulats, on peut dénir les trois mêmes états de la façon suivante et leur ajouter un quatrième état : • Granulat sec : où, dans chacune des particules, tous les pores ouverts sur le milieu extérieur ne contiennent pas d’eau, et où il n’y a pas d’eau retenue dans les espaces intergranulaires. • Granulat saturé superciellement sec (SSS) : où, dans toutes les particules, tous les pores ouverts sur le milieu extérieur sont remplis d’eau, mais où il n’y a pas d’eau retenue dans les espaces intergranulaires. • Granulat humide : où, dans toutes les particules, tous les pores ouverts sur le milieu extérieur sont remplis d’eau, et où les espaces intergranulaires retiennent aussi une certaine quantité d’eau. • Granulat saturé : quatrième état où, dans toutes les particules, tous les pores ouverts sur le milieu extérieur sont remplis d’eau, et où les espaces intergranulaires sont entièrement remplis d’eau. Les quatre états d’un granulat sont représentés schématiquement dans la gure 4.2. Il existe un autre moyen pratique (particulièrement pour la résolution de problèmes) de schématiser l’état d’une particule ou d’un granulat, comme on peut le voir dans la gure 4.3. Sur cette gure, appelée « diagramme de phases », on indique le volume et la masse correspondante pour chacune des phases du matériau an de déduire diverses relations.
FIGURE 4.1 Divers états d’une particule selon sa teneur en eau
La masse, le volume et la teneur en eau
FIGURE 4.2 Divers états d’un granulat selon sa teneur en eau
61
FIGURE 4.3 Représentation schématique des différentes phases d’une particule ou d’un granulat
le granulat (eau absorbée et eau entre les particules), on a (2) À partir de la formule 2, on peut déduire les relations qui donnent la masse humide si l’on connaît la masse sèche et la teneur en eau totale, et la masse sèche si l’on connaît la masse humide et la teneur en eau totale : Masse humide :
(3)
Masse sèche :
(4)
La teneur en eau d’un granulat s’exprime en pourcentage, généralement avec une précision de 0,1 %.
4.1.4 L’absorption d’un granulat L’absorption d’un granulat, abs, se calcule de la façon suivante : (5)
4.1.3 La teneur en eau totale d’un granulat La teneur en eau totale d’un granulat, ωtot (lire « oméga »), se calcule de la façon suivante :
Si l’on appelle Msss la masse du granulat à l’état saturé superciellement sec (SSS), on a
(1)
(6)
Si Mh est la masse du granulat humide, Ms la masse du granulat sec, et Mw la masse d’eau contenue dans
Où Msss − Ms représente la masse d’eau absorbée à l’état SSS.
62
CHAPITRE 4
À partir de la formule 6, on peut déduire : • la masse saturée superciellement sèche : ; • la masse sèche :
(7) (8)
L’absorption correspond à une valeur très particulière de la teneur en eau d’un granulat. Lorsque tous ses pores intérieurs et superciels sont saturés, un granulat se trouve à l’état SSS. Comme pour la teneur en eau, on exprime généralement cette absorption avec une précision de 0,1 % (arrondi au dixième près, norme CSA).
Dans le cas d’un enrobé bitumineux, l’absorption de bitume par le granulat (qui est toujours plus faible que celle de l’eau) peut entraîner une hausse substantielle des coûts, sans pour autant améliorer les qualités technologiques du mélange.
4.1.5 L’humidité d’un granulat L’humidité, h, d’un granulat correspond à la différence entre sa teneur en eau totale et son absorption. Cette valeur représente donc le pourcentage d’eau intergranulaire, aussi appelée « eau libre » : (10) À partir des équations 2, 6 et 10, on peut écrire :
Note : Dans le cas des granulats utilisés pour fabriquer les enrobés bitumineux, la précision doit être de 0,01 % (norme LC). Il est très important de connaître l’absorption quand on veut utiliser un granulat dans un béton de ciment ou un enrobé bitumineux. En effet, dans le cas du béton de ciment portland, si le granulat est plus sec que l’état SSS lors de son utilisation, il absorbera une certaine quantité d’eau pendant le malaxage, ce qui se traduira par une perte d’affaissement (raidissement du béton). Par conséquent, cette perte peut occasionner des difcultés de mise en place si l’on n’en a pas tenu compte. Ce phénomène est très marqué avec les granulats légers dont l’absorption est supérieure à celle des granulats ordinaires. Si le granulat est mouillé, c’est-à-dire que sa teneur en eau totale est supérieure à l’absorption et qu’on omet d’en tenir compte, le béton contiendra trop d’eau et subira une perte de résistance. En combinant les équations 4 et 8, on obtient l’égalité suivante : (9)
Cette formule sert à corriger les quantités de granulats et d’eau lorsqu’on fabrique des bétons. En général, l’absorption d’un bon sable pour béton varie de 0,5 à 1,5 % et celle d’un gros granulat de bonne qualité varie de 0,3 à 1,0 %. Cependant, on trouve, au Québec, des granulats pour béton dont l’absorption dépasse ces ordres de grandeur. Dans certaines régions des ÉtatsUnis et dans des pays d’outre-mer privés de granulats de qualité, on doit parfois faire du béton avec de gros granulats dont l’absorption est supérieure à 5,0 %. Dans une telle situation, il y a lieu de faire une analyse spéciale.
(11) Note : Lorsqu’on détermine la composition d’un béton, on établit les quantités de granulat en se basant sur l’état SSS des granulats, une valeur de référence qui ne change pas. Lorsqu’on fabrique le béton, l’état réel des granulats est connu et les formules dénies dans les équations 8, 9, 10 et 11 permettent de calculer les quantités à peser an de pouvoir ensuite corriger la quantité d’eau. EXEMPLE
4.1
La composition d’un béton indique que dans un volume de 1 m3, on trouve une masse de 750 kg d’un sable dont l’absorption est de 0,6 % et une masse de 935 kg de pierre dont l’absorption est de 0,4 %. À la suite d’une période de pluie, les deux granulats qui sont entreposés dans des piles à l’extérieur ont respectivement des teneurs en eau de 5,2 % et 2,0 %. 1 Quelle quantité de chaque granulat doit-on peser pour obtenir les masses SSS requises et quelle quantité d’eau apporteront ces granulats humides lorsqu’on les pèsera ? 2 À la suite d’une période d’ensoleillement, on a noté que la quantité d’eau contenue dans les granulats a changé ; la pierre a une teneur en eau de 0,2 % et le sable, de 1,6 %. Calculez les nouvelles quantités à peser pour fabriquer 1 m3 de ce béton. SOLUTION
1 En utilisant la formule 9, on obtient :
Masse de sable humide :
La masse, le volume et la teneur en eau
Masse de pierre humide : Eau des granulats qui s’incorporera au béton : (784 – 750) + (950 – 935) = 49 kg 2 Dans la 2e situation, on obtient :
Masse de sable humide : Masse de pierre humide : Eau contenue dans les granulats qui sera alors incorporée au béton : (757 – 750) – (935 – 933) = 5 kg Une pierre, plus sèche qu’à l’état SSS, absorbe une quantité d’eau qu’il faut rajouter lorsque l’on pèsera les matériaux à employer pour fabriquer le béton. On peut aussi utiliser les formules 8, 10 et 11, développées ici pour calculer la masse humide du sable dans la situation 1. Humidité = 5,2 – 0,6 = 4,6 % Masse sèche = 750/1,006 = 745,5 kg Masse humide = 750 + 0,046 × 745,5 = 784 kg
4.1.6 La densité La densité d’un matériau est égale au rapport entre la masse d’un certain volume de matériau et celle du même volume d’eau. C’est donc un nombre qui n’a pas d’unité qu’on représente dans le système international par la lettre d. En d’autres termes, la densité indique combien de fois le matériau est plus dense que l’eau. On dénit plusieurs types de densité selon le conditionnement du matériau au moment où l’on détermine sa densité. Note : Certains auteurs (ou normes) utilisent l’expression « densité relative ». Comme la densité est toujours relative à un matériau de référence, par exemple l’eau pour les solides, il nous semble inutile d’ajouter au terme « densité » le qualicatif « relatif ». Dans le cas de poudres minérales très nes (ciment, cendre volante), où l’on peut supposer que les grains sont si petits qu’ils ne présentent aucune porosité interne, on parle de densité solide du matériau, ds. Il s’agit de la plus forte des densités qu’on peut mesurer sur un matériau puisque ses particules ne comportent aucune porosité fermée. Dans la province de Québec, la densité des sables et des graviers naturels est la plupart du temps comprise
63
entre 2,60 et 2,70, puisque les sables sont en général des produits détritiques issus de la décomposition de roches qui contiennent surtout des silicates, car le quartz, qui est une des formes cristallisées de la silice, a une densité de 2,65. Les pierres calcaires utilisées dans la fabrication des bétons de ciment et des enrobés bitumineux ont en général une densité comprise entre 2,68 et 2,80, car la calcite, une des formes cristallisées du carbonate de calcium, a une densité de 2,71. Quant aux roches et aux sables d’origine granitique, leur densité varie de 2,60 à 2,65. La densité des granulats s’exprime généralement au centième près (0,01, norme CSA). Dans le cas des matériaux granulaires qui serviront pour les mélanges d’enrobés bitumineux, la valeur de la caractéristique s’exprime avec une précision accrue, au millième près (0,001, norme LC).
4.1.7 La masse volumique La masse volumique d’un matériau représente la masse de l’unité de volume. On mesure la masse volumique d’un granulat en remplissant un récipient normalisé d’une capacité donnée. Dans le système SI, la masse volumique s’exprime généralement en kg/m3 à l’unité près. Elle est représentée dans les formules théoriques par la lettre grecque ρ (lire « rho »). On peut aussi utiliser t/m3, g/cm3 ou autres lorsqu’on exprime les masses volumiques au millième près. En raison de l’hétérogénéité des matériaux, certains laboratoires ou usines de fabrication de béton préfèrent arrondir la masse volumique à la dizaine près lorsqu’elle est exprimée en kg/m3. La masse volumique d’un granulat dépend de la densité des particules qui composent ce granulat et aussi de l’importance de l’espace intergranulaire, communément appelé « volume des vides». L’importance de cet espace intergranulaire découle de nombreux facteurs tels que la granulométrie du matériau, la forme des grains individuels, l’état de compaction du matériau et la teneur en eau. Lorsqu’on donne la valeur de la masse volumique d’un matériau, il est donc très important de bien préciser les conditions dans lesquelles cette mesure a été faite. À partir de la gure 4.3 (voir p. 61), on peut établir : 1. La masse volumique totale ou masse volumique humide, désignée par : ρ, ρt, ρh. ρ, ρt, ρh = M/V ou Mt/Vt ou Mh /V (12) 2. La masse volumique du granulat sec, désignée par : ρd (« d » pour dry). ρd = Ms/V
(13)
64
CHAPITRE 4
La masse volumique du matériau sec sert, entre autres : • à estimer les quantités de matériau requis pour un ouvrage ; • à calculer le degré de compactage. (14)
3. La masse volumique du granulat à l’état SSS, désignée par ρsss ρsss = Msss/Vsss = Msss/V
4. La masse volumique des solides, ρs. (16)
Si d est la densité d’un matériau homogène, on a la relation suivante entre sa masse volumique et sa densité : ρ = d × 1000
(20) et
(15)
La masse volumique du matériau à l’état SSS sert lors du calcul des quantités de matériaux utilisés pour fabriquer des bétons. ρs = Ms/Vs
le volume des solides avec le volume intergranulaire, contrairement à la porosité, où on compare le volume des vides avec le volume total du matériau. On ne tient donc pas compte du volume ni de la masse d’eau lors de la détermination de l’indice des vides. On peut facilement établir les relations qui lient les valeurs de e et n (voir le problème n° 3, p. 72).
(17)
puisque 1 m 3 d’eau a une masse de 1000 kg.
4.1.8 L’indice des vides et la porosité Pour caractériser le degré de compacité d’un matériau granulaire, on utilise la notion d’indice des vides. L’indice des vides d’un matériau granulaire est égal au rapport entre le volume des vides (espace intergranulaire) et le volume solide du matériau. On le représente généralement par la lettre e : (18) L’indice des vides est donc un nombre qui n’a pas d’unité et qui s’exprime au centième près. Certains auteurs préfèrent utiliser la notion de porosité, n, qui se dénit comme suit : (19) La porosité d’un granulat s’exprime en pourcentage à l’unité près. Puisque le volume des vides ne peut dépasser le volume extérieur du matériau, la porosité varie de 0 à 100 %. La différence entre ces deux propriétés réside dans le fait que lorsqu’on évalue l’indice des vides, on compare
(21) Le compactage d’un granulat diminue le volume des espaces intergranulaires et, par le fait même, il diminue l’indice des vides et la porosité. La masse volumique augmente lorsque l’on compacte un matériau. Nous verrons aussi, à la section 6.2, que la teneur en eau joue un rôle très important dans la compaction d’un sol ou d’un matériau granulaire. Par ailleurs, pour établir le coût du transport d’un granulat, on doit tenir compte de l’indice des vides dans le dépôt, de l’indice des vides du matériau dans le véhicule de transport et de l’indice des vides dans l’ouvrage après sa mise en place. Le terme « foisonnement » est utilisé pour dénir l’augmentation du volume de la même quantité de granulat due à la variation de l’indice des vides.
4.2
La teneur en eau totale, l’absorption et l’humidité d’un granulat
Voyons maintenant comment déterminer expérimentalement la teneur en eau totale d’un granulat, son absorption et son humidité.
4.2.1 La teneur en eau totale Pour déterminer la teneur en eau totale d’un matériau, on pèse un échantillon dans l’état où il se trouve et on le fait sécher dans une étuve ventilée maintenue à 110 ± 5 °C (ou dans un four à micro-ondes pour une procédure plus rapide) jusqu’à ce qu’il atteigne une masse constante appelée « masse sèche du matériau ». La différence entre la masse de départ et la masse nale donne la masse d’eau que contenait le granulat. On divise ensuite cette valeur par sa masse sèche et on multiplie le résultat par 100 pour obtenir la teneur en eau totale du matériau exprimée avec une précision de 0,1 % (arrondie au dixième près).
La masse, le volume et la teneur en eau
EXEMPLE
65
4.2
On a effectué un essai de teneur en eau sur un sable pour béton dont les résultats sont présentés dans la gure 4.4.
ensuite la masse sèche du matériau (Ms) en soustrayant la masse du récipient à la masse sèche + récipient. La teneur en eau totale est égale à :
SOLUTION
On trouve la masse d’eau (Mw) en soustrayant les masses humide et sèche du matériau. On obtient
ωtot
.
FIGURE 4.4 Détermination de la teneur en eau totale
4.2.2 L’absorption du granulat n Dans le cas d’un granulat n, on détermine l’état SSS de la façon suivante : après avoir séché l’échantillon de sable et l’avoir immergé pendant 24 heures dans l’eau, on le laisse décanter puis on l’étend sur une surface plane non absorbante. On fait ensuite passer un courant d’air chaud sur l’échantillon (au moyen d’un sèche-cheveux, par exemple) de façon à obtenir un séchage uniforme. Pour savoir si le granulat a atteint l’état SSS, on remplit de sable un moule métallique en forme de tronc de cône, puis on le démoule. S’il conserve sa forme de tronc de cône, sa teneur en eau est supérieure à son état SSS, puisqu’il a été compacté ; si le cône démoulé s’affaisse, c’est que la teneur en eau du sable a été abaissée au-dessous de la valeur correspondant à son absorption (voir la gure 4.5, page suivante).Si le sable s’affaisse très légèrement après le démoulage du cône, il est à l’état SSS. On détermine la teneur en eau du granulat après son séchage à l’étuve ; cette valeur correspond à son degré d’absorption. En général, on reporte le résultat sur la feuille des résultats utilisée pour déterminer la densité du granulat n (voir p. 69). Selon les méthodes décrites dans le Recueil des méthodes d’essais LC du ministère des Transports du
Québec, l’essai au cône s’applique au granulat n naturel, au granulat n concassé de classe granulaire 0/D, où D ≤ 2,5 mm, ou à la fraction du granulat n concassé qui traverse un tamis de 2,5 mm. Il importe de noter que l’essai au cône ne convient pas pour des particules concassées de 2,5 mm et plus, car l’inuence combinée de la forme et de la texture entrave le mouvement des particules, ce qui rend cet essai non représentatif. C’est pourquoi la détermination de la teneur en eau d’un échantillon à l’état SSS d’un granulat n de classe granulaire d/D, où d ≥ 2,5 mm et D ≤ 5 mm, ou pour la fraction 2,5/5 mm d’un granulat n concassé de classe granulaire 0/D, doit se faire en appliquant la même procédure que pour le gros granulat.
4.3
La densité et l’absorption des granulats
Voyons maintenant comment déterminer la densité et l’absorption du gros granulat et du granulat n.
4.3.1 Le cas du gros granulat Le principe d’Archimède a servi à déterminer la densité du gros granulat (voir la gure 4.6, page suivante).
66
CHAPITRE 4
FIGURE 4.5 Aspect du cône de sable selon la teneur en eau du sable lors de la détermination de l’état SSS
FIGURE 4.6 Principe de la mesure de la densité du gros granulat
110 °C ± 5 °C pour déterminer sa masse sèche, Ms. La différence, Msss – MIw, représente la masse du volume d’eau déplacé. La densité brute, aussi appelée « densité sèche » ou « densité des solides » est alors égale à Pour ce faire, on pèse le matériau dans l’air, dans l’eau et à l’état SSS. La masse apparente du granulat dans l’eau équivaut à la masse du granulat dans l’air moins la poussée d’Archimède, qui est égale à la masse du volume d’eau déplacé par le granulat. La mesure du volume du granulat correspond donc à la mesure d’une masse. On commence par immerger le gros granulat pendant 24 heures dans de l’eau conservée à la température de la pièce. On assèche superciellement les grains en les roulant dans un linge humide (essoré) de façon à déterminer leur masse SSS, Msss. On pèse ensuite la prise d’essai dans l’eau à 23 °C ± 1,7 °C, MIw, puis on la place pendant 24 heures dans une étuve ventilée à
,
(22)
tandis que la densité SSS est égale à (23) et que l’absorption du granulat est égale à (24) La feuille de calcul de la gure 4.7 montre l’exemple d’un gros granulat dont on a déterminé la densité brute, la densité SSS et l’absorption.
La masse, le volume et la teneur en eau
67
FIGURE 4.7 Calcul de la densité et de l’absorption d’un gros granulat Gros Granulat Masse dans l’air du granulat séché au four + récipient
3440 g
Masse du récipient
275 g
Masse dans l’air du granulat séché au four
Ms
Masse dans l’air du granulat SSS + récipient
3165 g 3500 g
Masse du récipient
300 g
Masse dans l’air du granulat SSS
Msss
3200 g
Masse du granulat SSS dans l’eau
M Iw
2032 g
Densité brute du granulat
2,71
Densité SSS du granulat
2,74
Absorption
1,1 %
La valeur Msss – MIw représente le volume de particules limité par la matière minérale et par les ménisques des pores superciels ouverts sur l’extérieur. Il s’agit du volume du matériau et il inclut les vides perméables et les vides imperméables à l’eau. Puisque la masse sèche est inférieure à la masse SSS, la densité brute est inférieure à la densité SSS (dB < dsss). Dans certains cas, on calcule aussi la densité apparente, dA, qu’on dénit de la façon suivante : (25) Au moment de l’essai de détermination de la densité, on ne pèse pas le matériau sec dans l’eau puisqu’un certain volume des particules sèches se remplirait d’eau. Donc, si on applique rigoureusement le principe d’Archimède, la valeur de Ms – MIw ne représente un volume précis de particules que si elles sont parfaitement saturées (voir la gure 4.8). C’est en fait un volume équivalent au volume du matériau qui inclut seulement les vides imperméables à l’eau et qui est inférieur à celui donné par la relation Msss – MIw. Pour le calcul de la densité apparente, le volume considéré est donc seulement celui des granulats solides. C’est la plus grande des valeurs de la densité exprimée des granulats : la densité brute et la densité SSS sont donc inférieures à la densité apparente. dB < dsss < dA
Si, lors de la détermination des densités, on arrive à des résultats contraires, il y a erreur de manipulation ou erreur de calcul. Note : Lorsque l’on détermine la densité brute d’un granulat utilisé pour la fabrication d’un enrobé bitumineux, on utilise le symbole Dgb (pour densité brute du granulat) au lieu de dB an d’éviter une confusion avec la densité du bitume. Dans le domaine des enrobés bitumineux, on calcule aussi la densité effective du granulat (Dge), qui prend en compte le volume de bitume absorbé qui, contrairement à l’eau, ne pénètre que partiellement les pores du granulat. FIGURE 4.8 Représentation schématique du volume représenté par Ms − MIw
68
CHAPITRE 4
L’absorption est égale à
4.3.2 Le cas du granulat n Pour le granulat n, on utilise la méthode du pycnomètre. Un pycnomètre est un petit acon de verre sur le col duquel est gravé un repère (voir la gure 4.9). On pèse le pycnomètre rempli d’eau à 23 °C ± 1,7 °C, Mpyc, jusqu’au repère du col pour connaître sa masse avant de commencer l’essai. Puis on le vide et on y introduit une certaine masse de granulat à l’état SSS, Msss, dont on veut déterminer la densité. On remplit ensuite le pycnomètre d’eau jusqu’au repère du col en prenant soin de faire disparaître les bulles d’air et de maintenir la température de l’eau à 23 °C ± 1,7 °C. On en déduit la masse du pycnomètre rempli d’eau avec le granulat à l’état SSS, Mpyc+granulat. On recueille enn le granulat dans un récipient qu’on place dans une étuve ventilée à 110 °C ± 5 °C pour déterminer sa masse sèche, Ms. La procédure est la même qu’il s’agisse d’un granulat n naturel, d’un granulat ou d’une fraction de granulat n concassé. La densité brute du granulat est égale à (26)
La relation dB < dsss < dA s’applique de la même façon que pour le gros granulat. Lorsqu’on réalise l’essai sur des fractions de l’échantillon classées selon la grosseur des particules, on calcule les valeurs moyennes de chaque type de densité et de l’absorption en fonction des proportions respectives de chaque fraction dans le matériau. On trouvera dans la gure 4.10 un exemple du calcul de la densité d’un granulat n.
4.4
La masse volumique et le volume des vides d’un granulat
Voyons maintenant comment déterminer la masse volumique et le volume des vides d’un matériau granulaire.
4.4.1 Le principe de la méthode
La densité SSS du granulat est égale à (27) La densité brute apparente du granulat est égale à (28)
FIGURE 4.9 Méthode du pycnomètre
(29)
Tout volume de matériau granulaire comporte un volume occupé par des particules solides et des espaces intergranulaires aussi appelés « vides ». Dans de nombreux cas, il est important de connaître l’importance du volume des vides pour calculer, par exemple, la composition d’un béton de ciment portland ou d’un enrobé bitumineux. En effet, plus le volume des vides est grand, plus il faut de liant pour les remplir. Or, qu’il s’agisse de béton de ciment portland (la pâte de ciment est le liant) ou d’enrobé bitumineux (le bitume constitue le liant), le liant est le composant qui coûte le plus cher. Le volume des vides dépend de nombreux facteurs tels que la granulométrie du matériau, la forme des particules et leur degré de compaction. Par exemple, il y a moins de vides dans un matériau à la granulométrie étalée et bien graduée que dans un matériau dont la granulométrie est uniforme et serrée. Pour évaluer le volume des vides contenu dans un matériau granulaire, on doit mesurer sa masse volumique, car moins il y a de vides, plus la masse volumique du granulat est élevée et vice-versa. Pour ce faire, on remplit un récipient à parois rigides de capacité et de dimensions normalisées suivant une procédure établie et selon la grosseur maximale des particules du granulat et le degré de compaction voulu.
La masse, le volume et la teneur en eau
69
FIGURE 4.10 Calcul de la densité et de l’absorption d’un granulat n Granulat n Masse du pycnomètre + eau
Mpyc (température de l’eau à 23 °C ± 1,7 °C)
689,0 g
Masse du granulat SSS
Msss
500,0 g
Masse du pycnomètre + granulat + eau
Mpyc+granulat (température de l’eau à 23 °C ± 1,7 °C)
1002,8 g
Masse du granulat sec + récipient
597,6 g
Masse du récipient
102,0 g
Masse du granulat sec
495,6 g
Ms
Densité brute du granulat
2,66
Densité SSS du granulat
2,69
Densité apparente du granulat
2,73
Absorption
0,9 %
Plus la grosseur maximale du granulat est importante, plus le récipient utilisé pour l’essai doit être grand. On utilise un procédé de compaction par pilonnage pour des granulats ne dépassant pas 40 mm et un procédé par chocs pour des granulats dont la grosseur maximale est comprise entre 40 et 100 mm. Le procédé par pelletage s’applique à des granulats de 100 mm et moins dont on veut connaître la masse volumique non compactée. Dans tous les cas, on mesure la masse de matériau contenu dans le récipient après avoir arasé sa surface. En divisant cette masse par le volume du récipient, on obtient la masse volumique du matériau granulaire. Note : Selon l’état du matériau, les valeurs de teneur en eau et d’absorption permettent de passer d’un type de masse volumique à un autre. EXEMPLE
4.3
SOLUTION
La masse moyenne de matériau contenu dans 15 litres est de 23,93 kg. La masse volumique de ce gros granulat pour béton est donc de
puisque 15 litres = 15 × 10−3 m3. Note : Cet exemple a pour objectif d’illustrer le calcul de la masse volumique. Cependant, il faut noter qu’en pratique : • on n’utilise pas le volume nominal du récipient pour calculer la masse volumique, le récipient fait l’objet d’un étalonnage régulier, dont il est question dans le laboratoire 3 (voir p. 200), où son volume réel est déterminé ; • la masse volumique est calculée pour chaque mesure : on calcule la différence entre les valeurs obtenues et on élimine les résultats moins probants avant de calculer la moyenne.
Lors de trois essais visant à déterminer la masse volumique d’un gros granulat pour béton (état SSS), on a utilisé un récipient de 15 litres et obtenu les trois masses de matériau suivantes : 23,85 kg ; 23,92 kg et 24,02 kg.
4.4.2 L’indice des vides et la porosité
Quelle est la masse volumique de ce gros granulat pour béton ?
La masse volumique permet de comparer la compacité de matériaux de même densité solide, ds, c’est-à-dire
70
CHAPITRE 4
de même nature. Il serait faux de conclure qu’un gros granulat calcaire pour béton de densité dsss 2,70 qui a une masse volumique de 1590 kg/m3 contient plus de vides intergranulaires qu’un gros granulat pour béton de type rhyolite dont la densité dsss est de 2,82 et dont la masse volumique est de 1600 kg/m3. En effet, si on connaît la densité dsss des particules, on peut calculer le volume réel des vides du granulat dont la masse volumique est ρsss. À partir de la gure 4.3 (voir p. 61), on peut écrire V = Vs + Vv,
(30)
On peut donc calculer l’indice des vides du granulat en fonction de ρsss et de dsss de la façon suivante :
En remplaçant Vv (formule 34) et Vs (formule 32), on obtient : (35) On peut enn calculer la porosité n :
donc Vv = V – Vs, où Vs est le volume des particules solides ; Vv représente le volume des vides ; et V, le volume du récipient utilisé pour mesurer la masse volumique. On peut exprimer de deux façons différentes la masse de granulat contenue dans le récipient. M = Vs × dsss × 1000 = V × ρsss,
(36)
(31)
d’où l’on tire
EXEMPLE
(32)
4.4
1 Quelle est la porosité d’un granulat calcaire dont les caractéristiques sont les suivantes ?
dsss = 2,70 et ρsss = 1590 kg/m3
Le volume des vides Vv est donc égal à (33)
2 Calculez la porosité du granulat à base de rhyolite dont les caractéristiques sont les suivantes :
dsss = 2,82 et ρsss = 1600 kg/m3
soit (34) On peut facilement mesurer expérimentalement cette valeur théorique du volume des vides. En effet, lorsqu’on détermine la masse volumique d’un matériau granulaire après avoir pesé l’échantillon, il suft de mesurer la quantité d’eau nécessaire pour remplir le récipient qui contient déjà les granulats SSS. Cette eau, qui occupe le volume intergranulaire, donne immédiatement la valeur du volume des vides. On peut mesurer ce volume d’eau, soit en calculant la différence de lecture sur un récipient gradué, soit en pesant l’échantillon.
SOLUTION
1 2
Comme le montre cet exemple, la masse volumique d’un granulat ne dépend donc pas uniquement du volume des vides intergranulaires, puisque la densité des particules inue aussi sur la masse volumique.
La masse, le volume et la teneur en eau
RÉSUMÉ La teneur en eau, la densité, l’absorption et la masse volumique d’un matériau sont parmi les propriétés physiques les plus importantes des granulats. La densité d’un matériau, qui exprime combien de fois ce matériau est plus dense que l’eau, dépend de son conditionnement et de son état au moment de la mesure. Il est donc toujours important de bien spécier cet état. De plus, les méthodes de mesure de la densité des granulats sont basées sur le principe d’Archimède. Il est important de connaître l’absorption d’un granulat avant de l’utiliser pour fabriquer du béton de ciment portland ou un enrobé bitumineux. L’absorption d’un granulat correspond à une teneur en eau particulière, celle où tous les pores ouverts sur l’extérieur sont remplis d’eau. La masse volumique d’un granulat nous renseigne sur son degré de compacité. La valeur de la masse volumique dépend de très nombreux facteurs tels que la densité des particules, leur forme, le degré de compaction, la teneur en eau. Cependant, comme nous le verrons au chapitre 6, pour caractériser l’état de compacité d’un matériau granulaire, il vaut mieux évaluer sa porosité ou son indice des vides.
QUESTIONS DE RÉVISION 1. Quels sont les différents états possibles d’une particule et quelles sont les phases présentes dans chacun de ces états ? 2. Qu’est-ce qu’un granulat à l’état saturé superciellement sec ? 3. Comment calcule-t-on l’humidité d’un granulat pour béton ? 4. À quelle teneur en eau particulière correspond l’absorption d’un granulat ? 5. Quelle est la densité SSS d’un sable siliceux et celle d’un granulat calcaire ? 6. Comparez la procédure utilisée pour conditionner à l’état SSS un échantillon de gros granulat à la procédure utilisée dans le cas du granulat n. 7. Pourquoi la mesure de la masse volumique d’un matériau granulaire ne permet-elle pas de comparer la porosité de deux matériaux granulaires dont les grains sont de nature différente ? 8. Donnez quelques facteurs qui inuent sur la masse volumique d’un granulat donné et indiquez, dans chaque cas, la nature de cette inuence. 9. On fait des essais de détermination de masses volumiques sur un matériau sec et sur le même matériau humide. Laquelle des masses volumiques (sèche ou totale) sera la plus élevée ? Expliquez votre réponse. 10. La densité effective d’un granulat est une valeur importante lorsqu’on établit la composition ou lorsqu’on fait le contrôle en laboratoire des enrobés bitumineux. Démontrez, au moyen d’un diagramme où l’on représente chacune des phases, que cette densité est comprise entre la densité brute et la densité apparente du granulat.
71
72
CHAPITRE 4
PROBLÈMES 1 Quelle est la masse humide de 500 kg de sable sec lorsque sa teneur en eau totale est de 5,4 % après un orage ? 2 Quelle est la masse sèche de 1005 kg de pierre humide dont la teneur en eau totale est de 0,5 % ? 3 Une gâchée d’essai de béton pèse 92 kg. Sachant que la masse volumique du béton est de 2420 kg/m3, quel est le volume de cette gâchée d’essai ? 4 Établissez la relation entre l’indice des vides et la porosité dans un matériau granulaire. 5 Un sable siliceux a une densité SSS de 2,65 et une masse volumique SSS de 1560 kg/m 3. Quelle est la porosité de ce sable ? 6 Dans un béton de ciment, on veut remplacer 1000 kg de pierre dont la densité SSS est de 2,75 par un même volume de gros granulat dont la densité SSS est de 2,70. Combien de gros granulat faudra-t-il alors peser ? 7 On doit combiner quatre granulats dans le but d’obtenir une granularité conforme aux exigences du ministère des Transports du Québec pour la fabrication d’un enrobé bitumineux. Donnez la densité brute et l’absorption du combiné si l’on mélange les granulats selon les proportions indiquées dans le tableau suivant: Granulat
Proportions (%)
Densité brute du granulat
Absorption (%)
1
11
2,607
1,01
2
26
2,632
0,98
3
45
2,672
0,62
4
18
2,701
0,49
8 On désire déterminer la densité, la masse volumique et la teneur en eau d’un gros granulat en se servant des méthodes LC. À partir des résultats des essais suivants, remplissez le tableau des propriétés page suivante en y inscrivant les valeurs manquantes. Mesure de la masse volumique et de la densité du gros granulat Volume du moule
2827 cm3
Masse du moule
174 g
Masse du moule + granulat humide
5745 g
Masse déjaugée (masse dans l’eau)
3288 g
Masse SSS
5243 g Teneur en eau
Masse de granulat humide
1230 g
Masse de granulat sec
1151 g
La masse, le volume et la teneur en eau
Propriétés
Valeurs
ρ
Masse volumique
kg/m3
ρd
Masse volumique sèche
kg/m3
dB
Densité sèche
dsss
Densité SSS
abs
Absorption
%
ω
Teneur en eau
%
n
Porosité
%
e
Indice des vides
9 On a réalisé divers essais sur un échantillon de sable dans une usine de béton en vue d’établir des relations entre les paramètres du milieu poreux que constitue un granulat. Voici quelques résultats de ces essais.
Mesure de la masse volumique – Volume du contenant utilisé : 2,831 litres – Masse de granulat humide dans le contenant après remplissage et pilonnage selon une méthode normalisée : 4485,8 g Teneur en eau – Résultat obtenu : 4,5 % Densité – Densité des solides : 2,65 a) À partir de ces informations, construisez un diagramme montrant les différentes phases et dans lequel vous indiquerez les valeurs de tous les paramètres. b) Calculez la masse volumique totale, la masse volumique sèche ainsi que la masse volumique des solides. c) Calculez l’indice des vides et la porosité correspondant à l’état de compactage obtenu en laboratoire. 10 Lors d’un projet étudiant en laboratoire, on a réalisé, sur du sable de classe granulaire 0/5 et de densité solide 2,73, des essais de masse volumique selon le procédé par pelletage, et selon le procédé par pilonnage en appliquant 25 coups/couche et 56 coups/couche pour remplir un moule de 936 cm3 en trois couches. La teneur en eau du matériau a été maintenue à 8,1 %.
a) Remplissez le tableau page suivante et évaluez l’inuence du procédé de remplissage sur l’indice des vides. b) Comment de tels résultats sont-ils appliqués dans la pratique ?
73
74
CHAPITRE 4
Caractéristiques (paramètres)
Valeurs
Masse du granulat humide (g)
État lâche – procédé par pelletage
État tassé – procédé par pilonnage 25 coups/couche
État tassé – procédé par pilonnage 56 coups/couche
1678,5
1720,0
1769,7
Masse volumique du granulat humide (g/cm3) Masse du granulat sec (g) Masse volumique du granulat sec (g/cm3) Masse volumique des solides du granulat (g/cm3) Volume des solides (cm3) Volume des vides (cm 3) Indice des vides
11 On doit ériger des fondations pour une travée de 3,6 m de largeur sur un tronçon de route de 1 km de longueur. On utilise un matériau de type MG 20 et l’épaisseur prévue est de 300 mm. La masse volumique du matériau sec après compactage doit être de 2250 kg/m3. Au moment du chargement du matériau MG 20, sa teneur en eau totale mesurée est de 3,4 % alors que le devis spécie que, pour atteindre le degré de compactage désiré, la teneur en eau lors de cette opération doit être de 5,2 %.
Calculez : a) la masse de matériau à l’état sec requis pour combler les fondations ; b) la masse de matériau qui sera transporté ; c) la quantité d’eau à ajouter au moment des travaux pour atteindre le degré de compactage spécié. 12 En laboratoire, on a réalisé une gâchée de béton avec les quantités de constituants suivantes :
Eau : 12 kg Ciment : 30 kg Pierre : 105 kg Sable : 78 kg Un essai approprié réalisé sur ce béton a indiqué qu’il contient 5,6 % d’air. Voici quelques caractéristiques des constituants de ce béton au moment de leur utilisation : Granulats
Densité SSS
Teneur en eau
Absorption
Pierre
2,69
0,7 %
0,6 %
Sable
2,64
3,5 %
0,9 %
Autres
Densité
Ciment
3,15
Eau
1,00
a) Calculez la quantité totale d’eau libre dans ce béton. b) Calculez le volume total de béton réalisé lors de cette gâchée, en mètres cubes et en litres. c) Sans modier les caractéristiques du béton, calculez la quantité d’eau à utiliser pour une autre gâchée si la teneur en eau du sable passe à 6,0 %.
CHAPITRE
La durabilité et les matières délétères SOMMAIRE
5.1
La notion de durabilité
5.2 La durabilité liée aux caractéristiques intrinsèques des granulats 5.3 La durabilité liée aux conditions climatiques 5.4 La durabilité liée à la présence de matières délétères dans le granulat 5.5 Les propriétés délétères liées à l’environnement
Les ouvrages de génie civil doivent être durables, c’est-à-dire qu’ils doivent pouvoir remplir leur fonction durant de longues années et nécessiter un minimum d’entretien. Dans ce chapitre, nous traitons des éléments de l’environnement et des conditions climatiques qui peuvent causer la détérioration d’un ouvrage ainsi que des propriétés des granulats associées à ces détériorations. Nous abordons également dans ce chapitre les essais reliés à la détermination de ces propriétés ainsi que les exigences à respecter pour prévenir les détériorations. Nous examinons aussi différents essais qui permettent d’évaluer la durabilité des granulats en fonction : • de leurs caractéristiques intrinsèques (essai Los Angeles, essai micro-Deval, essai de friabilité, essai de polissage par projection) ; • des conditions climatiques et de l’environnement (résistance à la désagrégation et au gel/ dégel) ; • de leurs matières délétères (présence et quantité de matières organiques ; propreté : teneur en particules nes, valeur au bleu de méthylène ; teneur en mottes d’argile et en particules friables).
5
76
5.1
CHAPITRE 5
La notion de durabilité
Pour qu’une construction soit durable, il faut choisir des matériaux qui résistent au temps. Il faut ensuite les mettre en œuvre de façon appropriée et selon les règles de l’art, et enn assurer une sur veillance régulière de l’ouvrage an d’y effectuer les réparations nécessaires dès les premiers signes de détérioration. Il importe en effet de prendre le plus rapidement possible les mesures correctives nécessaires, car la dégradation des structures peut progresser de façon exponentielle. Notion complexe, la durabilité des matériaux en général (et des granulats en particulier) dépend non seulement des caractéristiques du matériau ou du granulat (caractéristiques intrinsèques), mais aussi des conditions de sa fabrication (caractéristiques de fabrication) et de l’environnement dans lequel il se trouve ou encore de l’évolution de cet environnement au l du temps. Par exemple, les calcaires tendres utilisés en Europe au Moyen Âge pour construire les cathédrales ont pu résister pendant des siècles aux intempéries, mais, de nos jours, la pollution des grandes villes européennes contribue grandement à les endommager. Cette pollution est essentiellement causée par la circulation automobile et les pluies acides. Certains soutiennent même que le phénomène des pluies acides a pris une ampleur catastrophique depuis qu’on a obligé les carrières (qui extrayaient pour la plupart des roches calcaires) à réduire leur taux d’émission de poussière dans l’air. De fait, les carrières rejetaient dans l’atmosphère des tonnes de très nes particules de carbonate de calcium basique qui neutralisaient l’acide sulfurique émis par les usines. Comme il n’y a plus d’émission de poussière dans les carrières, il n’y a plus rien pour neutraliser les pluies acides. Par ailleurs, certains granulats peuvent être stables dans un environnement donné, et instables dans un autre. C’est le cas de certains calcaires de Trenton qu’on peut utiliser sans problème comme granulat routier, mais qu’on doit éviter d’utiliser dans le béton, à moins de prendre des mesures préventives efcaces contre les risques de réaction alcalis-granulats, car ils peuvent déclencher une réaction alcalis-granulats, qui décompose ce matériau plus ou moins rapidement : dans certains cas en moins de deux ou trois ans, dans d’autres, au bout d’une dizaine d’années. De même, la pyrite et la pyrrhotite contenues dans certains granulats peuvent s’altérer lorsqu’on modie leurs conditions environnementales, et causer de graves problèmes.
En général, l’altération des granulats est un processus lent. Aussi, pour l’étudier en laboratoire, il a fallu mettre au point un certain nombre d’essais accélérés qui permettent, dans un délai raisonnable et avec un degré de certitude acceptable, d’établir si un granulat est durable ou non. Pendant ces essais au laboratoire, on ne soumet pas les granulats à des conditions d’altération identiques à celles qu’ils devront subir lorsqu’ils rempliront leur fonction, mais plutôt à des conditions qui permettront d’établir une corrélation entre les résultats des essais accélérés de laboratoire et le comportement à long terme des granulats mis en place. Un essai accéléré est valable si un granulat connu pour sa durabilité réussit l’essai, et si un granulat connu pour sa non-durabilité échoue à l’essai. Il existe enn un certain nombre de matières contaminantes, aussi appelées « matières délétères », qui peuvent altérer la durabilité des granulats dans des applications bien précises. Par exemple, une trop grande quantité d’argile ou de particules nes collées sur de gros granulats risque de nuire à l’adhérence entre ces granulats et le bitume ou la pâte de ciment hydraté dans les enrobés bitumineux ou les bétons de ciment portland. De même, la présence d’une trop grande quantité de matières organiques dans un sable pour béton peut entraîner des réactions chimiques secondaires qui pourraient nuire à l’hydratation normale du ciment, au contrôle de sa teneur en air et à sa durabilité à long terme. Ces caractéristiques, qui inuent sur certaines utilisations d’un granulat, constituent ce qu’on appelle les « caractéristiques complémentaires ».
5.2
La durabilité liée aux caractéristiques intrinsèques des granulats
5.2.1 La détermination de la résistance à l’abrasion : l’essai Los Angeles L’essai Los Angeles permet de déterminer la résistance à l’abrasion des gros granulats, c’est-à-dire leur résistance à la fragmentation par chocs et à l’usure par frottements réciproques. Cet essai consiste à placer une prise d’essai dans un tambour d’acier avec un certain nombre de boulets d’acier d’environ 47 mm de diamètre. On peut effectuer l’essai Los Angeles sur une ou plusieurs fractions du granulat dont le grade doit être le plus représentatif possible de la granulométrie du matériau. La masse de la prise d’essai et le nombre de boulets d’acier, c’està-dire la charge abrasive, dépendent du grade. Le grade
La durabilité et les matières délétères
est en fait la granulométrie de la prise d’essai. Cet essai doit s’effectuer à sec. Après un certain nombre de tours, qui dépend aussi du grade, on mesure le pourcentage d’éléments qui traversent un tamis de 1,7 mm d’ouverture. On exprime le résultat de l’essai Los Angeles en pourcentage de perte arrondi à l’unité près. Ce pourcentage de perte représente donc la masse de particules qui se sont fragmentées par usure en particules plus petites que 1,7 mm. Les exigences dénies dans la norme NQ 2560-114, Travaux de génie civil – Granulats limitent à 50 % le pourcentage de perte pour les gros granulats routiers. Cette perte varie en fonction du type de route et du volume de circulation pour les granulats qui composent les enrobés bitumineux utilisés en couches de roulement. Pour les chaussées en béton, cette valeur doit être inférieure à 35 %.
5.2.2 La détermination de la résistance à l’attrition : l’essai micro-Deval Il importe de préciser que l’attrition correspond à la production de particules nes par frottement des granulats les uns contre les autres. Pour effectuer l’essai micro-Deval, on place d’abord une prise d’essai dans une jarre de dimensions normalisées avec un certain nombre de billes d’acier de 9,5 mm ± 0,5 de diamètre (beaucoup plus petites et nombreuses que les boulets utilisés dans l’essai Los Angeles). Effectué en présence d’eau, cet essai permet d’obtenir l’attrition par frottement entre les billes et les granulats. On exprime le résultat de cet essai en pourcentage de perte sur un tamis de 1,25 mm pour le gros granulat et sur un tamis de 80 µm pour le granulat n. Comme pour l’essai Los Angeles, on doit d’abord déterminer la composition granulométrique ou le grade de la prise d’essai an qu’il représente le mieux possible le matériau étudié tout en respectant les exigences dénies dans la méthode d’essai. Les exigences dénies dans la norme NQ 2560-114 pour les gros granulats limitent le pourcentage de perte à 40 % pour les utilisations routières. Selon la norme 3101 du Tome VII du ministère des Transports du Québec, le pourcentage de perte est limité à 15 % pour les chaussées en béton. Des limites sont aussi imposées à la somme des pertes aux essais micro-Deval et Los Angeles. Par exemple, pour des utilisations dont la réglementation est très stricte, notamment dans le cas des granulats utilisés pour des revêtements bitumineux, 1. La perte maximale permise pour le granulat n est de 35 %.
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les valeurs maximales admises sont de 50 %1 à l’essai Los Angeles (LA) et 25 % à l’essai micro-Deval (MD) ; de plus, la somme des pertes aux deux essais (LA + MD) ne doit pas dépasser 70 %. Ainsi, si un matériau donné présente un pourcentage de perte égal à 50 %1 à l’essai Los Angeles, la valeur maximale admise à l’essai micro-Deval sera de 20 %. On compense donc une moins bonne résistance à la fragmentation et à l’abrasion par une production réduite de particules nes.
5.2.3 La détermination de la résistance à l’écrasement : l’essai de friabilité La détermination de la friabilité ne s’applique qu’aux granulats ns. L’essai de friabilité présenté dans cette section permet de déterminer la proportion de granulat qui peut facilement se réduire en poudre. Cet essai ressemble beaucoup à l’essai micro-Deval à l’exception de la charge abrasive qui est ici constituée de billes d’acier dont la dimension est de 10 à 100 fois plus importante que les particules. L’essai de friabilité mesure l’effet d’écrasement et de fragmentation en présence d’eau. On mesure la friabilité d’un granulat n en calculant le pourcentage de particules qui traversent un tamis de 80 µm. Ce pourcentage s’exprime à l’unité près à l’aide de la formule suivante : friabilité où M est la masse totale de la prise d’essai (composée de particules de dimension de 160 µm à 5 mm) ; M1 est la masse passant le tamis de 80 µm ; M2 est la masse retenue sur le tamis de 80 µm après l’essai. Les exigences dénies dans la norme NQ 2560-114 limitent à 40 % la friabilité des granulats utilisés pour les chaussées.
5.2.4 La détermination de la résistance au polissage La résistance au polissage est la capacité des granulats destinés à la surface des revêtements des routes à résister à l’usure causée par les pneus. En 1996, le ministère des Transports du Québec a mis au point l’essai de résistance au polissage par projection pour optimiser l’utilisation des granulats qui serviront de couche de surface pour la chaussée dans les enrobés
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CHAPITRE 5
bitumineux ou dans le béton de ciment. Cet essai sert à déterminer la microrugosité à la surface des granulats. Plus la microrugosité est grande, meilleure est l’adhérence des véhicules sur la chaussée. L’essai de résistance au polissage consiste à soumettre d’abord les granulats à des cycles répétés de polissage au moyen d’un jet d’eau et d’abrasifs pour ensuite mesurer leur rugosité à l’aide d’un pendule de frottement. Les résultats de l’essai se traduisent par le coefcient de polissage par projection appelé « valeur CPP ». L’usure produite lors de l’essai est comparable au passage répété des voitures sur la chaussée. Le coefcient de polissage par projection (CPP) varie d’un granulat à l’autre, selon la nature pétrographique du granulat. Plus le CPP est élevé, plus les granulats testés sont performants, donc résistants à l’usure. Selon les exigences dénies dans la norme NQ 2560114, la valeur CPP doit être supérieure ou égale à 0,45 ou à 0,50 sur les autoroutes à fort trac, selon les spécications en vigueur.
5.2.5 La justication des essais d’usure Pourquoi a-t-on besoin de connaître la résistance à la fragmentation, à l’attrition, à l’abrasion et au polissage des granulats utilisés en génie civil ? Une fois mis en place, ces granulats seront liés entre eux par un liant hydraulique (bétons de ciment portland), par un liant hydrocarboné (enrobés bitumineux) ou par des forces de frottement interne dues à la compaction (granulats routiers). Dans ces utilisations, les granulats ne sont pas libres de rouler les uns sur les autres ou de s’entrechoquer. Cependant, les particules des granulats sont indépendantes les unes des autres entre le moment où elles sont produites et le moment où elles sont liées les unes aux autres dans l’ouvrage nal. Ces particules peuvent donc subir des phénomènes d’usure par abrasion, par attrition et par frottement au moment de leur fabrication, de leur manutention, de leur mise en place et du compactage. Lors du malaxage du béton, les particules de granulats s’usent par frottement. Une fois mis en place, les granulats continuent à se dégrader. Par exemple, dans les couches de surface des chaussées, les granulats peuvent se fragmenter et se polir sous l’action des véhicules et du matériel d’entretien. Comme on l’explique au chapitre 6, ces différents phénomènes d’usure produisent des particules nes et modient la granulométrie du matériau et certaines des propriétés qui en dépendent. C’est pourquoi ces conditions particulières imposent qu’on xe les limites de la résistance à l’usure des granulats pendant la durée des travaux.
Ces limites peuvent paraître excessives lorsqu’on considère le genre de sollicitations auxquelles seront soumises les particules du granulat une fois qu’il sera mis en place. Toutefois, la détermination de cette résistance à l’usure est très importante dans le cas des granulats routiers. En effet, dans les assises de chaussée non traitées avec un ciment ou un liant bitumineux, les particules sont faiblement liées les unes aux autres par les forces de frottement. Par conséquent, ces particules subissent une usure en raison des sollicitations répétées de la circulation. En outre, durant leur compaction, les particules des granulats ont subi une usure par attrition en raison du passage répété de lourdes charges vibrantes. Les phénomènes d’usure sont toujours ampliés par la présence d’eau, qui diminue les forces de frottement entre les particules et augmente ainsi leur mobilité relative. Cela explique l’intérêt de l’essai micro-Deval qu’on fait en présence d’eau.
5.3
La durabilité liée aux conditions climatiques
5.3.1 La détermination de la résistance à la désagrégation des granulats : l’essai au sulfate de magnésium La désagrégation des roches et des granulats est un phénomène naturel puisque tous les granulats naturels utilisés en génie civil ont été produits de la sorte. Cette désagrégation peut résulter des cycles de gel et dégel, des chocs répétés des blocs de roche ou des granulats les uns sur les autres. Elle peut également provenir de la décomposition de certains minéraux sous l’action d’eaux riches en gaz carbonique ou en sulfates ou, au contraire, de la dissolution de certains minéraux quand ils entrent en contact avec des eaux très pures avides d’ions (par exemple, les eaux très peu polluées du Grand Nord). On a longtemps évalué la résistance à la désagrégation des granulats à l’aide d’un essai très controversé pour ses résultats contradictoires à l’expérience pratique : l’essai de résistance à la désagrégation par une solution de sulfate de magnésium. Initialement, cet essai a été conçu dans le but d’évaluer la résistance des granulats aux cycles de gel et dégel. En effet, les résultats des essais accélérés de résistance aux cycles de gel et dégel effectués en laboratoire sur des granulats ne montraient qu’une très faible corrélation avec les observations faites sur le comportement réel de granulats exposés à des cycles de gel et dégel dans la nature. Pour simuler cette alternance de cycles,
La durabilité et les matières délétères
on a eu l’idée d’utiliser une solution de sulfate de magnésium, car la cristallisation du sulfate de magnésium produit une augmentation de volume de 9 % et que cette augmentation de volume est égale à celle de l’eau qui se transforme en glace. L’essai au sulfate de magnésium est simple : on soumet une prise d’essai d’un gros granulat ou d’un granulat n à cinq cycles d’immersion et de séchage dans une solution saturée de sulfate de magnésium. Le résultat est ensuite exprimé en pourcentage de perte. Cette idée, très attrayante théoriquement, n’a malheureusement pas permis d’obtenir de résultats probants. En effet, il est impossible de soumettre avec succès à cet essai des granulats dont on connaît pourtant la résistance aux cycles de gel et dégel dans la nature, alors que d’autres granulats qu’on sait incapables de résister à un nombre relativement réduit de cycles de gel et de dégel dans la nature passent cet essai avec succès. Comme on le présente au chapitre 6, l’action des effets des cycles de gel et dégel sur les granulats est un phénomène fort complexe qui ne se limite pas seulement à l’augmentation de 9 % du volume de l’eau qui se transforme en glace, car il implique d’autres caractéristiques telles que la porosité, la perméabilité et la capillarité du matériau utilisé. De nos jours, on évalue plutôt la résistance des granulats aux cycles de gel-dégel en étudiant la répartition des diamètres de leurs pores et leur perméabilité. C’est pourquoi on a de moins en moins recours à l’analyse de la résistance des granulats aux cycles de gel-dégel au moyen d’une solution de sulfate de magnésium. On préfère maintenant parler de détermination de la résistance des granulats à la désagrégation. Les spécications des normes du ministère des Transports du Québec ne dénissent pas d’exigences quant à la résistance des granulats évaluée au moyen de l’essai au sulfate de magnésium. Par contre, celles de la norme CSA A23.1 xent des limites maximales de 16 % pour le granulat n, et de 12 et 18 % pour le gros granulat selon les conditions d’exposition. De plus, dans la mesure où les matériaux répondent à ces exigences de perte, on peut déroger aux exigences de l’essai micro-Deval applicables au granulat n ou à celles de résistance au gel-dégel du gros granulat.
5.3.2 L’essai de résistance au gel et au dégel de gros granulats non connés Comme on l’a vu dans la section précédente, il est très difcile de reproduire en laboratoire les conditions naturelles de gel sur les granulats. L’essai de résistance
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au gel et au dégel est un essai complémentaire à l’essai de désagrégation et on l’utilise surtout sur des granulats pour béton de ciment. Cet essai est fort simple : il suft de plonger de gros granulats dans une solution de chlorure de sodium et de déterminer leur résistance à la désintégration après cinq cycles de gel-dégel. À la suite de ces cinq cycles, on note le pourcentage de perte (arrondi au dixième près) de chaque fraction granulométrique qu’on multiplie par le pourcentage de refus (tiré de la courbe granulométrique) pour cette fraction. La somme de ces produits divisée par 100 donne la perte pondérée moyenne de masse par gel-dégel. On compare ensuite la valeur de la perte pondérée à la valeur de perte pondérée d’un échantillon témoin an de valider l’essai. Les spécications de la norme CSA A23.1 xent des valeurs de perte maximale de 6 à 10 % selon les conditions d’exposition.
5.3.3 Les difcultés inhérentes à ces essais La principale difculté touchant les essais qui permettent de déterminer la durabilité des granulats liée aux conditions climatiques concerne leur reproductibilité dans leurs conditions réelles d’application. En effet, la présence d’eau, l’hétérogénéité des granulats, la présence de polluants chimiques et les conditions climatiques imprévisibles font en sorte que la durabilité des matériaux varie énormément selon l’environnement dans lequel ils sont utilisés. Par exemple, lorsqu’on fait un essai de gel et dégel, on ne fait varier que la température, mais elle ne représente qu’une seule des très nombreuses variables qui entrent en jeu dans ces cycles. C’est pourquoi la meilleure façon de déterminer la résistance d’un granulat aux conditions climatiques est la mesure in situ (qui veut dire « sur le terrain »), qui tient compte des multiples facteurs qui causent cette résistance, et ce, dans l’environnement même où le matériau sera utilisé. Par contre, de tels essais nécessitent des équipements et des méthodes plus sophistiqués que les essais en laboratoire et sont aussi beaucoup plus coûteux. On les utilise donc rarement.
5.4
La durabilité liée à la présence de matières délétères dans le granulat
L’expression « matières délétères » désigne des substances qui risquent de limiter la durabilité d’un
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CHAPITRE 5
granulat ou d’un matériau fabriqué avec ce granulat. Parmi ces matières indésirables, on peut citer : • les matières organiques dans les sables pour béton de ciment ou dans les matériaux de fondation ; • les particules argileuses dans les graviers pour béton de ciment portland ou dans les enrobés bitumineux ; • certains composés chimiques susceptibles de réagir avec les alcalis du ciment dans les bétons ou de s’oxyder avec une forte augmentation de volume, comme dans le cas des attaques sulfatiques. La présence de tels matériaux en faible quantité est souvent tolérable et ne modie pas de façon importante la durabilité du granulat ou du matériau fabriqué à partir de ce granulat. Cependant, il existe un seuil critique au-delà duquel ces particules étrangères menacent la durabilité de l’ouvrage dont elles font partie. Il est donc très important de pouvoir en mesurer la quantité présente dans un granulat et déterminer avec certitude les seuils à ne pas dépasser.
5.4.1 La détermination de la présence de matières organiques dans un sable pour béton : l’essai colorimétrique L’essai colorimétrique permet de déceler la présence de matières organiques susceptibles d’être nuisibles dans les sables naturels utilisés comme granulat n du béton. Cet essai est simple : on introduit une prise d’essai du sable qu’on prévoit utiliser pour fabriquer du béton ou du mortier dans un acon de solution d’hydroxyde de sodium à 3 %. Si le sable contient des matières organiques, la solution contenue dans le acon change de couleur à la suite de la réaction de la soude avec les matières organiques. La solution se colore alors en brun plus ou moins foncé, allant jusqu’au noir lorsque la quantité de matières organiques est très élevée. On compare la couleur de cette solution avec celle des pastilles de verre coloré d’une plaquette étalon Gardner. Si la solution contenue dans le acon a une couleur plus claire ou équivalente à la troisième pastille, le sable pour béton est acceptable. Si la solution a une couleur plus foncée que celle de la troisième pastille, il faut confectionner des cubes de mortier en conformité avec la norme CSA A23.2-8A, Détermination de la résistance du mortier en fonction de la nature des granulats ns pour savoir si l’on peut accepter ce sable pour fabriquer du béton. L’essai colorimétrique ne donne qu’une indication qualitative sur la présence de matières organiques. Si l’on veut évaluer la quantité de matières organiques
présente dans le granulat, il faut utiliser soit la méthode de perte par ignition, soit la méthode chimique.
5.4.2 La détermination de la quantité de matières organiques dans les sols et les granulats : les essais d’ignition et d’oxydation On peut utiliser deux méthodes pour déterminer la quantité de matières organiques dans les sols et les granulats. La mesure de perte de masse par ignition convient bien aux granulats siliceux qui comportent peu ou pas de particules argileuses ou de carbonates. Toutefois, cette méthode est peu précise et on tend à l’abandonner au prot de la méthode chimique. La méthode chimique, par oxydation au bichromate de potassium, sur laquelle sont basées les spécications du ministère des Transports du Québec, est tout aussi rapide et plus précise que la méthode par ignition. Elle mesure la quantité d’oxygène nécessaire pour oxyder les matières organiques en milieu acide sulfurique. La norme NQ 2560-114 limite à 0,8 % le pourcentage acceptable de matières organiques dans les granulats routiers.
5.4.3 La détermination de la propreté des granulats La notion de propreté se dénit différemment selon qu’on utilise un granulat pour fabriquer du béton de ciment portland, des enrobés bitumineux ou comme matériau de fondation.
La propreté des granulats pour béton de ciment portland et enrobés bitumineux (teneur en particules traversant le tamis de 80 µm) Dans les bétons de ciment portland et les enrobés bitumineux, la présence au-delà d’une certaine quantité de particules de taille inférieure à 80 µm peut nuire à la qualité de l’adhérence entre les liants et les granulats et créer des points faibles qui risquent d’altérer la durabilité des ouvrages. Il est donc important de connaître leur quantité dans le matériau choisi. Puisqu’il est difcile d’effectuer un bon tamisage à sec sur le tamis de 80 µm (voir le chapitre 3), on détermine la quantité de particules nes contenues dans le granulat au moyen d’un essai par lavage sur ce même tamis. Lorsque l’échantillon représentatif est soumis au lavage, le jet d’eau entraîne les particules susceptibles de traverser les mailles du tamis. On recueille ensuite le matériau retenu sur le tamis de 80 µm et on le fait sécher dans une étuve ventilée. Il suft de soustraire la masse sèche du matériau recueilli de la masse
La durabilité et les matières délétères
initiale de l’échantillon pour connaître la masse de matériau qui a traversé le tamis de 80 µm. On exprime alors ce résultat sous forme de pourcentage de la masse totale du matériau soumis à l’essai. La norme CSA A23.1 stipule que le gros granulat pour béton ne doit pas contenir plus de 1,0 % de silt et d’argile, tandis que le granulat n peut en contenir un maximum de 3,0 %. Cette dernière limite peut toutefois atteindre 5 % si la quantité de particules de moins de 2 µm déterminée par sédimentométrie ne dépasse pas 1 % de l’échantillon analysé. Par contre, dans le cas des enrobés bitumineux, la norme NQ 2560-114 stipule que le gros granulat ne doit pas contenir plus de 1,0 % de particules de 80 µm dans les graviers et pas plus de 1,5 % dans les pierres concassées. Par ailleurs, il faut s’assurer que les particules qui traversent un tamis de 80 µm sont bien des particules d’argile ou de silt. En effet, la présence de nes particules de calcaire dans les gros granulats concassés pour béton produits par la plupart des carrières québécoises qui exploitent du calcaire de Trenton peut avoir des effets bénéques sur la résistance du béton. Les normes actuelles sur les ciments permettent d’introduire jusqu’à 15 % de ller calcaire dans les ciments llérisés. Il faut toutefois s’assurer que ces particules de calcaire sont saines et qu’elles ne contiennent pas de minéraux qui pourraient réagir avec le ciment portland.
La propreté des granulats de fondation (valeur au bleu) Dans les granulats de fondation, c’est la présence ou non de minéraux argileux dans la fraction ne qui dénit la propreté. En effet, les particules argileuses peuvent réduire considérablement la perméabilité d’un matériau et entraîner d’importants problèmes en cas de gel (voir le chapitre 6). L’essai au bleu de méthylène permet de déterminer la propreté d’un granulat. Il complète l’essai de détermination de la teneur en particules qui traversent un tamis de 80 µm, puisque le bleu de méthylène est un composé chimique qui est principalement adsorbé par les particules d’argile réactives et les particules organiques. Le principe de l’essai est simple : on ajoute progressivement une solution de bleu de méthylène dans un granulat jusqu’à sa saturation complète. Le résultat de l’essai correspond à la valeur au bleu (VB) et au nombre de grammes de bleu de méthylène adsorbés par 100 g d’échantillon. On calcule la valeur au bleu de la façon suivante :
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où VB représente la valeur au bleu de la prise d’essai ; V , le dosage en bleu de méthylène (cm3) ; et Ms, la masse sèche de l’échantillon (g). La valeur au bleu est exprimée au centième près. Au Québec, on considère souvent qu’une valeur au bleu inférieure ou égale à 0,20 signie que le granulat est propre.
5.4.4 Le pourcentage de mottes d’argile et de particules friables Les mottes d’argile et les particules friables présentes dans les graviers et les sables naturels peuvent se désagréger et causer les mêmes problèmes que les particules nes, car elles nuisent à l’adhérence entre les liants et les granulats lorsque ces derniers entrent dans la fabrication d’enrobés bitumineux ou de béton de ciment portland. Cependant, il est possible de déterminer leur quantité en utilisant une méthode très simple. On immerge dans l’eau pendant 24 heures un échantillon représentatif du matériau à analyser préalablement débarrassé de ses particules nes. Après quoi, par simple pression entre le pouce et l’index, on essaie de réduire les mottes et les particules friables en particules plus petites. Une fois cette opération effectuée, on procède à un tamisage par lavage à l’aide d’un tamis convenant au type de granulat analysé. Le pourcentage de mottes d’argile et de particules friables est égal au rapport entre la masse de matériau perdu lors du lavage et la masse de l’échantillon initial, multiplié par 100. La norme CSA A23.1 spécie une valeur maximale de 1,0 % de mottes d’argile et de particules tendres et friables ou en lamelles dans le granulat n pour béton de ciment ; et une valeur maximale de 0,3 % ou 0,5 % dans le gros granulat selon les conditions d’exposition. Par ailleurs, selon la norme NQ 2560-114, la valeur limite est de 2,0 % pour le granulat n pour enrobés bitumineux. EXEMPLE
5.1
On veut déterminer la teneur en mottes d’argile et en particules friables d’un échantillon sec de la fraction 5,0 à 10,0 mm d’un gravier naturel pesant 1234 g. Après désintégration des mottes et lavage, l’échantillon séché ne pèse plus que 1212 g. Quelle est, en pourcentage, la teneur en mottes d’argile et en particules friables de cet échantillon ? SOLUTION
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CHAPITRE 5
5.4.5 La détermination de la teneur en particules légères La détermination de la teneur en particules légères a pour but d’établir le pourcentage de particules légères contenues dans les graviers et les sables naturels utilisés pour fabriquer du béton de ciment portland. Ces particules peuvent être d’origine organique ou se composer de minéraux altérés de faible densité. Pour réaliser cet essai, on utilise une technique empruntée au traitement des minerais dans certaines installations minières. On immerge l’échantillon dans un liquide dont la densité est comprise entre celle des particules saines qu’on veut recueillir (en général de l’ordre de 2,60 ou plus) et celle des matières légères qu’on veut éliminer (en général, les particules qui ont une densité inférieure à 1,5 ou 2,0). Le milieu dense utilisé dans cet essai est une solution aqueuse de chlorure de zinc dont on ajuste la densité à 2,0. Pour être conforme aux spécications dénies dans la norme CSA A23.1, un granulat pour béton ne doit pas contenir plus de 0,5 % ou 1,0 % de particules légères selon les conditions d’exposition du béton. EXEMPLE
5.2
On a émergé 3 234 g d’un échantillon sec de gros granulat, d’une dimension nominale maximale de 20 mm, d’une solution de chlorure de zinc (d = 2,0). On a ensuite recueilli avec une écumoire 182 g de particules ottantes. Quel est le pourcentage de particules légères (L) contenues dans ce gros granulat ? SOLUTION
5.5
Les propriétés délétères liées à l’environnement
5.5.1 La réactivité d’un granulat aux alcalis du ciment portland On parle de plus en plus des risques de réactions alcalis-granulats dans le domaine des granulats pour béton. Pourtant, ce n’est pas un problème nouveau qui ne concerne que les bétons les plus récents. En effet, on connaît depuis longtemps les effets parfois désastreux des réactions alcalis-granulats sur la durabilité
du béton, puisque, dès 1934, Stanton a découvert ce phénomène. Alors pourquoi parle-t-on de plus en plus de réactions alcalis-granulats de nos jours ? Mentionnons d’abord que depuis la mise en application des lois sur l’environnement, les cimentiers cherchent à recycler le maximum de poussières de four dans leur ciment, ce qui enrichit le ciment portland produit en alcalis. En effet, dans la zone de clinkérisation, les alcalis contenus dans les matières premières se volatilisent et, entraînés par les gaz de combustion, ils vont se condenser dans les zones froides du four et très souvent dans les poussières. Autrefois, ces poussières étaient éliminées, alors que maintenant, elles sont recyclées dans le ciment. L’amélioration de la qualité des bétons modernes peut aussi expliquer l’ampleur actuelle des risques liés aux réactions alcalis-granulats, car les bétons durent maintenant plus longtemps. Autrefois, certains facteurs tels que le gel-dégel et les agents de déverglaçage détérioraient nombre de bétons, et ce, bien avant l’apparition des réactions alcalis-granulats. Enn, ce surcroît de réactions alcalis-granulats dans certains pays peut aussi s’expliquer par le fait qu’on utilise de plus en plus le béton avec des granulats dont on ne vérie pas la qualité en matière de réactivité aux alcalis.
Les signes d’une réaction alcalis-granulats À l’échelle macroscopique, on aperçoit, à la surface du béton, une ssuration polygonale, un gonement du béton et des exsudations de gel blanc (voir les gures 5.1 a, b et c). Dans certains cas, le gonement du béton est tel qu’il nit par bloquer des vannes et des turbines dans les centrales hydroélectriques, etc. Lorsqu’on observe de tels bétons à l’échelle microscopique, on aperçoit d’abord la formation d’un gel gonant, soit dans la pâte, soit autour des granulats ou encore dans les granulats eux-mêmes. Ensuite, lorsque la formation de ce gel gonant prend de l’ampleur, on voit apparaître des ssures (voir la gure 5.1 d). Par contre, dans certains cas, si la réaction alcalis-granulats est limitée, elle peut être bénéque, car elle remplit les pores du béton et renforce l’auréole de transition entre le granulat et la pâte.
Les conditions essentielles à la production de réactions alcalis-granulats Pour qu’une réaction alcalis-granulats ait lieu, il faut trois conditions : • la réactivité du granulat ; • une forte présence d’alcalis dans le ciment ; • la présence d’humidité.
La durabilité et les matières délétères
Étant donné que les ciments contiennent toujours des alcalis (en plus ou moins grande quantité) et que la plupart du temps le béton est en contact avec de l’eau, le seul moyen d’éviter tout risque de réaction alcalis-granulats est de choisir des granulats non réactifs. En effet, on sait que, dans les ouvrages composés de granulats réactifs ou potentiellement réactifs, les cycles de mouillage-séchage, les cycles de gel-dégel, l’eau de mer, les sels de déglaçage, les champs magnétiques et les courants électriques créés par des lignes à haute tension peuvent promouvoir et accélérer le processus des réactions alcalis-granulats.
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alcalis-silice. Quant aux réactions alcalis-silice, elles se produisent avec diverses variétés de silice. De façon générale, la silice est instable dans un milieu à pH élevé, et les variétés peu cristallines hydratées ou plus poreuses sont les plus réactives. Cependant, certaines variétés de quartz très bien cristallisées peuvent être potentiellement réactives, mais à un degré moindre. C’est le cas des « quartz à extinction roulante ». Pourtant, certains chercheurs doutent que ce soit le caractère roulant de l’extinction qui soit le principal facteur de la réactivité de ces quartz.
Le types de réactions alcalis-granulats On distingue deux types de réactions alcalis-granulats : les réactions alcalis-carbonate et les réactions alcalis-silice.
Les réactions alcalis-silice engendrent des produits silico-calco-alcalins sous forme de gel ou des produits microcristallins qui ont la propriété de goner. Ces gonements entraînent une microssuration qui peut dégénérer en macrossures et conduire à la destruction totale du béton.
Dans le milieu scientique, le mécanisme responsable des réactions alcalis-carbonates fait toujours controverse. Certains attribuent la ssuration à la décomposition de certains cristaux de dolomite et au gonement ultérieur des minéraux argileux présents, alors que d’autres les considèrent comme une forme de réaction
Les roches potentiellement réactives au Québec Au Québec, les grès quartzitiques du groupe de Potsdam (utilisés pour construire la centrale hydroélectrique de Beauharnois et d’autres structures de la voie maritime du Saint-Laurent) sont des roches
FIGURE 5.1 Exemples de cas de réaction alcalis-granulats en Estrie
a) Sur la rive du lac Memphrémagog à Magog
c) Face nord d’une barrière médiane sur la rue King Ouest à Sherbrooke
b) Au centre hospitalier universitaire de Sherbrooke
d) Face sud de la même barrière médiane
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CHAPITRE 5
potentiellement réactives. Il en est de même des calcaires siliceux dans la région de Trois-Rivières et de certains calcaires dans les régions de Montréal et Québec. Dans les Appalaches, on trouve des tufs rhyolitiques, des schistes à chlorite et certains graviers ou roches de l’Estrie qui sont aussi réactifs. En règle générale, on retrouve moins de cas de réactivité alcaline associables aux roches du plateau laurentien utilisées comme granulats à béton.
3. En éliminant les sources d’humidité, ce qui n’est pas toujours facile.
Établir si un granulat est réactif On peut d’abord examiner à l’échelle macroscopique et microscopique des structures anciennes dont le béton renferme ce type de granulat. Cependant, lorsqu’il s’agit d’un granulat nouveau, il est nécessaire de faire une étude pétrographique complète et des essais de laboratoire spécialisés, accélérés ou non. Beaucoup de chercheurs et d’organismes de normalisation ont proposé des essais plus ou moins accélérés pour déterminer la réactivité d’un granulat. En règle générale, on peut accélérer la réaction entre le granulat analysé et les alcalis en augmentant la teneur en alcalis, la température, la pression (autoclave), l’humidité ou la surface spécique, ou encore en combinant plusieurs de ces facteurs. Les essais recommandés pour évaluer le potentiel de réactivité alcaline des granulats à béton sont l’examen pétrographique CSA A23.2-15A ou ASTM C295, les essais accélérés sur barres de mortier selon la norme CSA A23.2-25A et l’essai du prisme de béton selon la norme CSA A23.2-14A.
Cependant, il est préférable de faire appel à des laboratoires spécialisés pour effectuer une étude pétrographique des granulats et évaluer les possibilités de diminuer les risques de réaction alcalis-granulats.
Cependant, il faut être conscient des limites de ces essais : plus l’essai est accéléré, plus il s’éloigne des conditions réelles d’utilisation du granulat, et moins les conclusions qu’il donne sont ables.
La prévention des réactions alcalis-granulats On connaît quatre façons de prévenir les réactions alcalis-granulats : 1. En utilisant des granulats qui ne sont pas réactifs ou qui sont potentiellement très peu réactifs. 2. En recourant à des ciments à très faible teneur en alcalis ou, mieux encore, en limitant la teneur totale en alcalis du béton à des valeurs pouvant varier de 1,2 à 3,0 kg/m3, selon le niveau de risque encouru en fonction du degré de réactivité des granulats, de la nature de la structure à construire, de sa durée de vie anticipée et de la sévérité des conditions d’exposition auxquelles elle sera soumise (pratique normalisée CSA A23.2-27A).
4. En incorporant une quantité sufsante d’ajouts cimentaires efcaces. C’est le cas par exemple de certaines cendres volantes, certains laitiers et des fumées de silice. Des adjuvants chimiques tels que le nitrate de lithium se sont également montrés efcaces avec certains types de granulats lorsqu’utilisés à des dosages sufsants.
On sait maintenant que l’utilisation d’un ciment seul à basse teneur en alcalis n’est plus nécessairement un gage de succès dans la lutte contre les réactions alcalis-granulats dans le béton. De même les fumées de silices dans les dosages actuels usuels de 7 à 8 % ne font que retarder la réaction alcalis-granulats plutôt que de la prévenir de façon efcace à long terme. La meilleure utilisation des fumées de silice est à l’intérieur d’un système ternaire, c’est-à-dire fumée de silice + laitier ou fumée de silice + cendres volantes. De tels ciments composés sont disponibles sur le marché à des coûts supérieurs aux ciments ordinaires avec des ajouts cimentaires. La détérioration prématurée de certains bétons de la région de Sherbrooke montrée dans la gure 5.1 (voir page précédente) est due à des réactions alcalis-granulats provoquées par des granulats extraits d’une seule carrière de la région de Sherbrooke à une époque où l’on ne vériait pas systématiquement la réactivité des granulats aux alcalis du ciment portland. À partir du moment où l’on a déterminé la cause de la détérioration prématurée de certains bétons de la région, cette carrière n’a produit que des granulats pour enrobés bitumineux. Il est intéressant de comparer les dégradations observées sur les faces nord et sud de la même barrière médiane sur les exemples c) et d) de la gure 5.1 (voir page précédente) et de constater que la face nord est nettement moins endommagée que la face sud. En effet, la face nord de l’ouvrage a été exposée à un moins grand nombre de cycles de gel et dégel que la face sud, étant donné qu’elle ne bénécie pas du réchauffement du soleil en hiver. Le béton a commencé à se ssurer sous l’effet de la réaction alcalis-granulats. Ensuite, les cycles répétés de gel et dégel ont accéléré la ssuration jusqu’à ce que celle-ci atteigne les barres d’acier d’armature. Sous
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FIGURE 5.2 Réactions causées par la pyrite dans les remblais
a) Cristaux d’ettringite à proximité d’un granulat
l’action de l’oxygène, de l’eau et des sels déverglaçants, ces armatures ont très vite commencé à rouiller et à provoquer l’éclatement du béton. L’état de dégradation avancée ne permettait pas dʼenvisager une réparation de la barrière médiane. Il a fallu démolir et reconstruire, mais cette fois-ci avec un granulat qui ne réagit pas avec les alcalis du ciment.
5.5.2 Les dommages causés par les sulfures de fer À la n des années 1990 et au début des années 2000, un certain nombre de propriétaires de maisons individuelles dans les régions de Montréal et de TroisRivières se sont trouvés aux prises avec de graves problèmes liés à l’altération de matériaux de remblayage contenant de la pyrite et de granulats à béton contenant de la pyrite (FeS2) et de la pyrrhotite (Fe1–xS). Ce nʼétait pas la première fois que survenaient ces problèmes puisque, dans les années 1980, des déblais des lignes du métro, qui contenaient de la pyrite, avaient aussi causé quelques problèmes sur l’île de Montréal.
b) Cristaux d’ettringite qui ont envahi une bulle d’air
·
·
· · ·
(CaSO4 2H2O), de l’ettringite (6CaO Al2O3 3SO3 32H2O) (voir la gure 5.2) ou de la goethite (FeO OH). Ces gonements sont destructeurs lorsque les granulats contenant de la pyrrhotite sont connés ou enchâssés dans un milieu basique comme le béton. En effet, les pressions qu’exercent ces gonements sont telles que les bétons de 20 à 25 MPa utilisés dans la construction des sous-sols des maisons ne peuvent y résister. Le phénomène est d’ailleurs aggravé quand la répartition de la pyrrhotite n’est pas uniforme, car il se produit alors des gonements différentiels (voir les gures 5.3, ci-dessous, et 5.4, page suivante). Voyons nalement deux problèmes liés à la présence de pyrite dans les granulats utilisés pour remblayer les excavations, pour construire des dalles de sous-sol à Montréal ou pour fabriquer le béton de solage à Trois-Rivières. FIGURE 5.3 Soulèvement et ssuration causés par l’utilisation de matériaux de remblayage contenant de la pyrite
La pyrite est un sulfure de fer qui cristallise en petits cubes brillants à la lumière. La pyrrhotite est un sulfure de fer qui peut être encore plus instable, car elle présente une légère décience cristallographique. Même si ces minéraux sont stables dans les roches-mères qui les hébergent, ils peuvent s’altérer rapidement lorsqu’on modie leurs conditions environnementales. En effet, en présence d’eau et d’oxygène ou d’un environnement basique que l’on trouve dans la pâte de ciment hydratée, la pyrite et la pyrrhotite s’altèrent pour former des matériaux gonants1, notamment du gypse avec la pyrite, s’il y a des carbonates 1. Dans leurs publications, les auteurs Jean Bérard, Arezki Tagnit-Hamou, Josée Duchesne et leurs collaborateurs expliquent en détail les réactions chimiques complexes qui entraînent le gonement des matériaux.
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CHAPITRE 5
FIGURE 5.4 Dommages causés par la présence de pyrite dans le matériau de remblayage
FIGURE 5.5 Remblais contenant de la pyrite
a) Présence de gypse dans un remblai
b) Fissuration d’une dalle de béton sous l’effet du gonement du remblai
L’utilisation de remblais de maison contenant de la pyrite sur la Rive-Sud de Montréal À la n des années 1990, des milliers de propriétaires de maison individuelle de la Rive-Sud de Montréal ont eu un problème de matériau de remblayage gonant qui a sérieusement endommagé les fondations de leur maison. Les dalles de leur sous-sol se sont mises à se soulever et à craquer, ce qui a créé de nombreuses ssures dans la partie supérieure de leur maison (voir la gure 5.5). En fait, les excavations autour de ces maisons individuelles avaient été remblayées avec des matériaux granulaires provenant de carrières de la Rive-Sud. Ces granulats ne pouvaient servir de remblais routiers, mais des entrepreneurs de constructions résidentielles avaient vu là une source bon marché de matériaux de remblayage. Malheureusement, ce shale contenait toujours de la pyrite susceptible de s’oxyder en présence d’eau et de générer de l’acide sulfurique, qui réagit avec la calcite pour donner du gypse (CaSO4 2H2O), un matériau bien connu pour ses propriétés gonantes. Le manque d’uniformité du contenu en pyrite du remblayage a engendré des gonements différentiels qui ont endommagé les fondations et la structure des maisons. Un gonement uniforme n’aurait fait que soulever les maisons.
·
c) Décollement de tuiles de vinyle sous l’effet du gonement d’un remblai
Dans les cas les plus graves, il a été nécessaire de reconstruire complètement et à grands frais les soussols et d’enlever tout le matériau de remblayage contaminé utilisé dans le remblayage initial pour le remplacer par du remblai sain (voir la gure 5.6). Le comité Pyrite, formé en 1997, a établi des normes pour sélectionner des granulats inertes au gonement, en dénissant, par observation visuelle, un indice pétrographique du potentiel de gonement (IPPG) qui doit
La durabilité et les matières délétères
être inférieur à 10. Ce comité, regroupant plusieurs associations, regroupements citoyens, universités, laboratoires, rmes dʼingénierie, et plus, a travaillé, entre autres, sur les méthodes d’essais du Bureau de Normalisation du Québec, NQ 2560-500 et NQ 2560-510.
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FIGURE 5.6 Soulèvement d’une maison en vue de la reconstruction du sous-sol
La destruction du béton des solages de maison dans la région de Trois-Rivières À la même époque, plus de 600 résidences individuelles de la région de Trois-Rivières ont vu le béton de leur solage commencer à se ssurer sérieusement, deux à six ans après leur construction (voir la gure 5.7). Comme dans le cas de la Rive-Sud, l’analyse de la cause de cette ssuration a révélé la présence de pyrite et surtout de pyrrhotite dans l’anorthosite concassée utilisée comme granulat pour fabriquer les bétons de 25 et 30 MPa utilisés dans la construction de ces maisons. Josée Duchesne et Benoît Fournier de l’Université Laval ont étudié en profondeur ce phénomène de gonement. Dans ce cas particulier, la présence de feldspaths et de micas dans l’anorthosite semble avoir accéléré le processus de formation des minéraux gonants, d’après Arezki Tagnit-Hamou de l’Université de Sherbrooke. Malheureusement pour les propriétaires de ces maisons, la seule solution a été de remplacer toute la partie bétonnée de leur sous-sol et de réparer les dommages. Un cas apparemment semblable de présence de pyrrhotite dans un granulat à béton a récemment été découvert dans la région de Hartford, au Connecticut, dans un ensemble résidentiel comportant de 2 000 à 3 000 résidences.
La norme NQ 2560-500/2003 Pour éviter que de tels incidents ne se reproduisent, le Bureau de normalisation du Québec (BNQ) a émis la norme NQ 2560-500/2003. Publiée en 2003 et révisée en 2006, cette norme permet dʼétablir l’indice pétrographique du potentiel de gonement (IPPG) des matériaux granulaires. Cependant, cette norme ne concerne que le gonement causé par la pyrite. Aucune norme n’existe pour l’attaque sulfatique causée par la pyrrhotite. Des normes européennes limitent la teneur en soufre dans les granulats à 0,1 % s’il s’agit de la pyrrhotite, alors que la teneur en soufre est limitée à 1 % pour la pyrite (Norme NF EN 12 620). Deux comités CSA et BNQ travaillent actuellement pour établir des normes canadiennes et québécoises et déterminer la teneur maximale en pyrite et pyrrhotite que peut contenir un granulat pour béton.
FIGURE 5.7 Sous-sol endommagé par une réaction de la pyrrhotite contenue dans le gros granulat utilisé pour fabriquer le béton
a) Fissuration observée sur les murs du sous-sol
b) Fissuration observée sur une dalle de béton
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CHAPITRE 5
RÉSUMÉ Il est tout aussi important dʼétablir la durabilité des granulats que de vérier la conformité de leur granulométrie aux exigences des normes qualitatives. On évalue la durabilité des granulats au moyen d’essais accélérés de laboratoire effectués dans des conditions différentes des conditions naturelles. Cependant, grâce à l’expérience acquise, on peut utiliser ces essais comme des guides sûrs. La durabilité des granulats est non seulement fonction de leurs caractéristiques physicochimiques, mais aussi de l’environnement dans lequel ils se trouvent. La résistance d’un granulat à l’abrasion se détermine au moyen de l’essai Los Angeles ; sa résistance à l’attrition se mesure à l’aide de l’essai micro-Deval ; et sa résistance à l’écrasement s’évalue au moyen de l’essai de friabilité. On exprime les résultats de chacun de ces essais en pourcentage de perte. La résistance au polissage, un facteur de sécurité important en matière de revêtement routier, est évaluée au moyen du coefcient de polissage par projection. La durabilité des granulats peut être modiée par la présence de faibles quantités de matières contaminantes. C’est pour cette raison qu’on tient à s’assurer que les sables pour béton ne contiennent pas trop de matières organiques susceptibles d’entraver la réaction d’hydratation du ciment portland. Pour y parvenir, on effectue un essai colorimétrique. Si l’on veut connaître, de façon quantitative, la présence de matières organiques dans un sol ou un sable pour béton, on peut utiliser la méthode de perte par ignition, qui est valable pour les granulats siliceux, ou la méthode par oxydation au bichromate de potassium, d’application plus générale. On doit aussi évaluer la quantité de particules argileuses contenue dans un granulat, car ces particules peuvent nuire à l’adhérence entre le granulat et le liant qu’on utilise, que ce soit de la pâte de ciment portland ou du bitume. Il est très important de s’assurer que les granulats qu’on compte utiliser pour fabriquer un béton de ciment portland ne réagissent pas avec les alcalis du ciment. Enn, il est indispensable de mesurer l’indice pétrographique du potentiel de gonement (IPPG) des granulats an que ne se reproduisent plus d’incidents causés par la présence de pyrite dans des granulats. Il est donc essentiel d’évaluer avec certitude la durabilité des granulats, puisque celle-ci conditionne la durabilité des ouvrages de génie civil. Il ne suft pas de s’assurer que les granulats aient une granulométrie adéquate lors de leur utilisation ; il faut aussi s’assurer qu’ils ne vont pas se désagréger avant la n de la durée de vie normale de l’ouvrage.
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La durabilité et les matières délétères
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CHAPITRE 5
QUESTIONS DE RÉVISION 1. Pourquoi faut-il s’assurer que les granulats sont durables ? 2. Quand peut-on considérer qu’un essai accéléré pour évaluer la durabilité d’un granulat est valable ? 3. Pourquoi une trop grande quantité de particules nes ou d’argile peut-elle nuire à l’utilisation de certains gros granulats ? 4. Quelle est la perte maximale acceptable lorsqu’on effectue un essai d’abrasion Los Angeles ? 5. Quelles différences majeures y a-t-il entre l’essai Los Angeles et l’essai micro-Deval ? 6. Quelle est l’utilisation des résultats de l’essai CPP ? 7. Que signie l’expression « matières délétères » ? 8. Quelle est la méthode la plus précise pour déterminer le pourcentage de carbone contenu dans un granulat ?
PROBLÈMES 1 La perte au tamis de 1,70 mm d’une prise d’essai de 5 000 g d’un granulat calcaire est de 1 000 g. Quel est le pourcentage de perte Los Angeles ? Ce granulat peut-il être utilisé pour construire la fondation d’une chaussée ? 2 Un sable pour béton a un indice colorimétrique égal à 4. Cependant, lorsqu’on fabrique des cubes de mortier selon la norme CSA A23.2-8A, les cubes fabriqués avec ce sable s’avèrent avoir la résistance voulue. Ce sable pour béton est-il acceptable ? 3 Un gros granulat calcaire concassé dans un concasseur à marteau contient 2,5 % de particules nes qui traversent un tamis de 80 µm. Si on utilise ce granulat pour la fabrication de béton de ciment, faut-il le rejeter parce qu’il contient trop de particules qui traversent un tamis de 80 µm ? Faut-il le laver ? Faut-il l’accepter tel quel ? 4 Un granulat n contient 1,5 % de particules friables. Peut-on utiliser un tel granulat pour fabriquer du béton de ciment portland et du béton bitumineux ? 5 Donnez le grade d’essai, les masses à insérer ainsi que la masse totale de la prise d’essai pour effectuer l’essai Los Angeles sur le granulat suivant :
L’inuence de la granulométrie sur les propriétés physiques d’un granulat SOMMAIRE
6.1 L’assemblage de sphères dans l’espace 6.2 L’inuence de la granulométrie sur la compacité des sols 6.3 L’inuence de la granulométrie sur la perméabilité 6.4 L’inuence de la granulométrie d’un sol sur sa capillarité 6.5 L’inuence de la granulométrie d’un matériau sur sa gélivité
La granulométrie d’un matériau granulaire inue sur bon nombre de ses propriétés physiques et pratiques, notamment sa compacité, sa perméabilité, sa capillarité et son comportement à l’égard du gel. Avant d’étudier l’inuence de la granulométrie des granulats sur leurs diverses propriétés, nous allons d’abord présenter certaines considérations théoriques à partir de modèles idéalisés de granulats constitués d’assemblages de sphères lisses et rigides dans l’espace.
CHAPITRE
6
92
6.1
CHAPITRE 6
L’assemblage de sphères dans l’espace
Évidemment, il est extrêmement rare de trouver des particules de granulat sphériques dans la nature. Cependant, les lois qui gouvernent les assemblages de sphères peuvent s’appliquer aux assemblages de particules de forme plus irrégulière tels que les granulats naturels ou manufacturés. À la suite d’études faites par les minéralogistes sur les assemblages de sphères dans l’espace, il est possible de considérer que tous les matériaux solides et tous les minéraux sont en fait un assemblage d’ions sphériques de même dimension dans le cas des corps purs, ou de dimensions différentes dans le cas des minéraux composés.
6.1.1 Les cas de sphères uniformes Dans cet ouvrage, l’expression « sphères uniformes » désigne des sphères de diamètre identique. L’étude des assemblages des ions sphériques qui forment les minéraux a permis aux minéralogistes de découvrir un certain nombre de systèmes d’assemblage. Cette section portera sur deux de ces systèmes d’assemblage dont il est facile de calculer la porosité : l’assemblage cubique simple et l’assemblage cubique à faces centrées.
L’assemblage cubique simple La gure 6.1 illustre l’assemblage cubique simple. Dans ce système, le volume du cube équivaut à (2r)3 = 8r3, puisque a = 2r. Le volume des 8 huitièmes de sphère qui ont leur centre aux 8 sommets de la maille élémentaire est donc égal à 8 ×
de sphère, soit
l’équivalent d’une sphère de rayon r, c’est-à-dire La porosité de l’assemblage équivaut donc à : FIGURE 6.1 Assemblage cubique simple
Dans un tel assemblage de sphères, les particules occupent un peu moins de la moitié du volume. De tous les types d’assemblage de sphères uniformes, c’est celui qui présente la porosité la plus grande. Notez que la porosité de cet assemblage est indépendante du diamètre des sphères. Que les sphères soient petites ou grosses, on obtient un assemblage dont la porosité est constante si les sphères dans cet assemblage ont toutes le même diamètre.
L’assemblage cubique à faces centrées Dans l’assemblage cubique à faces centrées de la gure 6.2, le volume du cube équivaut encore à a3. À l’intérieur de la maille élémentaire, il y a 6 demisphères (une au centre de chaque face) et 8 huitièmes de sphère (un à chaque sommet) pour un total de 6×
+ 8 × , soit l’équivalent de 4 sphères de rayon r.
Dans le cube de côté a, le volume occupé par les sphères est égal à
La diagonale d’une face du cube est égale à encore à 4r. Le rapport
est donc égal à
, ou
L’inuence de la granulométrie sur les propriétés physiques d’un granulat
La porosité de l’assemblage cubique à faces centrées correspond donc à
En divisant le numérateur et le dénominateur par a3, on obtient
ou encore
soit
Cet assemblage est plus compact que le précédent, et sa porosité est, elle aussi, indépendante du diamètre des sphères. De tous les systèmes d’assemblage de sphères uniformes, l’assemblage cubique à faces centrées est le plus compact qui puisse exister. Ainsi, la porosité d’un granulat uniforme à grains sphériques (par exemple, le sable d’Ottawa qu’on utilise pour faire des cubes de mortier normalisés) sera toujours supérieure à 26 %, et ce, quel que soit le degré de compaction qu’il subit. On peut donc conclure que la porosité d’un assemblage de sphères uniformes ne dépend que de son système d’assemblage.
L’assemblage naturel de sphères uniformes Si, au lieu de ranger les sphères une à une selon un des deux modèles précédents, on les jette au hasard dans un volume sufsamment grand pour pouvoir négliger les effets de paroi, on obtient un assemblage dont la porosité FIGURE 6.2 Assemblage cubique à faces centrées
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se situe entre celle de l’assemblage cubique simple et de l’assemblage cubique à faces centrées. En théorie, la porosité d’un granulat uniforme à particules sphériques se situe entre 26 et 48 %. Ce résultat est d’autant plus probable dans le cas d’un granulat naturel que sa granulométrie est uniforme et que ses particules sont sphériques. Cependant, dans le cas des granulats, les sphères sont rugueuses et déformables au lieu d’être lisses et rigides comme dans les modèles idéals de notre étude théorique. Il peut alors se former des voûtes métastables susceptibles de donner à l’assemblage une porosité supérieure à la porosité théorique maximale de l’assemblage cubique simple. Ces voûtes doivent leur stabilité apparente soit au frottement d’une sphère sur l’autre, soit au coinçage d’une sphère par plusieurs autres. C’est ce qui explique, par exemple, la structure en nid d’abeille des sédiments ns en voie de formation et la porosité très élevée de certaines argiles sensibles du Québec, laquelle peut dépasser 65 % dans certains cas. La compaction d’un granulat consistera justement à éliminer ces effets de voûte soit par vibration, soit par pression ou par action combinée pression-vibration.
6.1.2 Les cas de sphères non uniformes Si, dans un assemblage de grosses sphères uniformes, on en introduit de plus petites (voir la gure 6.3, page suivante), on constate qu’il est facile de diminuer la porosité de l’assemblage. Aussi, on peut observer dans notre représentation schématique qu’on peut introduire des sphères de plus petits diamètres dans les espaces vides situés entre les grosses sphères. Dans un assemblage de grosses sphères, il est possible de calculer le rapport critique de passage d’une petite sphère, c’est-à-dire le diamètre de la plus grosse sphère qui peut glisser librement dans l’assemblage de grosses sphères sans le modier. On peut aussi calculer le rapport critique d’occupation, c’est-à-dire le diamètre de la plus grosse sphère qu’on peut insérer dans les espaces libres de l’assemblage.
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CHAPITRE 6
FIGURE 6.3 Introduction de petites sphères dans l’espace libre entre trois grosses sphères
Dans le cas simple d’un mélange binaire de sphères de dimensions sensiblement différentes, on constate que la porosité passe en général par un minimum lorsque le mélange est composé de grosses sphères dans des proportions de 60 à 70 %. Il est donc possible d’optimiser la granulométrie des mélanges de granulats pour béton de ciment an d’en diminuer la porosité au maximum. De même, ce minimum est d’autant plus prononcé que le rapport des diamètres est élevé (voir la gure 6.4).
6.1.3 Les résultats expérimentaux sur la porosité des granulats naturels Les particules des granulats sont loin d’avoir une forme sphérique et, comme nous l’avons déjà souligné, elles n’ont jamais toutes le même diamètre. Les particules des granulats naturels sont plutôt arrondies, alors que les particules des granulats manufacturés sont très souvent anguleuses. Néanmoins, les principales conclusions de l’étude théorique des assemblages de sphères uniformes s’appliquent aussi aux granulats naturels. 1. La porosité d’un granulat n uniforme est la même que celle d’un gros granulat uniforme. 2. La porosité d’un granulat dépend surtout de la variété de la taille des grains. Plus la taille des particules est uniforme, plus la porosité est grande. Par contre, si de plus petits grains se logent entre les plus gros grains, la porosité du mélange diminue. 3. La porosité d’un granulat dépend de la forme de ses grains. Des grains de forme irrégulière qui peuvent s’arc-bouter les uns sur les autres risquent de laisser des vides plus grands que ceux que l’on observe dans un assemblage cubique simple de sphères uniformes, lequel devrait en principe présenter la porosité maximale. L’étude de la porosité de mélanges de granulats pour béton conrme ces résultats. Un mélange binaire de granulats ns et gros est plus compact que chacun des granulats pris individuellement. De plus, la proportion de sable et de gros granulats contenus dans les mélanges contribue à en diminuer la porosité maximale dépendamment de la granulométrie de ces deux composants et de la forme de leurs particules respectives.
FIGURE 6.4 Pourcentage de vide dans des mélanges de granulats pour béton
L’inuence de la granulométrie sur les propriétés physiques d’un granulat
6.1.4 La granulométrie continue et discontinue Dans la plupart des bétons prêts à l’emploi, on utilise depuis très longtemps des granulats naturels ou concassés bon marché présentant des granulométries continues, ce qui facilite leur fabrication et abaisse les coûts de production. Des spécialistes comme Fuller et Thomson (1907) aux États-Unis et Bolomey (1935), Faury (1935) et Caquot (1937) en France en sont venus à recommander l’utilisation de granulats dont les courbes granulométriques étaient comprises dans des fuseaux normalisés. Dans le cas des bétons à ultra-haute performance, Richard et Cheyrezy (1994) en sont arrivés à la conclusion que le meilleur moyen d’augmenter la compacité de leur mélange granulaire était d’utiliser un squelette granulaire présentant une granulométrie discontinue. Concrètement, pour augmenter la densité du squelette granulaire, le diamètre moyen des grains d’une classe granulaire donnée relativement uniforme doit être 12 à 13 fois plus gros (ou plus n) que le diamètre moyen des deux classes granulométriques discontinues adjacentes dans le mélange considéré. De façon pratique, on retiendra que le rapport moyen doit être égal à un facteur de l’ordre d’environ 10. Cette remarque ne veut pas dire que l’on doit se mettre à utiliser des granulats à granulométrie discontinue pour fabriquer des bétons prêts à l’emploi. Cependant, dans des cas spéciaux où la compacité granulaire est fondamentale, c’est une option à considérer.
6.2
L’inuence de la granulométrie sur la compacité des sols
La porosité des granulats utilisés en génie civil augmente chaque fois qu’on les remanie. Si on ne prend aucune précaution au moment de leur mise en place nale, on s’expose à de graves problèmes de tassement qui peuvent menacer la stabilité à long terme de l’ouvrage et conduire à des affouillements internes, car l’eau peut les traverser très facilement. Le tassement d’un granulat provient d’un accroissement de sa compacité. Cet accroissement peut résulter : • d’un meilleur arrangement interne des particules qui le composent ;
95
• d’une rupture par épaufrures des grains les plus gros et les plus fragiles ; • de l’élimination d’une certaine quantité d’eau interstitielle. Compacter un granulat consiste donc à améliorer l’assemblage de ses particules pour réduire son volume apparent. Cette opération se fait sur chantier à l’aide de rouleaux vibrants, de rouleaux à pneus ou d’instruments plus petits tels que des plaques vibrantes ou des dames à impact pour compacter les granulats dans des espaces plus restreints. En mécanique des sols, la teneur en eau d’un granulat joue un rôle important au moment de sa compaction. Si le matériau est trop sec, il n’y a pas assez d’eau pour lubrier toutes les particules. Si, par contre, il y en a trop, l’eau emmagasine une forte proportion de l’énergie de compactage sous forme de pression hydrostatique au passage du rouleau. Cette pression est ensuite dissipée dès que l’effort extérieur ne s’applique plus. Il faut donc trouver la teneur en eau optimale pour compacter un sol. Cette teneur en eau se nomme l’« optimum Proctor », du nom de l’essai qui permet de la déterminer. La teneur en eau optimale (ωopt) permet donc d’atteindre la masse volumique sèche maximale (ρdmax), c’est-à-dire la masse volumique à laquelle l’indice des vides du sol est réduit au minimum. La granulométrie du matériau joue aussi un rôle non négligeable au moment de la compaction des granulats. Par exemple, il est bien connu que les sols uniformes dont le coefcient d’uniformité est inférieur à 2 se compactent très mal. Ce problème vient du fait, comme nous l’avons vu précédemment, que la porosité d’un ensemble de particules de même dimension (granulométrie serrée) est toujours beaucoup plus élevée que celle d’un matériau à granulométrie étalée (dont les particules ne sont pas de même dimension). La façon dont se répartissent les proportions respectives des différentes particules dans un granulat inue aussi sur sa compacité. Ainsi, on constate que les granulats plus grossiers dont la courbe granulométrique est creuse (c’est-à-dire dont la concavité est tournée vers le haut) permettent d’obtenir des matériaux plus compacts. Par contre, ceux dont la courbe granulométrique est pleine (c’est-à-dire dont la concavité est dirigée vers le bas) se compactent moins bien (voir la gure 6.5, page suivante). Un matériau dont la granulométrie est bien graduée, c’est-à-dire dont la
96
CHAPITRE 6
FIGURE 6.5 Inuence de la granulométrie sur la compacité d’un sol
types de travaux à réaliser. Par exemple, pour des travaux de drainage, on recherche des matériaux très perméables qui facilitent l’élimination de l’eau du sol. Par contre, la construction du noyau étanche d’un barrage en terre et enrochement exige l’emploi de granulats les plus imperméables possible. Enn, dans certains cas, il peut être nécessaire de modier la perméabilité des matériaux en place par des travaux d’injection pour abaisser leur perméabilité à un niveau satisfaisant. Avant d’étudier l’inuence de la granulométrie sur la perméabilité d’un granulat, il nous faut rappeler quelques principes fondamentaux qui régissent l’écoulement de l’eau dans les sols.
6.3.1 La loi de Darcy Dans un matériau granulaire, la vitesse d’écoulement de l’eau v est proportionnelle au gradient hydraulique i, qui représente la perte de charge par unité de longueur. La perte de charge (donnée en unité de longueur) exprime la perte d’énergie causée par le frottement de l’eau quand celle-ci traverse le sol. La formulation mathématique de la loi de Darcy est : v=ki proportion des différentes grosseurs de particules est semblable, aura donc un arrangement plus compact en combinaison avec son étalement granulométrique. Un matériau se compacte donc d’autant mieux que sa granulométrie est bien graduée, qu’elle est étalée et que sa teneur en eau correspond à celle de l’optimum Proctor. Par contre, chaque fois qu’on doit mettre en œuvre des matériaux à granulométrie uniforme, on fait face à d’importants problèmes de compactage, comme dans le cas des sables de dune.
6.3
L’inuence de la granulométrie sur la perméabilité
La perméabilité d’un granulat représente la facilité avec laquelle ce matériau peut se laisser traverser par un liquide, en général, l’eau. La perméabilité des granulats utilisés en génie civil varie en fonction des
où k représente le coefcient de perméabilité. Le coefcient de perméabilité a les dimensions d’une vitesse, aussi exprime-t-on k en m/s ou en cm/s. En mécanique des uides, on démontre que ce coefcient dépend à la fois des caractéristiques du milieu poreux et du uide. Intuitivement, on sait qu’une huile épaisse s’écoule plus difcilement que l’eau dans le même matériau granulaire. On sait aussi que plus un matériau granulaire est dense, moins il offre de possibilités à l’eau de le traverser facilement.
6.3.2 La relation entre le coefcient de perméabilité k et la granulométrie En étudiant les écoulements uides dans les milieux poreux, Kozeny et Carman ont montré que le coefcient de perméabilité d’un granulat pouvait s’exprimer de la façon suivante :
L’inuence de la granulométrie sur les propriétés physiques d’un granulat
où ρw
représente la masse volumique de l’eau (kg/m3) ;
g
l’accélération gravitationnelle (9,81 m/s2) ;
µ
la viscosité dynamique de l’eau (Pa∙s) ;
C
une constante qui dépend de l’uniformité de la granulométrie de l’arrangement et de la forme des particules pour un sol ayant une granulométrie homogène ; cette valeur est d’environ 0,2 ;
S
la surface spécique des particules (m2/kg) ;
e
l’indice des vides.
Étant donné que la surface spécique d’un granulat est inversement proportionnelle au diamètre de ses particules (plus les particules sont petites, plus leur surface spécique est grande), on peut dire, en première approximation, que la perméabilité d’un granulat est proportionnelle au carré de la dimension de ses particules. Pour cette raison, la formule empirique la plus utilisée en génie civil pour relier la perméabilité d’un granulat et sa granulométrie est la formule de Hazen : k = 100 (D10)2 (en cm/s) (en cm) FIGURE 6.6 Inuence de la granulométrie des matériaux granulaires sur leur perméabilité
97
où D10 représente le diamètre effectif à 10 %. Il est bon cependant de rappeler que cette formule a été mise au point dans le cas de sables à granulométrie très serrée dont le coefcient d’uniformité est inférieur à 5 et dont le diamètre D10 varie entre 0,1 mm et 3 mm. La formule de Hazen indique que ce sont avant tout les éléments les plus ns qui inuent sur les mouvements de l’eau dans les granulats. Cependant, il ne faut pas oublier que le coefcient de perméabilité dépend aussi d’autres caractéristiques des particules qui composent le matériau, par exemple : • leur forme ; • leur assemblage ; • leur nature pétrographique ; • la rugosité de leur surface. On peut donc déduire que plus les grains d’un granulat sont gros et de dimension uniforme, plus le coefcient de perméabilité k est grand. Inversement, plus les grains sont ns, plus la perméabilité est faible (voir la gure 6.6). En outre, un granulat constitué de grains polis et arrondis est plus perméable qu’un matériau de même granulométrie, mais dont les particules sont angulaires (voir la gure 6.7). FIGURE 6.7 Inuence de la forme des particules sur la perméabilité d’un matériau granulaire
98
CHAPITRE 6
6.3.3 La perméabilité de quelques matériaux usuels Le tableau 6.1 donne la perméabilité moyenne de certains matériaux usuels. Pour se représenter plus facilement l’ordre de grandeur des perméabilités, on se rappellera que 10 –6 cm/s = 30 cm/année. Par convention, on a xé à 10–11 cm/s le niveau d’imperméabilité. Toutefois, il faut bien savoir qu’aucune roche n’est absolument imperméable. La gure 6.8 illustre la coupe schématique d’un barrage semblable à ceux de la baie James. Nous avons reporté sur le schéma la perméabilité moyenne des différents matériaux utilisés.
TABLEAU 6.1 Perméabilité moyenne de certains matériaux usuels Nature du matériau Gravier
Perméabilité en cm/s 10 –1 < k 1,6d
1,4d ≤ D ≤ 1,6d
1,6D
100
100
D
85-99
80-99
25-75 classe serrée (D < 2,5d) 33-66 classe étalée (D ≥ 2,5d) d 0,6d
1-15
1-20
Classe serrée D < 2,5d
Classe étalée D ≥ 2,5d
14
10
35
25
14
10
< 3 % si D > 5 mm ; < 5 % si D ≤ 5 mm
1,6D
100
( < 2,5 mm)
D
85-99
Exemples : 0-2,5 mm 0-5 mm 0-10 mm 0-14 mm 0-20 mm
Tamis intermédiaires entre 2,5 mm et D 80 μm
Étendue maximale du fuseau de régularité (%)
10 20 4 si passant ˂ 12 6 si passant ≥ 12
114
CHAPITRE 7
de spécication à partir de matériaux dont la régularité est maîtrisée, et d’optimiser leur production en élaborant un nombre minimal de classes granulaires plutôt que de produire un large éventail de calibres. Par exemple, à partir des classes granulaires 0/5, 5/10 et 10/20, on peut reconstituer un matériau de fondation (type MG 20) et, en modiant ses proportions, on peut reconstituer la granularité d’un enrobé de type GB-20, tout en satisfaisant au critère du nombre minimal de classes granulaires. Par ailleurs, en prenant les classes 5/10 et 10/20, on peut reconstituer le calibre BC 5-20 utilisé pour les bétons de ciment portland. La classication selon les classes granulaires favorise donc l’obtention de produits conformes et de qualité constante. Le tableau 7.4 donne les exigences granulométriques pour les différentes classes granulaires déterminées à partir des critères d’appartenance de la norme 2101.
b) la résistance à l’abrasion (fragmentation par chocs et par frottements réciproques) mesurée au moyen de l’appareil Los Angeles (perte Los Angeles exprimée en pourcentage). 2. Leurs caractéristiques de fabrication dénies par : a) l’angularité (mesurée par le pourcentage de particules fracturées dans le matériau) et la texture ; des particules non fracturées ont une texture lisse tandis que des particules fracturées présentent des faces plus rugueuses et des arêtes vives ; b) la forme mesurée par le pourcentage de particules plates et le pourcentage de particules allongées.
La classication des granulats ns Les granulats ns sont classés en catégories seulement selon leurs caractéristiques intrinsèques dénies par : a) le pourcentage d’usure par attrition en présence d’eau du matériau mesuré avec l’appareil micro-Deval ;
La classication des gros granulats Les gros granulats sont classés en catégories selon : 1. Leurs caractéristiques intrinsèques dénies par :
b) la résistance à la rupture et aux chocs (fragmentation et écrasement simultanés) en présence d’eau dénie par un coefcient de friabilité mesuré au moyen de l’appareil micro-Deval.
a) le pourcentage d’usure par attrition (frottements mutuels) des particules en présence d’eau mesuré avec l’appareil micro-Deval ;
TABLEAU 7.4 Fuseaux granulométriques déterminés à partir des critères d’appartenance aux classes granulaires d/D et 0/D Classes granulaires
% passant le tamis (mm) 28
20
14
10
5
2,5
1,25
100
85-99
1-15
35 et ≤ 50
> 50 et ≤ 85
> 85
Granulats naturels (GN)
LC 21-901
≥ 35
< 50
> 35 et < 85
< 55
< 65
< 50
< 15
Utilisations possibles 2
% en masse de constituants
• Remblai
• Sous-fondation
• Remblai
• Transition
• Fondation
• Accotement
• Couche anticontaminante
• Couche de roulement granulaire
• Couche ltrante • Cousin et enrobage de conduit
• Accotement
Source : Tiré de la norme NQ 2560-600. La notation BA s’applique aux matériaux recyclés qui contiennent plus de 1 % de briques d’argile.
1. Le diamètre maximal des particules ne doit pas dépasser 125 mm. 2. Dans la norme de référence, les utilisations présentées le sont seulement à titre informatif. Pour faire un choix avisé, il faut se référer aux documents techniques appropriés. On trouve aussi dans la norme, toujours à titre informatif, des exemples d’utilisation des matériaux recyclés en fonction de leur catégorie MR.
131
Les critères d’utilisation des granulats
B ou C, où les matériaux recyclés peuvent servir au remblayage des terrains ou de matériaux d’infrastructure routière. Pour ce faire, un essai de lixiviation doit être effectué sur les matériaux recyclés an de mesurer le taux de contaminants dans le matériau. L’essai de lixiviation est un essai qui mesure le taux de contaminants dans un liquide après que celui-ci ait percolé à travers le matériau à l’essai. Ainsi, on mesure les concentrations en certains métaux, métalloïdes et autres composés organiques ou non et on compare avec les concentrations maximales qui sont donnés aux annexes du Règlement sur la protection et la réhabilitation des terrains (Q-2, r. 37) et du Règlement sur le stockage et les centres de transfert de sols contaminés (Q-2, r.46) pour classier le matériau selon les critères A, B ou C.
FIGURE 7.3 Classication des matériaux recyclés (d’après la norme NQ 2560-600)
Ces exigences environnementales feront bientôt l’objet d’une mise à jour dans la norme NQ 2560-600 en ce qui concerne les critères d’utilisations des matériaux recyclés et les taux critiques de contaminant. TABLEAU 7.19 Exemples d’utilisation des matériaux recyclés dans une chaussée Catégorie de matériaux recyclés Utilisations MR-1
MR-2
MR-3
MR-4
MR-5
MR-6
MR-7
BA
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
Accotement
1
1
4
Remblai
3
3
Couche de roulement granulaire (routes non revêtues) Fondation
2
2
2
Sous-fondation Transition Coussin Enrobage de conduite Couche anticontaminante Couche ltrante autour d’une conduite perforée
4
4
4
4
4
Recommandé dans toutes les circonstances. 1 2 3 4
Recommandé dans les endroits où le risque d’érosion est élevé (aux points bas du prol, dans les pentes, à l’intérieur des courbes et à proximité des ponceaux). Recommandé sous réserve d’une vérication de l’épaisseur du revêtement bitumineux prévue dans le projet. Peut nécessiter une augmentation de l’épaisseur de l’enrobé bitumineux. Peu recommandable pour des épaisseurs de plus d’un mètre (densié par couches ne dépassant pas 300 mm d’épaisseur). Non recommandé.
Source : Tiré de la norme NQ 2560-600.
132
CHAPITRE 7
TABLEAU 7.20 Exemples d’utilisation des matériaux recyclés dans une chaussée Essais
Exigences selon les utilisations des matériaux recyclés
Caractéristiques
Norme
Fondation, couche de transition, couche de roulement et accotement
Sous-fondation, coussin et enrobage, couche anticontaminante et couche ltrante
Caractéristiques granulométriques
Granularité
LC 21-040
Les fuseaux granulométriques sont les mêmes que ceux indiqués dans les normes en fonction de l’utilisation du matériau recyclé. Par exemple, la granularité d’un matériau recyclé utilisé pour la sousfondation doit être conforme aux exigences granulométriques dénies pour le calibre MG 112. Les matériaux recyclés utilisés pour une couche anticontaminante ou une couche ltrante doivent aussi être conformes aux exigences sur les ltres1.
Caractéristiques intrinsèques Micro-Deval (%)
LC 21-070
≤ 35
≤ 40
Los Angeles (%)
LC 21-400
≤ 50
≤ 50
≤ 80
≤ 85
Micro-Deval et Los Angeles (%) Caractéristiques de fabrication Particules fracturées2 (%)
LC 21-100
≥ 50
Particules plates (%)
LC 21-265
s. o.
Particules allongées (%)
LC 21-265
s. o.
Impuretés3 (%)
LC 21-260
< 1,0
Matières organiques (indice colorimétrique)
A23.2-7A
≤3
ASTM D2419
≥ 50
Extraction : ASTM D1411, article 6 Dosage : APHA 6 4500 CI
≤ 0,10
LC 31-312
≤ 0,20
Caractéristiques complémentaires
Équivalent de sable (sur la fraction 0 mm-5 mm) 4 Chlorure hydrosoluble5 (%) – en contact avec du béton armé Sulfate hydrosoluble7 (%) – en contact avec du béton – dans les autres cas
≤ 0,60
s. o. : aucune exigence pour le tamis en question. Ces exigences sur les caractéristiques intrinsèques et de fabrication s’appliquent lorsqu’aucune autre n’est fournie par le donneur d’ouvrage.
1. Il est important de noter que les temps de tamisage varient lorsqu’on analyse la granularité des matériaux recyclés. 2. L’essai doit être effectué pour chaque catégorie de matériaux recyclés qui contient plus de 50 % de granulats naturels. 3. L’exigence relative à la teneur en impuretés s’applique lorsque le matériau recyclé contient des résidus de béton (BC) ou lorsque ce matériau ne provient pas (en tout ou en partie) d’infrastructures routières. 4. L’exigence relative à l’essai d’équivalent de sable s’applique lorsque le matériau recyclé ne provient pas (en tout ou en partie)
d’une chaussée existante ou d’une réserve constituée à partir d’une ancienne chaussée. 5. La teneur en chlorure hydrosoluble doit être déterminée lorsque le matériau recyclé contient des résidus de béton (BC) ou lorsqu’il est destiné à une utilisation où il sera en contact avec du béton armé. 6. American Public Health Association. 7. La teneur en sulfate hydrosoluble doit être déterminée lorsque le matériau recyclé contient des résidus de béton (BC) et lorsqu’il est destiné à une utilisation où il sera en contact avec du béton.
Les critères d’utilisation des granulats
RÉSUMÉ Le Cahier des charges et devis généraux du ministère des Transports (CCDG) est un document contractuel qui dénit les droits, les obligations et les responsabilités du ministère et de l’entrepreneur. Il expose les caractéristiques à vérier et les méthodes d’essai en vue d’établir la conformité des granulats. Il renvoie à diverses normes qui présentent la dénition de termes relatifs à la technologie des granulats ainsi que les exigences auxquelles doivent satisfaire les différents types de granulats utilisés dans les travaux de génie civil : granulats routiers, granulats pour béton de ciment, granulats pour enrobés bitumineux et granulats pour abrasifs. Les exigences relatives à l’utilisation des granulats sont basées sur l’expérience, sur des résultats d’essais de laboratoire ou de chantier et sur des recherches. Toutefois, elles ne sont pas dénitives, car le CCDG et les normes auxquelles il se réfère évoluent sans cesse. Dans ce chapitre, nous avons reproduit, dans un but didactique, les exigences courantes relatives aux granulats utilisés dans les divers travaux routiers au Québec. Il sera ainsi possible de classer très rapidement un granulat et d’évaluer sa qualité pour un usage donné. Nous tenons à préciser que le contenu de ce chapitre ne remplace pas les normes.
RÉFÉRENCES Ouvrage Cahier des charges et devis généraux, construction et réparation. Ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrication des transports, Les Publications du Québec, 2017. Normes BNQ 2002, Granulats – Matériaux recyclés fabriqués à partir de résidus de béton, d’enrobés bitumineux et de briques – Classication et caractéristiques, Bureau de normalisation du Québec, NQ 2560-600. BNQ 2012, Béton prêt à l’emploi – Programme de certication (élaboré à partir des exigences des chapitres 4, 5 et 8 de le norme CSA A23.1-F09/A23.2-F09), NQ 2621-905. BNQ 2014, Travaux de génie civil – Granulats, Bureau de normalisation du Québec, NQ 2560-114. CSA A23.1/A23.2-14, Béton : Constituants et exécution des travaux / Méthodes d’essai et pratiques normalisées pour le béton, Association canadienne de normalisation. Norme 2101, Granulats ; Norme 3101, Bétons de masse volumique normale ; Norme 4201, Enrobé à chaud formulé selon le principe de la méthode Marshall ; Norme 4202, Enrobé à chaud formulé selon la méthode de formulation du Laboratoire des chaussés ; Norme 4301, Traitement de surface ; Norme 4501, Enrobé pour rapiéçage à froid, Collection Normes, Tome I – Conception routière ; Tome II – Construction routière ; Tome III – Ouvrages d’art ; Tome VII – Matériaux, ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrication des transports, Les Publications du Québec, 2016. Règlement sur la protection et la réhabilitation des terrains, Loi sur la qualité de l’environnement, L.R.Q., chapitre Q-2 r.37, ministère du Développement durable, de l’Environnement et des Parcs, Éditeur ofciel du Québec, 2017. Repéré au http://legisquebec.gouv.qc.ca/fr/ ShowDoc/cr/Q-2,%20r.%2037 (page consultée le 27 novembre 2017). Règlement sur le stockage et les centres de transfert de sols contaminés, Loi sur la qualité de l’environnement, L.R.Q., chapitre Q-2 r.46, ministère du Développement durable, de l’Environnement et des Parcs, Éditeur ofciel du Québec, 2017. Repéré au http://legisquebec.gouv. qc.ca/fr/ShowDoc/cr/Q-2,%20r.%2046/ (page consultée le 27 novembre 2017).
133
134
CHAPITRE 7
Règlement sur les déchets solides, Loi sur la qualité de l’environnement, L.R.Q., chapitre Q-2 r.13, ministère du Développement durable, de l’Environnement et des Parcs, Éditeur ofciel du Québec, 2013. Repéré au http://legisquebec.gouv.qc.ca/fr/ShowDoc/cr/Q-2,%20r.%2013 (page consultée le 27 novembre 2017).
QUESTIONS DE RÉVISION 1. Que dénit le CCDG ? 2. Quels sont les principaux documents auxquels se réfère le CCDG pour dénir les exigences relatives à l’utilisation des granulats dans les ouvrages routiers ? 3. Quel est l’ordre de prépondérance des différentes normes BNQ, ACNOR ou ASTM ? 4. S’il n’existe pas de norme sur une méthode d’essai, comment faut-il effectuer l’essai ? 5. Qu’est-ce qu’une classe granulaire ? 6. À partir de quelles caractéristiques sont désignées les catégories de : a) gros granulat ? b) granulat n ? 7. Comment les gros granulats et les granulats ns sont-ils désignés selon la norme 2101, Granulats, du ministère des Transports du Québec ? 8. Citez les différentes catégories et les différents calibres de granulats généralement retenus par le ministère des Transports du Québec dans les travaux routiers pour un matériau : a) de sous-fondation ; b) de fondation ; c) pour couche de roulement granulaire ; d) pour coussin et enrobage ; e) pour couche anticontaminante et couche ltrante. 9. Lorsqu’on utilise un matériau dans une couche ltrante, en plus d’être conforme au fuseau spécié, à quelle autre exigence doit satisfaire sa granulométrie ? 10. Nommez les différentes utilisations des matériaux recyclés de type MR.
Les critères d’utilisation des granulats
PROBLÈMES 1 Des essais réalisés sur un matériau granulaire ont donné les résultats ci-dessous.
a) Quelle est la dénomination de la classe granulaire de ce matériau ? b) Désignez la catégorie du matériau. Caractéristiques intrinsèques
Granularité mm
μm
Tamis
20
14
10
5
2,5
Tamisats cumulés (%)
100
100
100
96
91
1,25 630
85
Essais
Perte (%)
315
160
80
Micro-Deval (LC 21-101)
19
43
11
6,2
Friabilité (LC 21-080)
38
71
2 Peut-on utiliser comme fondation un gravier concassé ayant les caractéristiques suivantes ?
• Granularité : MG 56 • Matières organiques : 0,5 % • Valeur au bleu : 0,10
• Résistance à l’abrasion (LA) : 30 % • Résistance à l’usure par attrition (MD) : 25 %
3 Peut-on utiliser comme fondation le granulat calcaire concassé présentant les caractéristiques suivantes ?
• • • •
Granularité : MG 20 Nombre pétrographique : 150 Matières organiques : 0,0 % Résistance à l’abrasion : 35 %
• Résistance à l’usure par attrition : 25 % • Particules plates : 20,4 % • Particules allongées : 32,1 %
4 Si toutes les autres exigences sont satisfaites, peut-on utiliser comme sable pour béton le sable dont la granularité est la suivante ? mm
μm
Tamis
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
Granularité brute du sable (mf = 2,98)
100
90
81
63
45
18
5
1,8
BC 80 μm-5
100
50-90
25-65
10-35
2-10
0-3
70
50
20
5
2,0
95-100 80-100
Granularité corrigée (mf = 2,65)
100
90
5 Peut-on utiliser un gravier concassé ayant les caractéristiques suivantes comme gros granulat pour une surface de roulement d’autoroute faite d’enrobé bitumineux ?
• • • •
Nombre pétrographique : 135 Pourcentage de silt et d’argile : 1,0 % Particules fracturées : 80 % Pourcentage de perte à l’essai Los Angeles : 25 % • Particules plates : 21,8 %
• Pourcentage d’usure à l’essai microDeval : 18 % • Particules allongées : 34,5 % • Coefcient de polissage par projection : 0,52
135
136
CHAPITRE 7
6 Un matériau recyclé contient 48 % de résidus de béton de ciment portland, 25 % de résidus d’enrobé bitumineux et 27 % de granulats naturels.
Quelle est sa catégorie ? Quelles sont ses utilisations possibles comme matériau routier ? 7 D’autres essais réalisés sur le matériau présenté dans le problème 1 ont donné ces résultats : 1,2 % de mottes d’argile, un coefcient d’écoulement de 100 et 2,5 % de particules plus nes que 5 μm.
Ce matériau peut-il convenir comme constituant d’un enrobé bitumineux à chaud pour construire une couche de base ? 8 Divers essais de qualication réalisés sur un granulat concassé ont donné les résultats présentés dans le tableau suivant. Ce matériau peut-il être utilisé pour une couche de fondation ? Pour une couche de roulement granulaire ou un accotement ?
Caractéristiques granulométriques : mm
μm
Tamis
31,5
20
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
Passants (%)
100
93
76
64
40
32
23
15
10
7
3,6
Caractéristiques intrinsèques : • Résistance à l’abrasion : 28 % • Résistance à l’usure par attrition : 21 %
Caractéristiques de fabrication : • Particules plates : 19,0 % • Particules allongées : 34,9 %
9 Le tableau ci-dessous donne la granularité d’un matériau granulaire provenant d’une carrière. Les essais réalisés sur le matériau ont montré qu’il est de catégorie 2c. Peut-il être utilisé comme couche de base d’un traitement de surface multicouche ? Pour un traitement de surface monocouche ? mm
μm
Tamis
20
14
12,5
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
Passants (%)
100
93
86
64
40
25
17
12
8
5
3,6
10 On a réalisé des essais d’acceptation sur un échantillon de matériau granulaire de désignation MG 112 prélevé à la suite de la mise en œuvre de la sous-fondation d’une route. Des résultats partiels de ces essais sont donnés dans le tableau ci-dessous. Le matériau est-il conforme aux exigences dénies dans la norme NQ 2560-114 pour l’utilisation indiquée ? Granularité mm Tamis
112
80
Passants (%)
100 100
μm
56
40
28
20
14
12,5
10
5
2,5 1,25 630
315
160
80
95
92
88
82
75
73
68
60
50
11
8
4,3
Caractéristiques intrinsèques : • Particules fracturées : 80 % • Résistance à l’abrasion (essai Los Angeles) : 38 % • Résistance à l’usure par attrition (essai micro-Deval) : 35 %
28
16
CHAPITRE
Le mélange des granulats
SOMMAIRE
8.1 La granulométrie des mélanges composés de deux granulats 8.2 Les mélanges composés de trois granulats 8.3 Les mélanges composés de plus de trois granulats
Il n’est pas toujours possible de trouver une source de matériau granulaire naturel ou manufacturé qui remplisse les exigences des normes en vigueur ou les exigences particulières des donneurs d’ouvrages. Aussi, il est souvent nécessaire de mélanger deux ou plusieurs granulats pour en fabriquer un qui satisfait à ces exigences. Ce nouveau matériau granulaire, issu de la combinaison de deux ou plusieurs granulats dont on connaît bien la granulométrie, est appelé combiné granulométrique. Dans ce chapitre, nous présentons différentes méthodes qui permettent de mélanger deux ou plusieurs granulats pour obtenir un combiné granulométrique qui entre dans un fuseau granulométrique donné ou qui soit le plus proche possible d’une composition granulométrique donnée. Nous allons tout d’abord dénir les grandes lignes entourant le choix des granulats de base, puis nous établirons les principes généraux qui régissent le choix des proportions en présentant des cas de mélange de granulats. De nos jours, les logiciels maison, des algorithmes portés par des tableurs électroniques ou d’autres logiciels mathématiques ont supplanté les méthodes graphiques. Les principaux avantages de ces nouvelles méthodes sont leur grande rapidité et l’optimisation du temps nécessaire pour effectuer des mélanges de granulats. Elles permettent aussi de présenter plusieurs combinaisons possibles très rapidement et donc de préparer un mélange optimal des granulats disponibles. Même si elles sont moins utilisées aujourd’hui, les méthodes exposées dans ce chapitre sont très précises et il importe de les assimiler pour bien comprendre l’impact des paramètres pris en compte lors de la confection d’un combiné granulométrique.
8
138
8.1
CHAPITRE 8
La granulométrie des mélanges composés de deux granulats
demi-somme des pourcentages des tamisats cumulés des sables A et B sur ce tamis. Le pourcentage des tamisats cumulés du combiné sur un tamis vde 5 mm sera égal à
8.1.1 Le choix des granulats et le fuseau imposé Considérons les données relatives aux deux sables présentées dans le tableau 8.1 et voyons comment trouver la granulométrie du combiné résultant d’un mélange à parts égales de ces deux sables.
et ainsi de suite.
TABLEAU 8.1 Granulométrie des sables A et B mm
Le pourcentage des tamisats cumulés du combiné sur un tamis de 2,5 mm sera égal à
On obtient donc nalement la granulométrie du combiné présenté dans le tableau 8.2.
µm
10
5
2,5
1,25
630
315
160
Sable A
100
100
100
90
65
35
10
Sable B
100
95
80
50
25
10
2
Pour obtenir la granulométrie d’un tel combiné, on peut effectuer le raisonnement suivant : si on mélange 100 g de sable A et 100 g de sable B, on obtient alors 200 g de combiné. Le pourcentage des tamisats cumulés sur chacun des tamis sera donc égal à la
TABLEAU 8.2 Granulométrie du combiné (A + B) mm
Tamisats cumulés (%)
µm
10
5
2,5
1,25
630
315
160
100
98
90
70
45
23
6
Si on trace les trois courbes granulométriques sur un même graphique (voir la gure 8.1), on constate que :
FIGURE 8.1 Courbe granulométrique des combinés (A + B) et (2A + B)
Le mélange des granulats
• la courbe granulométrique du combiné est entièrement comprise dans le fuseau granulométrique délimité par les deux granulats de base ; • la courbe granulométrique du combiné est située au milieu du fuseau. Si l’on décide de mélanger deux parts du sable A à une part du sable B, on peut raisonner comme précédemment et mélanger cette fois-ci 200 g de sable A et 100 g de sable B pour former 300 g de combiné. Le pourcentage des tamisats cumulés du combiné sur chaque tamis sera égal au tiers de la somme du double du pourcentage des tamisats cumulés du sable A et du pourcentage des tamisats cumulés du sable B. Par exemple, avec un tamis de 5 mm, le pourcentage des tamisats cumulés du combiné est égal à
139
2. La courbe granulométrique d’un combiné se rapproche de celle du granulat prépondérant dans le mélange ; à la limite, on peut considérer la courbe granulométrique des deux granulats de base comme celle d’un mélange particulier qui contiendrait 100 % de ce granulat et 0 % de l’autre. 3. Le point représentatif du combiné partage un segment de verticale compris à l’intérieur des courbes de deux granulats dans des proportions égales à leur répartition dans le mélange (voir la gure 8.2). FIGURE 8.2 Calcul graphique des proportions des deux granulats de base entrant dans la composition d’un combiné
En répétant ce calcul sur chacun des tamis, on obtient la granulométrie du combiné (2A + B), qui comporte deux parts de A et une part de B (voir le tableau 8.3). TABLEAU 8.3 Granulométrie du combiné (2A + B) mm
Tamisats cumulés (%)
µm
10
5
2,5
1,25
630
315
160
100
98
93
77
52
27
7
Si on trace la courbe granulométrique de ce combiné (voir la gure 8.1), on remarque que : • la courbe granulométrique du combiné est entièrement comprise dans le fuseau granulométrique délimité par les deux granulats de base ; • la courbe granulométrique de ce combiné est plus proche de celle du granulat A que celle du combiné (A + B). À partir de ces résultats, on peut énoncer les trois règles générales qui vont gouverner le choix des granulats. Il importe de respecter ces règles pour répondre aux spécications d’un fuseau donné ou d’une granulométrie visée : 1. Quand on mélange deux granulats, quelles que soient les proportions utilisées pour chacun d’eux, la courbe granulométrique du combiné se situe toujours dans le fuseau constitué par les courbes granulométriques des deux granulats de base.
Donc, lorsqu’on doit mélanger deux granulats pour satisfaire à un fuseau imposé, il faut absolument s’assurer que les courbes granulométriques des deux granulats de base qu’on se propose d’utiliser ne se trouvent pas simultanément au-dessus ou en dessous de ce fuseau ou de la granulométrie visée. Si les deux courbes granulométriques se croisent, ce doit être à l’intérieur du fuseau ou sur la courbe granulométrique visée, car le point de rencontre représente un invariant. La gure 8.3 (voir page suivante) montre un exemple de deux granulats (C et D) qu’on ne pourra pas combiner pour satisfaire aux spécications. En effet, sur les tamis de 160 et 315 µm, chacun des granulats a un pourcentage des tamisats cumulés supérieur à celui
140
CHAPITRE 8
FIGURE 8.3 Exemple de deux granulats avec lesquels il est impossible d’obtenir un combiné entièrement compris dans le fuseau recherché
qu’exigent les normes. En conséquence, n’importe quel mélange des deux granulats présentera ce même surplus de matériau n sur ces deux mêmes tamis.
8.1.2 La méthode par approximations successives Après s’être assuré que les granulométries des deux granulats choisis permettront de trouver un combiné, on peut calculer la granulométrie d’un mélange dont on a xé à l’avance les proportions. Par approximations successives, on cherche une combinaison dont la granulométrie se situera dans le fuseau imposé en respectant les indications de la section précédente quant à la position relative des courbes granulométriques. S’il est possible
d’obtenir le combiné avec les granulats disponibles, celui-ci doit être théoriquement situé le plus près du centre du fuseau, ce qui constituerait le mélange optimal. Cette position fait en sorte de pallier le caractère hétérogène des matériaux et procure une certaine marge de manœuvre lors du mélange réel. Dans quelles proportions faut-il mélanger les sables A et B pour obtenir un combiné compris dans le fuseau granulométrique donné dans le tableau 8.4 ? En se référant à ce tableau, on constate que le fuseau imposé se trouve presque entièrement dans la moitié inférieure du fuseau délimité par les courbes des sables A et B. Le combiné nal sera donc plus riche en sable B qu’en sable A.
TABLEAU 8.4 Granulométrie des sables A et B et fuseau imposé mm
µm
10
5
2,5
1,25
630
315
160
Sable A
100
100
100
90
65
35
10
Sable B
100
95
80
50
25
10
2
Fuseau imposé
100
95-100
85-90
60-70
35-45
15-25
4-6
Le mélange des granulats
On peut alors mélanger le combiné (A + B), dont on connaît déjà la granulométrie, avec le sable B et voir comment se situe ce nouveau combiné (A + 2B) par rapport au fuseau (voir le tableau 8.5). On remarque dans la gure 8.4 que le mélange (A + 2B) s’éloigne du centre du fuseau imposé et qu’il se situe TABLEAU 8.5 Granulométrie du combiné (A + 2B) mm
µm
10
5
2,5
1,25
630
315
160
Combiné (A + B)
100
98
90
70
45
23
6
Combiné (A + 2B)
100
97
87
63
38
18
5
141
à proximité de la limite inférieure de ce fuseau imposé, donc qu’il contient un peu trop de sable B. Pour trouver un combiné qui se situe plus près du centre du fuseau, on peut tenter de former un nouveau combiné en mélangeant à parts égales deux combinés déjà obtenus (A + B) et (A + 2B) (voir le tableau 8.6). Ce nouveau combiné (2A + 3B) constitue une solution encore plus près de l’optimum ; on peut donc dire qu’en mélangeant 40 % de sable A, (2A), et 60 % de sable B, (3B), on obtient un combiné qui entre dans le fuseau. Cette solution n’est toutefois pas optimale. Pour accélérer le processus d’approximations successives, on peut utiliser la méthode suivante an d’optimiser le résultat (voir la gure 8.2, p. 139).
FIGURE 8.4 Recherche d’un combiné par approximations successives
TABLEAU 8.6 Granulométrie du combiné (2A + 3B) mm
µm
10
5
2,5
1,25
630
315
160
Combiné (A + B)
100
98
90
70
45
23
6
Combiné (A + 2B)
100
97
87
63
38
18
5
Combiné (2A + 3B)
100
97
88
66
41
20
5
Fuseau imposé
100
95-100
85-90
60-70
35-45
15-25
4-6
142
CHAPITRE 8
1. Trouver le tamis donnant la plus grande différence des pourcentages des tamisats cumulés des deux granulats. 2. Calculer le pourcentage médian des tamisats cumulés du fuseau imposé sur ce tamis. 3. Calculer les rapports
qui donnent les proportions de sables A et B. 4. Calculer la granulométrie du mélange ainsi déni. Ainsi, dans le présent cas : 1. On trouve que la plus grande différence entre les pourcentages des tamisats cumulés des sables A et B se situe sur les tamis de 1,25 mm et 630 µm et qu’elle est égale à 40 %. Prenons, par exemple, le tamis de 630 µm. 2. Le milieu du fuseau recherché sur ce tamis correspond à un pourcentage des tamisats cumulés égal à
3. Pour obtenir un combiné passant par ce point, il faudra utiliser un pourcentage de sable A égal à
composé de deux granulats. Pour ce faire, on utilise un diagramme carré comportant des échelles arithmétiques graduées de 0 à 100 % sur trois côtés. Sur chacun des côtés verticaux, on reporte les pourcentages des tamisats des deux granulats A et B. Ensuite, pour chaque tamis, on joint par une droite les points représentatifs de chacun des sables. Cette droite est appelée ligne de combinaison. Il est important d’indiquer clairement le tamis utilisé sur chacune des droites. Un des côtés horizontaux (le côté supérieur) est lui aussi gradué de 0 à 100 %. Cette graduation correspond au pourcentage de granulat A dans le mélange. On peut alors déduire le pourcentage de B par différence.
La granulométrie d’un mélange donné Supposons qu’on veuille connaître le pourcentage des tamisats cumulés – sur le tamis de 630 µm – d’un mélange contenant 50 % de sable A et 50 % de sable B (selon les données du tableau 8.1, p. 138). Pour ce faire, il suft de chercher l’intersection de la ligne de combinaison du tamis de 630 µm avec la verticale 50 %. On trouve tout de suite 45 % dans la gure 8.5. En coupant toutes les lignes de combinaison relatives à chaque FIGURE 8.5 Calcul de la granulométrie d’un combiné granulométrique par la méthode graphique
4. Le pourcentage de sable B est alors égal à 62,5 % (voir le tableau 8.7). On constate que cette solution est très proche de celle qu’on a trouvée dans le tableau 8.6 (voir page précédente). En effet, on observe un écart maximal de 1 % entre les valeurs obtenues dans chacune des deux solutions.
8.1.3 La méthode graphique La méthode graphique (ou méthode du carré) convient très bien pour trouver les proportions d’un mélange TABLEAU 8.7 Granulométrie du combiné (37,5 % de A + 62,5 % de B) mm
µm
10
5
2,5
1,25
630
315
160
37,5 % de A
37,5
37,5
37,5
33,8
24,4
13,1
3,8
62,5 % de B
62,5
59,4
50,0
31,3
15,6
6,3
1,3
Combiné
100
97
88
65
40
19
5
Fuseau imposé
100
95-100
85-90
60-70
35-45
15-25
4-6
Le mélange des granulats
tamis par la verticale 50 %, on peut trouver toutes les valeurs déjà reportées dans le tableau 8.2 (voir p. 138).
Le cas d’un fuseau imposé La méthode graphique est particulièrement pratique et utile lorsqu’on veut que le combiné soit compris dans un fuseau donné. Il suft en effet de reporter sur chacune des lignes de combinaison le maximum et le minimum admissibles pour chaque tamis et de joindre ces deux valeurs par deux lignes brisées. Si ces deux lignes brisées se croisent, il est impossible de satisfaire aux exigences du fuseau avec les deux granulats choisis. Si ces deux lignes brisées ne se croisent pas, il est possible de tracer deux verticales passant par les points les plus au centre de ces deux lignes brisées. Ces deux verticales dénissent la plage des combinaisons possibles de granulats A et B qui satisfont aux exigences du fuseau. Parmi les combinaisons possibles, on peut choisir, par exemple, celle qui correspond au milieu de la plage donnant un combiné situé le plus près possible du centre du fuseau imposé, la combinaison la plus économique ou encore la combinaison qui donnera le comportement attendu du matériau. Si on reprend les données du tableau 8.4 (voir p. 140), on reporte dans la gure 8.6, sur la ligne de combinaison du tamis de 1,25 mm, le minimum du fuseau (60 %) et le maximum (70 %), et ainsi de suite pour les autres tamis. On remarque alors que, dans le cas qui FIGURE 8.6 Détermination des proportions limites de deux granulats de base permettant de couvrir un fuseau granulométrique
143
nous intéresse, les deux lignes brisées joignant les maximums et les minimums ne se croisent pas ; donc les deux granulats choisis permettent d’obtenir un combiné situé à l’intérieur de ce fuseau. Ainsi, les deux verticales situées le plus à l’intérieur correspondent à des pourcentages de A variant de 30 % à 50 % dans le mélange. On constate que les deux solutions trouvées précédemment dans les tableaux 8.6 (voir p. 141) et 8.7 sont bien comprises dans cette plage. Comme on peut le voir, cette méthode graphique est très rapide et commode à utiliser dans le cas d’un mélange composé de deux granulats.
8.2
Les mélanges composés de trois granulats
Dans la pratique, il est parfois nécessaire d’utiliser trois granulats ou plus pour qu’un mélange soit conforme aux exigences granulométriques. Lorsqu’on sait résoudre le cas du mélange de deux granulats, on sait théoriquement résoudre le cas du mélange d’une innité de granulats, puisque chaque fois qu’on mélange deux granulats, on diminue d’une unité le nombre total de granulats qui restent à mélanger jusqu’à ce qu’il n’en reste plus que deux. Nous verrons dans cette section comment trouver la granulométrie d’un combiné de trois granulats.
8.2.1 La méthode graphique On désire mélanger les trois granulats présentés dans le tableau 8.8 (page suivante) pour obtenir un combiné compris dans le fuseau imposé. On commence par utiliser la méthode graphique avec les granulats A et B (voir la partie gauche de la gure 8.7, page suivante). Dans cet exemple, on a choisi un combiné intermédiaire composé de 35 % de A et de 65 % de B et on a reporté les pourcentages des tamisats cumulés de ce combiné sur le carré de droite. Il suft alors de mélanger le combiné (0,35A + 0,65B) avec C et de reporter les limites du fuseau imposé sur les nouvelles lignes de combinaison. On voit, par exemple, que le mélange contenant 15 % de C et 85 % de (0,35A + 0,65B) est bien compris à l’intérieur du fuseau imposé. Dans le combiné nal, il y aura donc 85 × 0,35 = 30 % de A, 85 × 0,65 = 55 % de B et 15 % de C (voir la gure 8.8, page suivante). On peut vérier par le calcul que ce mélange est bien compris dans le fuseau imposé.
144
CHAPITRE 8
TABLEAU 8.8 Granulats A, B et C mm
µm
20
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
Granulat A
100
100
100
100
98
85
55
40
30
15,0
Granulat B
100
100
90
52
18
9
4
4
3
2,0
Granulat C
100
74
12
3
3
2
2
2
2
1,5
Fuseau imposé
100
95-100
75-90
29-47
20-40
14-34
10-26
5-17
3-8
50-65
FIGURE 8.7 Détermination des proportions de trois granulats en appliquant deux fois la méthode graphique
FIGURE 8.8 Représentation schématique des résultats obtenus dans la gure 8.7
Cumulation
Cependant, pour mélanger trois granulats, il nous semble préférable d’utiliser la méthode trilinéaire, dite aussi méthode du triangle, qui est beaucoup moins laborieuse et plus rapide quand on la maîtrise bien. Pour connaître la granulométrie du combiné, il suft de multiplier les pourcentages cumulés des tamisats du granulat A par 30 %, ceux du granulat B par 55 % et ceux du granulat C par 15 %, puis d’additionner ces pourcentages. Le combiné obtenu ici est entièrement contenu dans le fuseau imposé (voir le tableau 8.9).
8.2.2 La méthode trilinéaire ou méthode du triangle Un rappel géométrique Dans un triangle équilatéral, pour tout point quelconque situé à l’intérieur du triangle, la somme des distances
Le mélange des granulats
145
TABLEAU 8.9 Granulométrie du combiné mm
µm
%
20
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
30 % de A
30,0
30,0
30,0
30,0
29,4
25,5
16,5
12,0
9,0
4,5
30
55 % de B
55,0
55,0
49,5
28,6
9,9
5,0
2,2
2,2
1,7
1,1
55
15 % de C
15,0
11,1
1,8
0,5
0,5
0,3
0,3
0,3
0,3
0,2
15
Combiné
100
96
81
59
40
31
19
15
11
5,8
100
Fuseau imposé
100
95-100
75-90
50-65
29-47
20-40
14-34
10-26
5-17
3-8
FIGURE 8.9 Principe de la méthode du triangle
Le cas d’un mélange à deux composantes On peut utiliser la méthode du triangle dans un mélange binaire où il manque une composante, puisque le point représentatif de tous les mélanges des deux autres composantes est situé sur le côté opposé au sommet correspondant à la composante manquante. Par exemple, dans la gure 8.10, le point P représente un mélange comportant 2/3 de granulat n et 1/3 de granulat moyen, et le point N situé sur le côté gros-n correspond à un mélange qui ne comporte pas de sable moyen, mais qui comprend spéciquement 60 % de sable grossier et 40 % de sable n.
aux trois côtés de ce triangle est constante et égale à la hauteur du triangle équilatéral (voir la gure 8.9). Si on pose h = 100, on aura h1 + h2 + h3 = 100. Donc, h1, h2 et h3 peuvent représenter les proportions en pourcentage d’un mélange comportant trois composantes. On peut alors établir que h2 représente la part de A dans le mélange et que h3 et h1 représentent respectivement les parts de B et C. On pourrait graduer les trois hauteurs du triangle en pas de 10 % et reporter les trois distances à partir d’un point situé à l’intérieur du triangle sur ces trois axes gradués. On préfère cependant tracer trois systèmes de parallèles aux trois côtés passant par ces points repères des hauteurs et, pour des raisons de clarté, reporter les graduations à l’extérieur du triangle. Comme on peut le voir dans la gure 8.10, on reporte sur chacun des côtés les pourcentages croissants de chacune des composantes avec des èches indiquant le système de parallèles qu’il faut utiliser pour lire ou reporter le pourcentage relatif à cette composante. Les points représentatifs des trois granulats de base sont évidemment les trois sommets du triangle puisque la distance d’un sommet au côté opposé est égale à 100 %.
Le cas d’un mélange à trois composantes Supposons qu’on décide de mélanger trois sables (un grossier, un moyen et un n) dans les proportions suivantes : Sable grossier : 40 % Sable moyen : 25 % Sable n : 35 % FIGURE 8.10 Graphique utilisé dans la méthode du triangle
146
CHAPITRE 8
Pour obtenir le point représentatif de ce mélange M, on trace l’horizontale passant par 40 % sur le côté droit du triangle (gros) et la parallèle au côté gauche passant par 35 % (n) sur le côté inférieur du triangle. On peut vérier que la parallèle au côté droit du triangle, issue du point M, coupe bien le côté gauche (moyen) à 25 %, ce qui représente le pourcentage de sable moyen dans le mélange. Le point M de la gure 8.10 (voir page précédente) est le point représentatif du mélange. La représentation de tous les mélanges ayant des proportions respectives données Supposons que, dans la gure 8.10, on joigne le sommet G au point P du côté moyen-n correspondant au mélange composé de 2/3 de sable n et de 1/3 de sable moyen. Observons le point où cette droite coupe les lignes horizontales correspondant à 10 %, 40 % et 70 % de sable grossier.
TABLEAU 8.10 Granulométrie d’un granulat A 1 mm
Granulat A1
10
5
2,5
100
92
80
Gros
µm 1,25 630 67
Moyen
53
315
160
80
37
13
3,0
Fin
Ce granulat A comporte : • 53 % de n ; • 92 – 53 = 39 % de moyen ; • 100 – 92 = 8 % de gros. Dès lors, il est très facile de représenter ce granulat dans un diagramme triangulaire (voir la gure 8.11, point A1). FIGURE 8.11 Représentation des granulats A1, B1 et C1 dans le diagramme triangulaire
Dans le cas du mélange contenant 10 % de sable grossier, on constate que la droite GP dénit un mélange contenant 60 % de sable n et 30 % de sable moyen. Le sable n et le sable moyen sont encore dans le rapport 2/3-1/3. Il en va de même pour la droite horizontale correspondant à 40 % ; dans ce cas, le pourcentage de sable n est égal à 40 % et le pourcentage de sable moyen est égal à 20 % (rapport 2/3-1/3). Dans le cas de la droite horizontale correspondant à 70 %, le pourcentage de sable n est égal à 20 % et le pourcentage de sable moyen est égal à 10 % (rapport 2/3-1/3). On peut donc énoncer la règle générale suivante : toute droite qui joint un sommet à un point situé sur le côté opposé représente tous les mélanges possibles des trois composantes où deux granulats ont des proportions respectives constantes.
La représentation d’un granulat à granulométrie étalée Lorsqu’un granulat a une granulométrie étalée, on peut le représenter graphiquement par un point sur un diagramme triangulaire, pourvu qu’on xe à l’avance les limites qui déniront les trois catégories : gros, n et moyen. Supposons qu’on veuille représenter un granulat A dans un diagramme triangulaire avec les limites suivantes : • n : plus petit que 630 µm ; • gros : plus gros que 5 mm (voir le tableau 8.10).
On peut ainsi représenter par un point tout granulat à granulométrie étalée, et tout point peut représenter un granulat. Supposons qu’on veuille représenter, sur le même diagramme triangulaire, deux autres granulats (B1 et C1) dont les granulométries sont données dans le tableau 8.11. Décomposons le granulat B1 : • 5 % de n ; • 10 – 5 = 5 % de moyen ; • 100 – 10 = 90 % de gros. Puis le granulat C1 : • 10 % de n ; • 60 – 10 = 50 % de moyen ; • 100 – 60 = 40 % de gros.
147
Le mélange des granulats
TABLEAU 8.11 Granulométrie des granulats B1 et C1 mm
µm
28
20
14
10
5
2,5
1,25
630
315
Granulat B1
100
50
—
20
10
9
8
5
0
Granulat C1
100
90
—
75
60
40
25
10
5
Gros
Dans le diagramme triangulaire de la gure 8.11, on dénit ainsi deux autres points (B1 et C1) qui forment avec le point A1 le triangle A1B1C1.
La détermination des proportions d’un combiné Comme l’illustre la gure 8.12, on peut démontrer par des considérations géométriques que, dans un triangle quelconque ABC, tout point P situé à l’intérieur du triangle représente un mélange des trois composantes de base représentées graphiquement par les trois sommets A, B et C du triangle dans les proportions suivantes :
XA, XB et XC représentent la fraction décimale de A, B et C qu’il faut mélanger pour obtenir le combiné représenté par le point P dans le graphique triangulaire ABC. On peut vérier que
De façon pratique, pour mélanger trois granulats, on commence par xer les limites granulométriques : gros, n et moyen. On divise ensuite chacun des trois FIGURE 8.12 Détermination des proportions d’un combiné en utilisant la méthode du triangle (formules générales)
Moyen
Fin
granulats utilisés en trois fractions qui détermineront les coordonnées des trois points représentatifs de ces granulats dans le diagramme triangulaire équilatéral. On joint ensuite ces trois points représentatifs qui forment habituellement un triangle. On caractérise ensuite le fuseau imposé par un point représentatif P sur le même diagramme. On peut, par exemple, calculer la courbe médiane du fuseau et la diviser en trois fractions : gros, moyen, n. Si le point P se situe à l’extérieur du triangle quelconque formé par les trois points qui représentent chaque granulat, il est impossible de combiner les trois granulats de quelque façon que ce soit pour obtenir la courbe granulométrique médiane du fuseau. Cependant, dans ce cas, si le point P n’est pas trop éloigné d’un des côtés du triangle, on peut vérier si la limite supérieure ou inférieure du fuseau est comprise dans le triangle quelconque. Si le point P est situé à l’intérieur du triangle, il existe alors une façon de mélanger les trois granulats pour obtenir un combiné ayant P comme point représentatif : il suft d’appliquer les formules précédentes pour avoir les proportions des trois granulats. Plus le point P est proche d’un sommet du triangle quelconque A1B1C1 représentant les trois granulats de base, plus le combiné contiendra de ce granulat. Si le point P est situé sur un des côtés du triangle, il n’est pas nécessaire alors d’utiliser trois granulats pour réaliser le combiné ; les deux granulats représentés par les extrémités de ce côté sufsent. Comme on peut le voir, cette méthode est très commode dans le cas de trois granulats. De plus, elle n’oblige pas à procéder par mélanges binaires successifs, ce qui, dans certains cas, peut être assez laborieux. Cependant, le résultat nal est quelque peu inuencé par le choix des limites granulométriques qui déterminent les trois fractions : gros, moyen, n. Pour choisir judicieusement les limites des trois fractions, il est bon de s’assurer que chacun des granulats de base comporte au minimum deux fractions différentes.
148
CHAPITRE 8
EXEMPLE
8.1
Reprenons les granulats A, B et C représentés dans le diagramme de la gure 8.11 (voir p. 146) et combinons-les de façon à ce que la courbe granulométrique
du combiné satisfasse aux deux exigences indiquées dans le tableau 8.12.
TABLEAU 8.12 La granulométrie des granulats A, B et C mm
µm
28
20
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
A
100
100
100
100
92
80
67
53
37
13
3,0
B
100
50
—
20
10
9
8
5
0
0
0,0
C
100
90
—
75
60
40
25
10
5
0
0,0
Exigences du combiné (%)
40
20
SOLUTION
On décompose d’abord les exigences du combiné P que l’on veut obtenir : • gros : 100 – 40 = 60 % ; • moyen : 40 – 20 = 20 % ; • n : 20 %.
En observant la gure 8.13, produite sur du papier quadrillé au centimètre, on peut constater que le point P est situé à l’intérieur du triangle ABC, assez près du côté AB, et plus près du sommet B que du sommet A. Donc, on peut d’ores et déjà conclure
FIGURE 8.13 Calcul des proportions des granulats A, B et C par la méthode du triangle
Le mélange des granulats
que pour avoir le combiné P, il faudra surtout utiliser des granulats A et B, un peu plus de B que de A, et assez peu de C. Dans la gure 8.13, on a joint le point C à P comme dans la gure 8.12 (voir p. 147) et on a, à la droite du gros triangle, les valeurs de longueurs P1, P2, P3, P4, P1 + P2 et P3 + P4, que l’on a mesurées à l’aide d’une règle. On a donc obtenu les valeurs suivantes : P1 = 47,5 mm P2 = 24,0 mm P3 = 26,5 mm P4 = 2,0 mm P1 + P2 = 71,5 mm P3 + P4 = 28,5 mm Pour obtenir les pourcentages de A, B et C, on a utilisé les trois formules suivantes, qui sont aussi reproduites à la droite de la gure.
8.3
149
Les mélanges composés de plus de trois granulats
Bien que dans la pratique on cherche à satisfaire aux exigences granulométriques en utilisant le moins de granulats possible, il peut être nécessaire de mélanger plus de trois matériaux pour se rapprocher le plus possible d’une granulométrie cible ou pour satisfaire à des exigences particulières. Il arrive aussi qu’on doive utiliser un quatrième granulat dans un mélange pour corriger, sur un ou deux tamis, une décience marquée du combiné. On dit alors que le granulat est un granulat de correction. Quand il est nécessaire d’utiliser quatre granulats (ou plus) dont les courbes granulométriques se chevauchent, on peut se er à son intuition ou à son expérience et tenter de placer le combiné dans le fuseau par approximations successives selon la granulométrie visée. Cette façon de faire peut être très longue sans conduire pour autant à une solution optimale. Dans une telle situation, il est préférable de recourir à la méthode mathématique ou à des logiciels spécialisés.
8.3.1 La méthode mathématique La méthode mathématique consiste à traduire en équations des conditions granulométriques imposées au combiné, en tenant compte du fait que la somme des proportions (décimales) des granulats utilisés est égale à 1,0. Si on a trois granulats A, B et C pour réaliser un combiné donné, il faut trouver deux équations qui lient les proportions XA de A, XB de B et XC de C puisque, de toute façon,
On pourra choisir, par exemple, deux tamis particuliers sur lesquels on calculera les proportions de A, B et C pour satisfaire aux exigences du combiné. On est alors amené à résoudre un système de trois équations à trois inconnues, puis à vérier si les exigences granulométriques sur les autres tamis sont bien remplies.
On a nalement XA = 31 %
XB = 62 % XC = 7 %,
ce qui conrme bien la justesse des remarques précédentes sur les proportions respectives de A, B et C.
Si on a n granulats pour réaliser le combiné, on pourra choisir n – 1 tamis de façon à se ramener à un système de n équations à n inconnues puisque, de toute façon, la ne équation est
150
CHAPITRE 8
EXEMPLE
8.2
Trouvez dans quelles proportions il faut mélanger les trois granulats présentés dans le tableau suivant pour que 20 % du combiné traversent les mailles du
tamis de 630 µm et que 40 % traversent les mailles du tamis de 5 mm.
mm
µm
28
20
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
Granulat A
100
100
100
100
92
80
67
53
38
13
Granulat B
100
90
—
75
60
40
25
10
5
0
Granulat C
100
50
—
20
10
8
6
5
0
0
—
—
—
—
40
—
20
—
—
Exigence du combiné
SOLUTION
Il faut donc mélanger 30 % du granulat A avec 10 % du granulat B et 60 % du granulat C pour avoir le combiné souhaité.
Il faut donc trouver XA, XB , XC , c’est-à-dire les proportions de granulats A , B et C dans le combiné.
L’exemple 8.2 est un modèle simple de calcul de combiné à partir de trois granulats et dont les conditions sont imposées sur seulement deux tamis pour lesquels on établit les deux équations manquantes. Dans la pratique, les exigences sont généralement dénies sur plusieurs tamis, il faut alors faire un choix judicieux d’équations puisque la combinaison qui sera trouvée en dépend.
On a, pour le tamis de 630 µm, l’équation
tandis que pour le tamis de 5 mm, on a l’équation
En appliquant la méthode mathématique à l’aide d’outils informatiques, on peut élaborer divers scénarios pour arriver à une solution optimale, c’est-àdire un combiné qui réponde rigoureusement aux exigences ou aux conditions imposées. Du point de vue des mathématiques, cela revient à minimiser les différences entre les passants du combiné et ceux de la granulométrie visée. On peut aussi dénir diverses contraintes à appliquer lors du calcul du combiné.
avec en plus l’équation
Si on résout ce système de trois équations à trois inconnues, on trouve :
EXEMPLE
8.3
Comment mélanger les quatre granulats présentés dans le tableau suivant pour obtenir un
combiné qui satisfait aux exigences du fuseau imposé ?
mm
µm
20
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
Granulat A
100
100
87
7
2
2
2
2
2
1,5
Granulat B
100
100
100
96
66
42
36
29
19
13,1
Granulat C
100
100
100
92
74
52
33
20
10
5,8
Granulat D
100
100
100
99
97
93
80
40
11
3,3
Fuseau imposé
100
100
92-100
50-65
27-50
18-42
12-35
8-26
5-17
4-10
100,0
100,0
96,0
57,5
38,5
30,0
23,5
17,0
11,0
7,0
Médiane du fuseau
80
Le mélange des granulats
151
SOLUTION
Si on choisit la médiane du fuseau comme granulométrie visée et les tamis 5 mm, 630 µm et 80 µm, on aura les équations
de granulat D permet d’obtenir un combiné situé à l’intérieur du fuseau et dont le plus grand écart par rapport à la médiane est de 2,2 %. On peut aussi utiliser la méthode mathématique, qui est très exible. On pourrait, par exemple, choisir de limiter à 5,0 % le passant au tamis de 80 µm. La troisième équation deviendrait alors :
et l’équation
On peut résoudre très rapidement ce système de quatre équations à quatre inconnues en utilisant un tableur électronique et des fonctions mathématiques. Le mélange dont les proportions sont de 43 % de granulat A, 44 % de granulat B, 8 % de granulat C et 5 %
Il en résulte un combiné différent contenant 42 % de granulat A, 16 % de granulat B, 36 % de granulat C et 6 % de granulat D. Le changement signicatif des proportions des granulats B et C s’explique par le fait que B est le principal contributeur de particules plus petites que 80 µm.
RÉSUMÉ Il existe diverses façons d’obtenir un combiné qui répond à des spécications granulométriques précises en utilisant plusieurs granulats. Les différentes méthodes présentent des avantages et des inconvénients. Le choix d’une méthode en particulier dépend de plusieurs facteurs, notamment du choix judicieux des granulats de base entrant dans la composition du combiné granulométrique. Il est souvent nécessaire de mélanger deux ou plusieurs granulats pour satisfaire aux exigences particulières d’un cahier des charges (mélange pour enrobé bitumineux, sable pour béton) parce qu’on est incapable d’obtenir ce matériau directement et de façon économique. Il convient tout d’abord de s’assurer que les courbes granulométriques des matériaux qu’on se propose de mélanger ne sont pas situées simultanément d’un même côté du fuseau ou de la courbe recherchée. La méthode de détermination graphique convient très bien quand il s’agit de mélanger deux granulats pour satisfaire aux exigences d’un fuseau. Toutefois, cette méthode devient assez lourde à utiliser quand on doit mélanger trois granulats. Dans ce cas, il est préférable de recourir à la méthode trilinéaire (ou méthode du triangle), car elle apporte rapidement une solution au problème. La méthode mathématique, quant à elle, est plus appropriée quand il est nécessaire de déterminer dans quelles proportions mélanger quatre granulats (ou plus) dont les courbes granulométriques se chevauchent. Il existe à l’heure actuelle plusieurs logiciels, tableurs et algorithmes qui permettent d’optimiser et de créer des mélanges granulométriques. Ces méthodes s’avèrent plus rapides et efcaces que les méthodes graphiques, car elles permettent de présenter très rapidement plusieurs solutions à un même problème. Par contre, elles ne permettent pas de bénécier de l’aspect visuel que procurent les méthodes graphiques.
RÉFÉRENCE WINDISCH, É. J. « Grain-Size Distribution of Mixed Aggregates », Geotechnical Testing Journal, vol. 19, n° 2, juin 1996, p. 227-231.
152
CHAPITRE 8
QUESTIONS DE RÉVISION 1. Pourquoi faut-il parfois mélanger plusieurs granulats ? 2. Quand on mélange deux granulats, où se situe la courbe granulométrique du combiné par rapport à celle des deux granulats de base ? 3. Complétez la phrase : « Plus un granulat est prépondérant dans un combiné, plus sa courbe granulométrique est… » 4. En observant les courbes granulométriques, comment peut-on savoir si on peut mélanger deux granulats pour obtenir un combiné qui réponde aux spécications d’un fuseau donné ou d’une granulométrie visée? 5. Pour obtenir un combiné situé dans un fuseau donné, où doit se situer le point de rencontre quand on utilise deux granulats dont les courbes granulométriques se croisent? 6. Qu’est-ce qu’une ligne de combinaison? 7. Comment peut-on introduire les limites d’un fuseau dans la méthode graphique? 8. Comment trouve-t-on la plage des combinaisons possibles avec la méthode graphique? 9. Dans la méthode trilinéaire, où doit se trouver nécessairement le point P pour qu’on puisse réaliser le combiné avec les trois granulats de base? 10. Lorsqu’on a quatre granulats à mélanger pour réaliser un combiné, combien d’équations doit-on résoudre ?
PROBLÈMES 1 En reprenant les données du tableau 8.1 (voir p. 138), calculez la granulométrie du combiné (3A + B). 2 À l’aide des granulométries présentées dans le tableau suivant, trouvez la granulométrie du combiné obtenu en mélangeant 80 % de gravier et 20 % de criblure de pierre. mm
Gravier (A) Criblure (B)
µm
28
20
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
100
88
78
70
52
35
25
15
9
5
2,0
100
71
53
39
30
23
13,0
3 En utilisant les données du problème n° 2 et la méthode graphique, déterminez quelle devrait être la proportion des granulats A et B dans un combiné dont 40 % des particules traversent le tamis de 630 µm.
Le mélange des granulats
4 Un producteur de béton dispose de deux sables pour fabriquer ses bétons. Il veut les mélanger pour obtenir un sable pour béton situé au milieu du fuseau recommandé. Dans quelles proportions doit-il mélanger ces deux sables ? Quel est alors le module de nesse du combiné ? Les deux sables ont les granulométries suivantes : mm
µm
10
5
2,5
1,25
630
315
160
Sable n
100
100
100
90
65
40
15
Sable grossier
100
90
80
40
20
2
0
Milieu du fuseau
100
98
90
70
45
23
6
5 On décide de mélanger les granulats des trois trémies à chaud d’une usine d’enrobés bitumineux dans les proportions suivantes : 65 % de la trémie n° 1, 20 % de la trémie n° 2 et 15 % de la trémie n° 3. Quelle est la granulométrie du combiné ? mm 28
20
14
10
100
70
Trémie n° 1 Trémie n° 2 Trémie n° 3
100
31
µm 5
2,5
1,25
630
315
160
80
100
69
50
31
22
14
6,0
0
0
6 En utilisant la méthode graphique, trouvez les proportions dans lesquelles il faut mélanger le sable, la criblure et la pierre ci-dessous pour obtenir un combiné compris dans le fuseau imposé. mm 14
10
5
Sable
100
100
Criblure
100
100
Pierre
100
Fuseau imposé
100
µm 2,5
1,25
630
315
99
97
94
68
89
6
2
2
94-100
66-78
45-65
30-50
160
80
95
81
46
13
5,2
41
30
22
16
11,8
20-40
14-29
7-18
4-10
7 On décide de mélanger trois granulats dans les proportions suivantes : 40 % de sable, 50 % de gravier, 10 % de pierre. Quelle est la granulométrie du combiné ? Le combiné est-il compris dans le fuseau imposé ? mm
µm
28
20
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
Sable
100
100
100
97
84
74
64
48
22
11
7,0
Gravier concassé
100
100
83
72
42
30
20
14
12
9
7,0
Pierre
100
55
0
Fuseau imposé
100
48-78
34-55
24-45
16-39
9-31
6-23
4-15
3-8
95-100 65-88
153
154
CHAPITRE 8
8 Comment mélanger les trois granulats suivants pour obtenir un combiné qui satisfait au fuseau imposé ? mm 20
14
10
I II
µm 5
2,5
1,25
630
315
160
80
100
98
70
55
42
30
15,0
4
3
2,0
—
10-18
4-10
100
90
52
35
18
5
III
100
74
12
3
2
2
1
Fuseau imposé
100
80-100
70-90
—
30-55
20-30
55-75
9 Un producteur d’enrobés bitumineux dispose des quatre granulats ci-dessous pour fabriquer ses enrobés bitumineux. Dans quelles proportions doit-il les mélanger pour obtenir un combiné qui entre dans le fuseau imposé ? mm
µm
28
20
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
Granulat 1
100
100
100
100
100
100
96
91
59
20
3,0
Granulat 2
100
100
100
100
78
52
32
18
11
9
7,0
Granulat 3
100
100
100
67
2
Granulat 4
100
80
35
4
1
Fuseau imposé
100
24-45
16-39
9-31
6-23
4-15
3-8
95-100 65-88
48-78
34-55
10 En utilisant la méthode mathématique, trouvez les proportions dans lesquelles il faut mélanger la pierre, la criblure et les sables suivants pour obtenir un combiné compris dans le fuseau imposé. mm
µm
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
Sable
100
100
99
97
95
81
46
13
5,2
Sable manufacturé
100
100
96
65
45
27
17
8
4,8
Criblure
100
95
68
48
41
32
25
17
12,2
Pierre 5–10
100
87
6
2
Fuseau imposé
100
92-100
50-65
27-50
18-42
12-35
8-26
5-17
4-10
CHAPITRE
La production et le transport des granulats SOMMAIRE
9.1
L’exploitation des dépôts meubles
9.2 L’exploitation des carrières 9.3 La carrière de Saint-Dominique 9.4 Les normes du ministère de l’Environnement 9.5 Le transport des granulats
Il est rare de trouver dans la nature des gisements de granulats qui présentent les caractéristiques techniques recherchées pour remplir, sans traitement, les fonctions auxquelles on les destine. Il faut donc généralement soit leur faire subir un traitement préalable an de les transformer dans des installations de production pour les rendre conformes à des exigences précises, soit les fabriquer de toutes pièces en concassant et en tamisant des morceaux de rocs abattus par dynamitage sur le front de taille d’une carrière. Les installations de production de granulats permettent aussi de transformer un matériau donné, en général assez peu homogène, en une série de granulats dont les caractéristiques sont relativement constantes dans le temps et qui répondent en quantité et en qualité aux divers besoins du marché : granulats routiers, matériaux de remblais, granulats pour béton, granulats pour enrobé bitumineux, sable pour béton, matériaux d’enrochement, sable pour maçonnerie, etc. Dans les pages qui suivent, nous porterons notre attention sur les deux principaux types d’exploitation les plus communs : les dépôts meubles et les carrières. Ces deux types d’exploitation font généralement appel à plusieurs des opérations principales suivantes : • l’exploitation du gisement suivie du déversement des matériaux bruts dans la trémie de recette du débiteur (concasseur primaire) ; • la fragmentation des gros blocs en matériaux plus ns (poste primaire) ; • la transformation nale des matériaux du poste primaire en produits nis à commercialiser (usine d’élaboration) ; • le stockage des divers matériaux produits avant leur commercialisation (aires de stockage).
9
156
CHAPITRE 9
Nous décrirons le mode de fonctionnement des divers systèmes de concassage et de tamisage généralement utilisés dans les installations actuelles de production en nous appuyant sur les exemples de la sablière Lagacé de L’Avenir, du dépôt de gravier du banc Côté exploité par la compagnie DJL à Saint-FrançoisXavier-de-Brompton, et de la carrière de SaintDominique1 près de Saint-Hyacinthe. Ces installations xes sont de grande envergure et peuvent fournir une production très importante. Pour les décrire, nous nous baserons sur l’organigramme de l’installation en 2011 (voir la gure 9.40, p. 171) qui, dans son ensemble, a peu changé malgré les quelques modications vraiment mineures qui y ont été apportées. Les exploitants de carrières, de sablières ou de gravières ont aussi souvent recours à des installations mobiles lorsque les volumes insufsants de granulat vendu ne justient pas la construction d’installations xes.
9.1
L’exploitation des dépôts meubles
L’exploitation des granulats d’un dépôt meuble, qu’il s’agisse d’une ballastière, d’une gravière ou d’une sablière, est plus ou moins complexe et les opérations varient selon la nature du dépôt exploité et la nature des produits nis commercialisés.
9.1.1 Une description générale Les installations les plus simples comprennent une trémie d’alimentation et un crible vibrant qui écrête (retient) les particules les plus grosses, comme dans le cas de la sablière Lagacé. Les installations les plus complexes peuvent comprendre un système de concassage complet en circuit ouvert et un système de tamisage en circuit fermé, ainsi qu’un système de débourbage (lavage) lorsque le gisement contient des nes argileuses, comme dans le cas du banc Côté exploité par DJL. On dit qu’un circuit de tamisage est fermé lorsque le refus du premier crible est retourné à l’entrée du concasseur pour y être broyé de nouveau. Lorsque le granulat ne passe qu’une seule fois dans le concasseur, le système de concassage et de tamisage est ouvert. Parfois, ces installations possèdent même un système de classication qui permet de produire un sable de granulométrie constante.
L’exploitation d’un dépôt meuble commence par la découverte, c’est-à-dire par l’enlèvement des sols organiques et du mort-terrain qui recouvrent la formation rocheuse, ou la sablière, et par la mise en réserve de ces matériaux jusqu’au réaménagement nal en n d’exploitation. En général, l’exploitant approvisionne directement la trémie d’alimentation de son installation en matériau tout-venant dont les caractéristiques granulométriques sont plus ou moins constantes, et il compte sur l’empilage nal des produits nis pour homogénéiser sa production. Si le dépôt meuble exploité est particulièrement hétérogène, il est nécessaire de constituer un préentreposage de façon à maintenir une alimentation constante de l’installation. Dans la plupart des exploitations de dépôts meubles, les gros moellons sont éliminés par écrêtage, et ils sont parfois vendus pour remplir des gabions, des boîtes de ls d’acier remplies de grosses pierres dont on se sert pour retenir les terres en place, tel un mur de soutènement. Il arrive cependant qu’on les concasse (en totalité ou une fraction seulement) pour obtenir des matériaux plus anguleux. En effet, certains devis exigent, par exemple, que 50 % des particules refusées sur le tamis de 5 mm lors de l’essai de tamisage d’un gravier concassé soient fragmentées. Il arrive parfois que l’usine d’élaboration soit séparée en deux parties : une qui produit des granulats roulés et l’autre qui produit des granulats dont une partie est concassée. Les concasseurs et les systèmes de tamisage de ce type d’installation sont identiques à ceux des installations de production dans les carrières.
9.1.2 Le lavage des granulats (débourbage) Le lavage des granulats a pour but d’améliorer la propreté des granulats lorsqu’ils contiennent des matériaux indésirables (matières organiques, mottes d’argile, particules légères). Dans certains cas, il est possible de compléter le lavage des granulats ns par une classication par voie humide, une opération qui permet de reconstituer un sable dont la granulométrie est constante ou encore dont la granulométrie varie dans un fuseau très étroit. Le criblage par voie
1. Il s’agit des entreprises Lagacé Transport inc., Construction DJL, devenue depuis la division industrielle de Eurovia Québec, et Les carrières de Saint-Dominique. Par commodité, nous parlerons de la sablière Lagacé, de la compagnie DJL et de la carrière de Saint-Dominique.
La production et le transport des granulats
sèche d’un sable naturel n’est pas rentable à cause des coûts prohibitifs qu’occasionneraient son séchage.
157
FIGURE 9.1 Coupe d’un trommel laveur
Un tel sable lavé et classié est particulièrement intéressant pour fabriquer du béton puisque son module de nesse et son absorption ne varient pratiquement pas. Le lavage des granulats nécessite de grandes quantités d’eau qu’il faut clarier avant de la recycler dans le système. La clarication des eaux de lavage peut se faire dans des étangs de sédimentation lorsque l’usine de traitement de granulats dispose de vastes étendues de terrains où le niveau de la nappe phréatique se trouve à proximité de la surface du terrain naturel. Dans le cas contraire, lorsque le niveau de la nappe phréatique est profond, la clarication des eaux de lavage doit se faire dans des hydrocyclones, des appareils dans lesquels on utilise les effets de la force centrifuge pour éliminer les particules solides contenues dans les eaux de lavage. Le lavage des granulats peut faire appel à plusieurs techniques plus ou moins complexes selon la grosseur des granulats à laver, leur degré de pollution initiale et le degré de propreté nal recherché. On peut laver les granulats en utilisant les techniques de rinçage, de lavage sur trommel et de lavage par vis débourbeuse.
Le rinçage des granulats On effectue le rinçage des fractions les plus grossières des granulats au moyen de rampes d’arrosage placées au-dessus des cribles. L’action simultanée des jets d’eau et de la vibration des granulats sur le crible permet d’entraîner les particules d’argile collées sur les gros granulats et les matières organiques, tout en désintégrant les mottes d’argile. Donc, moins il y a de granulats sur le crible, plus ce rinçage est efcace. Le lavage sur trommel Un trommel est un cylindre tournant perforé (voir la gure 9.1). Le roulement et le brassage des granulats entre eux et sur le fond du trommel assurent l’élimination des particules indésirables. Ce système est employé surtout pour laver les fractions les plus grossières. Souvent, il faut compléter ce lavage par un rinçage sur crible, une technique de lavage de plus en plus courante. Le lavage par vis débourbeuse Dans les vis débourbeuses, le brassage est assuré par une spirale simple ou double (voir la gure 9.2). Les particules indésirables sont mises en suspension et éliminées par le trop-plein. On se sert de ce type d’appareil pour le lavage des sables peu pollués.
Parfois, les installations de lavage comportent aussi un système de classication hydraulique qui permet d’éliminer les excédents de sables ns et très ns, ainsi qu’un système de concassage qui permet d’incorporer un complément d’éléments grossiers lorsque le banc de sable naturel exploité ne contient pas sufsamment de particules grossières. En général, on broie les particules moyennes éliminées lors de l’écrêtage. Une installation de lavage munie d’un système de classication hydraulique et d’un concasseur d’appoint permet de limiter les variations du module de nesse d’un sable pour béton à ± 0,2.
FIGURE 9.2 Installation de débourbage (lavage) d’un sable pour béton
158
CHAPITRE 9
9.1.3 La sablière Lagacé de L’Avenir
FIGURE 9.4 Chargeuse équipée de cellules de charge
La sablière Lagacé exploite un dépôt de sable naturel dont la granulométrie est pratiquement celle d’un sable n pour béton. Cette sablière est exploitée par un seul opérateur qui ne dispose que de trois équipements (voir la gure 9.3) : • une très grosse chargeuse dont le godet peut charger 10 tonnes de sable à la fois (voir la gure 9.4). Ce godet est muni de cellules de charge qui permettent de calculer de façon cumulative la masse de sable chargée dans un camion ; • un convoyeur pour construire les piles ; • une unité de tamisage qui élimine les particules indésirables contenues dans le dépôt naturel (moins de 3 % du tout-venant). Ce système de tamisage se compose de deux parties principales : un scalpeur grizzly et un crible vibrant. Le scalpeur grizzly a ses barres espacées de 60 mm, ce qui lui permet d’éliminer les gros galets (peu fréquents), les gros morceaux de branches (rares) et les mottes d’argile (très peu) (voir la gure 9.5). Le matériau qui traverse ce scalpeur est ensuite repris par un convoyeur qui l’achemine sur un crible vibrant situé plus haut, au bout du convoyeur. Ce crible vibrant est muni de deux tamis de 6 et 3 mm qui éliminent les gravillons dont la taille dépasse 3 mm (voir la gure 9.6).
FIGURE 9.5 Élimination des matériaux grossiers
FIGURE 9.6 Rejets de la sablière Lagacé
Le matériau qui traverse le tamis de 3 mm est repris par le convoyeur pour bâtir les piles qui serviront à charger les camions. D’une grande simplicité, cette opération est d’une efcacité remarquable. Les camions sont pesés soit au moyen de la balance du client, s’il en a une, soit à l’aide du godet du chargeur dont les cellules de charge pèsent la quantité de sable chargé dans le camion. FIGURE 9.3 Équipements de la sablière Lagacé à L’Avenir
Le sable fourni contient moins de 2 % de passant sur un tamis de 80 µm. Son module de nesse moyen est de 1,90. Ce sable n est mélangé à de la criblure de pierre plus grossière pour nalement obtenir un sable à béton dont le module de nesse moyen se situe entre 2,50 et 2,70.
9.1.4 Le banc Côté exploité par DJL à
Saint-François-Xavier-de-Brompton Le banc Côté (voir la gure 9.7) est un dépôt de gravier d’origine uvioglaciaire qui comporte trois zones à peu près parallèles :
La production et le transport des granulats
• une zone de matériau n (sable, silt, argile) (voir la gure 9.8 a) ;
FIGURE 9.8 Les différentes zones du banc Côté
• une zone centrale sableuse qui renferme peu de particules nes, mais tout de même assez pour nécessiter un lavage (voir la gure 9.8 b) ; • une zone plus grossière dans laquelle on trouve de gros graviers et des moellons (voir la gure 9.8 c). Seule la partie centrale sableuse du banc est actuellement exploitée. Le tout-venant de la zone sableuse est chargé sur des camions (voir la gure 9.8 b), puis il est déversé sur un séparateur dont les barres sont espacées d’environ 350 mm an d’éliminer les très gros moellons que le concasseur primaire à mâchoire ne pourrait fractionner (voir la gure 9.9). À la sortie de ce concasseur, les plus grosses particules ont un diamètre maximal de 75 mm. Un broyeur secondaire conique réduit ensuite la dimension maximale des particules à 20 mm. Le gravier ainsi concassé est dirigé vers un crible (voir la gure 9.10, page suivante) séparant la fraction grossière (10-20 mm) (voir la gure 9.11, page suivante), le sable (0-5 mm) et une fraction intermédiaire (5-10 mm) qui sont lavés (voir la gure 9.12, page suivante) dans deux vis débourbeuses (voir la gure 9.13, page suivante) avant d’être expédié par camion. Les eaux de lavage (voir la gure 9.14, page suivante) sont rejetées dans l’étang de sédimentation. L’eau qui est utilisée dans les vis débourbeuses est pompée à l’extrémité de cet étang de sédimentation dans un endroit où les eaux de lavage rejetées ont eu le temps de devenir propres (voir la gure 9.15, page suivante). L’étang de sédimentation, que l’on peut aussi apercevoir en avantplan sur la gure 9.7, est curé régulièrement. FIGURE 9.7 Banc Côté exploité par DJL à Saint-François-Xavier-de-Brompton
a) Zone de matériaux ns
b) Zone sableuse
c) Zone grossière
FIGURE 9.9 Séparateur à barres
159
160
CHAPITRE 9
FIGURE 9.10 Crible
FIGURE 9.11 Pile de gravier concassé lavé
FIGURE 9.13 Vis débourbeuse
FIGURE 9.14 Eaux de lavage
FIGURE 9.15 Station de pompage dans l’étang de sédimentation
FIGURE 9.12 Piles de sable lavé
9.2
L’exploitation des carrières
Une usine de production de granulats concassés est une installation industrielle qui remplit deux fonctions : le concassage et le criblage des produits d’abattage de la carrière. Pour ce faire, les installations de production mettent en œuvre les quatre composantes suivantes : des concasseurs, des cribles, des convoyeurs et des trémies.
La production et le transport des granulats
9.2.1 Une description générale L’exploitation d’une carrière de pierre commence par la mise à découvert du site an d’éliminer tous les matériaux détritiques et organiques qui recouvrent le gisement de roche saine qu’on se propose d’exploiter. La mise à découvert est aussi appelée « élimination du mort-terrain ». À l’heure actuelle, les carrières doivent entreposer le mort-terrain de façon à pouvoir l’utiliser lors des travaux de réaménagement du site après son exploitation. Le front de taille de la carrière (voir la gure 9.16) est dynamité selon un plan de dynamitage (voir la gure 9.17), qui tient compte de la nature de la roche exploitée dans le gisement et de la dimension maximale des blocs que peut traiter le concasseur primaire (le débiteur). Le plan de dynamitage doit optimiser le rendement de la production et atteindre l’équilibre xé entre les quantités de particules nes et de blocs produits. Après leur abattage, les blocs trop volumineux sont concassés à l’aide d’une pelle mécanique équipée d’un marteau piqueur (voir la gure 9.18). Les produits d’abattage et les blocs concassés sont chargés dans des camions (voir la gure 9.19) qui les déversent dans la trémie de recette du poste primaire, c’est-à-dire la trémie dans laquelle on déverse les roches nécessaires pour obtenir différents granulats (voir la gure 9.20). Les blocs trop gros pour passer dans le concasseur primaire sont fractionnés par un marteau piqueur situé FIGURE 9.16 Forage du front de taille
FIGURE 9.17 Plan de dynamitage
161
à l’extrémité d’un bras articulé commandé depuis le poste de contrôle (voir la gure 9.21, page suivante). Dans certaines usines, on effectue une première élimination des matériaux ns à cette étape. Cette préélimination permet d’éliminer les impuretés contenues dans FIGURE 9.18 Fracturation de très gros blocs
FIGURE 9.19 Chargement de blocs d’abattage
FIGURE 9.20 Déversement des blocs dans la trémie de recette du poste primaire
162
CHAPITRE 9
FIGURE 9.21 Marteau piqueur sur bras articulé dans la trémie de recette du poste primaire
le banc, impuretés qui proviennent des remplissages terreux ou argileux des ssures ou de zones d’altération. En effet, ces matériaux peu résistants se retrouvent presque totalement dans la fraction ne des produits d’abattage. En général, ce tout-venant est utilisé pour la construction de remblais. Dans d’autres installations, cette élimination des matériaux ns se fait après le passage des produits d’abattage dans le concasseur primaire.
FIGURE 9.22 Système de bandes transporteuses
FIGURE 9.23 Chargement d’un camion sous une trémie d’entreposage temporaire
Dans certaines installations, les matériaux concassés qui sortent du concasseur primaire débarrassés des particules les plus nes sont dirigés vers un stock primaire, ou préstock, qui a deux fonctions : • homogénéiser les matériaux qui seront dirigés vers l’usine d’élaboration ; • servir de tampon entre la carrière, qui fonctionne de façon discontinue, et l’usine d’élaboration des produits nis qu’il est préférable de faire fonctionner de façon continue. Dans d’autres usines, les matériaux concassés et débarrassés des produits ns sont dirigés directement dans l’usine d’élaboration des produits nis. L’usine d’élaboration comporte une ou plusieurs séries de concasseurs appelés « concasseur secondaire », « tertiaire » et « quaternaire » qui fonctionnent en circuit ouvert ou fermé avec un système de tamisage constitué de cribles vibrants permettant de classer les granulats par ordre de grosseur.
À leur sortie des cribles, les granulats sont soit entreposés temporairement dans des trémies, soit dirigés directement au moyen d’un système de bandes transporteuses (convoyeurs) vers les aires de stockage (voir la gure 9.22). Les granulats qui sont entreposés temporairement dans des trémies sont ensuite transportés par des camions (voir la gure 9.23) vers les aires de stockage, avant d’être livrés aux clients (voir la gure 9.24).
9.2.2 Les différents types de concasseurs En plus de distinguer les concasseurs selon leur fonction dans l’usine de production de granulats, on a l’habitude de les classer d’après leur mode de fonctionnement. En effet, la fragmentation des blocs de roche peut se faire de deux façons :
La production et le transport des granulats
FIGURE 9.24 Chargement d’un camion pour livraison
163
Nous allons décrire sommairement le principe de fonctionnement de chacun de ces différents concasseurs industriels après avoir déni la notion de rapport de réduction. On appelle « rapport de réduction d’un concasseur » la valeur du quotient obtenu en divisant la dimension maximale des blocs de roche qu’on peut introduire dans le concasseur par la dimension maximale des blocs qui quittent le concasseur après le broyage.
• par écrasement entre deux pièces de concassage, comme dans le cas des concasseurs à mâchoires, des concasseurs giratoires ou des concasseurs à rouleaux ; • par choc et projection sur des enclumes xes, comme dans le cas des broyeurs à marteaux ou des concasseurs à percussion. On utilise aussi couramment les expressions de « concasseur à choc » ou de « concasseur à impact ». FIGURE 9.25 Concasseur à mâchoires
Les concasseurs à mâchoires Les concasseurs à mâchoires fonctionnent sur le même principe qu’un casse-noix : le matériau est écrasé entre deux mâchoires, l’une mobile et l’autre xe. Les concasseurs à mâchoires (voir la gure 9.25) sont constitués d’un bâti en acier sur lequel est xée la mâchoire xe. Un balancier équipé de la mâchoire mobile est suspendu sur un arbre excentré. Cet arbre est muni de deux volants d’inertie comportant des masses d’équilibrage. L’amplitude de la mâchoire
164
CHAPITRE 9
mobile est réglée selon l’inclinaison du volet d’articulation par rapport au plan du balancier.
FIGURE 9.27 Concasseur giratoire conique
Les mâchoires du concasseur sont généralement plates. Cependant, un certain nombre de constructeurs proposent aussi des mâchoires courbes, convexes ou concaves, ou encore convexes et concaves. On utilise principalement les concasseurs à mâchoires comme concasseurs primaires. Les qualités essentielles de ce type d’appareil sont sa robustesse et sa facilité d’entretien. Par contre, si la roche exploitée est abrasive et si le rendement horaire recherché est élevé (plus de 1000 t/h), il est préférable d’utiliser soit un concasseur giratoire, soit un concasseur à percussion. Notons enn que les concasseurs à mâchoires se dérèglent souvent et nécessitent des ajustements fréquents. De plus, leur usure dépend de la dureté de la roche exploitée. Le rapport de réduction de ce type de concasseur est de l’ordre de 4 à 5.
Les concasseurs giratoires (concasseurs coniques) L’arbre principal du concasseur giratoire (voir la gure 9.26) décrit un cône autour d’un axe vertical. À mi-hauteur de cet arbre, la noix de broyage oscille à l’intérieur d’une pièce xe appelée anneau de broyage (ou bol) d’un concasseur giratoire. Ainsi, la noix roule sur les matériaux, ce qui réduit l’usure des pièces qui servent au broyage des matériaux. La dimension du produit à la sortie est déterminée par l’écartement maximum du cône et du bâti, appelé « réglage ». En jouant sur la géométrie interne des concasseurs giratoires, on peut utiliser ces appareils comme concasseurs primaires, secondaires, tertiaires ou quaternaires. FIGURE 9.26 Concasseur giratoire
Les concasseurs giratoires primaires présentent de larges ouvertures d’entrée qui leur permettent d’accepter les plus gros blocs (voir la gure 9.27). Ils peuvent fonctionner sans danger quand leur chambre de concassage est complètement remplie puisque leur alimentation ne nécessite aucune précaution spéciale. L’appareil ainsi chargé travaille constamment au maximum de sa capacité. Le rapport de réduction de ce type de concasseur est de l’ordre de 6 à 8. Les concasseurs giratoires secondaires diffèrent surtout par leur taille ; ils sont plus petits. Ce sont, en général, des concasseurs à cône court munis pour la plupart d’un dispositif de sécurité (hydraulique ou à ressort) qui permet un démarrage en charge sans avoir à débourrer l’appareil à la main. Les concasseurs giratoires tertiaires et quaternaires fonctionnent selon le même principe. Cependant, on porte une attention particulière au réglage de la vitesse d’écrasement, de la vitesse de rotation et de l’excentricité. Dans ce type de concasseur, le broyage doit s’effectuer en milieu dense, compact et homogène, et les particules doivent subir un grand nombre de chocs sur toutes leurs faces. Tandis que les concasseurs giratoires primaires et secondaires ont des chambres de broyage à volume fortement décroissant, celles des concasseurs giratoires tertiaires et quaternaires ont un volume constant ou légèrement décroissant. Cette disposition diminue considérablement la formation de particules plates ou en aiguilles. Le rapport de réduction peut alors atteindre des valeurs de 10 à 12.
La production et le transport des granulats
FIGURE 9.28 Concasseur à rouleaux
165
FIGURE 9.29 Concasseur à percussion
FIGURE 9.30 Broyeur à marteaux
Les concasseurs à rouleaux Les concasseurs à rouleaux sont constitués de deux rouleaux qui tournent en sens inverse (voir la gure 9.28). Une batterie de ressorts permet un certain déplacement des cylindres l’un par rapport à l’autre dans le plan horizontal, de façon à permettre le passage de corps étrangers très durs (pièces d’acier). Le domaine d’application de ce type de concasseur est assez limité, car son rapport de réduction est plutôt faible (3 à 4), l’usure des cylindres est importante lorsqu’on traite des matériaux abrasifs et le remplacement des chemises est assez long. On utilise souvent ce type de concasseur comme concasseur secondaire dans les petites usines mobiles.
Les concasseurs à percussion Les concasseurs à percussion sont constitués d’un rotor tournant à grande vitesse à l’intérieur d’une enceinte fermée équipée de plaques de choc ou d’enclumes. Le rotor muni d’un certain nombre de pièces de choc (xes dans le cas des concasseurs à percussion, mobiles dans le cas des broyeurs à marteaux) projette les matériaux sur les enclumes. Le concassage s’effectue par percussion des particules sur les percuteurs ou marteaux du rotor, par les matériaux entre eux, ou par percussion des matériaux sur les enclumes. En général, les concasseurs à percussion sont utilisés comme concasseurs primaires ou secondaires (voir la gure 9.29) ; et les broyeurs à marteaux comme concasseurs tertiaires ou quaternaires (voir la gure 9.30). Les concasseurs à percussion permettent de très grands rapports de réduction pouvant aller
jusqu’à 30, mais ils produisent un pourcentage important d’éléments ns. De plus, ils sont très sensibles à l’usure lorsqu’ils traitent des matériaux un tant soit peu abrasifs qui contiennent plus de 10 % de silice ou de quartz. D’ailleurs, l’emploi de ce type de concasseur est à proscrire lorsque la roche à traiter est peu fragile aux chocs (comme certains calcaires tendres ou schistes). Ce type de concasseur doit être équipé d’un moteur très puissant pour concasser les gros blocs. Notons enn que les broyeurs à marteaux permettent d’obtenir des granulats de cubicité inégalable.
9.2.3 Le choix du type de concasseur Il n’existe pas de concasseur idéal. Les différents types de concasseurs que nous venons de décrire présentent tous des avantages et des inconvénients selon le type de roche à traiter et l’utilisation prévue des granulats produits. Les facteurs les plus importants à considérer lors du choix d’un concasseur sont : • la dimension des plus gros morceaux des produits d’abattage ;
166
CHAPITRE 9
• la capacité de concassage ; • le rapport de réduction recherché ;
FIGURE 9.31 Précribleur
• la dureté et le caractère abrasif de la roche à concasser ; • la granulométrie attendue des produits nis ; • la répartition volumétrique des différents produits nis fabriqués ; • la forme des produits concassés ; • la consommation d’énergie et la puissance des moteurs ; • les caractéristiques mécaniques du concasseur (rusticité, facilité d’entretien, facilité de remplacement des parties usées par abrasion, facilité des réglages, etc.).
9.2.4 Le système de shaper (surfaçage) Certaines installations sont munies de systèmes de shaper. Ces appareils permettent de frotter les particules les unes sur les autres an d’améliorer leur forme. Il est recommandé d’utiliser de tels appareils lorsque le type de roche exploité et le type de concasseur utilisé produisent beaucoup de particules plates et allongées. Comme les arêtes et les pointes des granulats sont émoussées par abrasion, les granulats sont moins sujets à l’abrasion quand ils sont mis en place. Le pourcentage de particules plates et allongées en est beaucoup réduit, ce qui permet des applications plus constantes et précises. Les concasseurs sont maintenant équipés pour concasser et surfacer les granulats selon les besoins.
9.2.5 Les systèmes de criblage Les précribleurs Les précribleurs, aussi appelés « crible à barreaux » ou « crible de type grizzly », sont constitués d’un système de barres ou de rails parallèles montés sur un bâti qui vibre (voir la gure 9.31). Les particules qui ont un diamètre inférieur à l’écartement des barres ou des rails peuvent être ainsi séparées des autres. Avant chaque concassage, on commence par éliminer les matériaux qui ont déjà une dimension inférieure à celle des particules les plus petites qui sortiront du concasseur. Ce précriblage a plusieurs objectifs : • augmenter le rendement horaire du concasseur et éviter ainsi de surcharger le concasseur avec des particules dont la taille est déjà réduite aux dimensions voulues ; • éliminer les particules de roche les plus fragiles qui ont été réduites les premières en particules de petite dimension. C’est souvent le cas des schistes et des
veines de calcaire sédimentaire très tendre. Souvent la terre végétale et les matières organiques qui se trouvaient dans la carrière sont aussi éliminées lors de ce précriblage ; • limiter l’abrasion dans le concasseur. En effet, contrairement à ce qu’on peut penser, ce ne sont pas les gros blocs qui usent surtout les concasseurs, mais plutôt les particules très nes qui ont le même effet que les grains d’une toile émeri utilisée dans les ateliers de mécanique pour polir les surfaces machinées. Les granulats éliminés lors du précriblage peuvent être dirigés directement vers une pile de stockage pour être vendus comme granulat routier dans lequel on tolère la présence de schiste, de particules molles ou de quelques particules organiques. Quant à la partie saine du matériau, elle est soumise immédiatement au concassage.
Les cribles Le système de tamisage est constitué d’un empilement de cribles inclinés à maille carrée ou rectangulaire qu’on fait vibrer, ce qui permet de séparer les particules selon leur grosseur (voir la gure 9.32). Le tamisage à sec à hautes fréquences De plus en plus d’installations de production de granulats utilisent le tamisage à sec à hautes fréquences ou à ultrasons comme complément ou comme substitut du lavage. Ce tamisage s’effectue sur des cribles vibrants à de très hautes fréquences, ce qui permet d’éliminer les
La production et le transport des granulats
FIGURE 9.32 Principe de fonctionnement d’un crible
167
boues ou les traiter entraîne aussi un coût supplémentaire pour le producteur puisque leur traitement est soumis à des règles environnementales très strictes. Le système de tamisage peut fonctionner en circuit ouvert, c’est-à-dire qu’aucune des particules qui ont été classées n’est retournée vers le concasseur pour que sa dimension soit réduite de nouveau. Il peut aussi fonctionner en circuit fermé ; dans ce cas, le refus du tamis supérieur est sans cesse retourné vers le concasseur.
9.2.6 Les appareils de manutention La manutention des granulats en sablière, en gravière ou en carrière est presque toujours assurée par des appareils à bandes transporteuses (convoyeurs à courroie) (voir la gure 9.33 a). On n’utilise des chargeuses ou des camions que dans de rares cas ou au moment de l’expédition des matériaux. particules nes sans recourir à des jets d’eau. En plus d’augmenter le rendement du processus de production, ces cribles permettent d’éviter d’avoir à gérer et à traiter les boues de lavage composées d’eau, de particules nes et de matières indésirables. Se débarrasser de ces FIGURE 9.33 Bandes transporteuses
a) Système de bandes transporteuses
b) Sauterelle
On peut installer les bandes transporteuses sur des supports xes (voir la gure 9.34, page suivante) lorsqu’elles assurent le transport des granulats d’un poste de traitement à l’autre. Il est aussi possible de les installer en sauterelle (voir la gure 9.33 b) xe ou mobile lors de la constitution des piles de réserve.
168
CHAPITRE 9
FIGURE 9.34 Techniques de stockage recommandables
À la sortie des cribles, les différentes fractions granulométriques peuvent être entreposées dans des trémies ou des silos. Habituellement, on parle de trémie quand la section du réservoir où l’on recueille les granulats est carrée ou rectangulaire, et de silo de stockage lorsque la section du réservoir est circulaire.
a) Stockage stratié selon les normes CSA
En règle générale, les trémies et les silos sont de faible capacité. C’est pourquoi il est très souvent nécessaire de les vider à l’aide de camions et d’acheminer leur contenu vers des aires de stockage.
b) Stockage au chargeur (gerbage) selon les normes CSA
Dans les installations de production de granulats, on accorde souvent assez peu d’importance à la mise en réserve des granulats. Après avoir investi beaucoup d’énergie, d’argent et de temps à fabriquer et classer un granulat qui répond à des exigences particulières, on lui fait perdre certaines de ses caractéristiques en négligeant sa mise en réserve. Les deux principaux phénomènes qu’il faut éviter lors de la mise en réserve des granulats sont la ségrégation et la contamination.
c) Empilement d’un déchargement à l’aide d’une grue, selon le comité ACI
9.2.7 Les matériaux d’ajout Après le criblage et le contrôle des granulats, le technicien responsable de la qualité du granulat peut corriger une granulométrie déciente à l’aide de matériaux d’ajout. Ces matériaux d’ajout sont habituellement incorporés aux granulats utilisés comme matériaux de fondation. Par exemple, si on obtient un granulat qui ne contient pas assez de particules nes, on peut en corriger la granulométrie en y incorporant un sable n ou une criblure. Ces matériaux d’ajout sont souvent des sous-produits (qui seraient vendus moins cher) auxquels on donne une deuxième fonction. Encore une fois, l’optimisation de tous les produits disponibles permet d’avoir un meilleur rendement du site d’exploitation.
9.2.8 La mise en réserve des granulats Dans la documentation technique, on emploie les termes « entreposage » ou « stockage » pour désigner la mise en réserve des granulats.
La ségrégation se dénit comme la séparation des particules d’un granulat selon leur grosseur sous l’action de la gravité, du vent, etc. Les particules les plus grosses et les plus cubiques ont tendance à rouler au bas des piles de réserve, alors que les particules nes ont tendance à rester sur les pentes. La ségrégation se produit surtout dans les piles de réserve de granulats à granulométrie étalée tels que les sables, les graviers et les pierres concassées. Le séchage superciel qui se produit sur les pentes des piles ne fait qu’accentuer ce phénomène. Il est à noter que ce phénomène de ségrégation est très peu marqué lorsqu’on entrepose des granulats à granulométrie serrée comme les gros granulats pour béton, par exemple. La contamination des granulats se produit chaque fois que, par inadvertance ou par manque de soin, deux piles voisines se chevauchent. Ainsi, tout le bénéce du criblage se trouve perdu. Il suft de prévoir des espaces sufsants entre les piles de réserve ou d’ériger, lorsqu’on manque de place, des parois de séparation solides, étanches et sufsamment grandes. Les schémas suivants illustrent quelques recommandations sur la façon d’entreposer correctement des granulats et sur ce qu’il faut éviter de faire. La gure 9.34 illustre trois techniques de stockage recommandables. En a), on peut voir le mode de stockage stratié : les matériaux sont mis en place par déversement des camions ou chargeurs en couches superposées
La production et le transport des granulats
FIGURE 9.35 Techniques de stockage acceptables selon le comité ACI
169
présente deux techniques de stockage à proscrire : en a), le stockage à la déverse favorise une ségrégation importante qui s’accompagne en b) d’un risque de contamination. Voici donc les règles générales de mise en réserve.
a) Déchargement d’une bande transporteuse et empilement à l’aide d’un chargeur
b) Déchargement d’un camion et empilement à l’aide d’un chargeur
présentant des redans; en b), les granulats sont déversés au pied de la pile et relevés par le chargeur ; alors qu’en c), ils sont relevés par une grue qui les dépose. La gure 9.35 présente deux techniques de stockage acceptables, mais qui présentent certains risques. En général, on dé conseille aussi la circulation de bouteurs mécaniques ou de chargeuses sur les piles de réserve, car cette circulation peut modier la granulométrie (usure causée par le roulement) et polluer le granulat (apport de matériaux étrangers restés collés sur les chenilles des bouteurs ou les pneus des chargeuses). À la gure 9.36, on voit que la mise en tas effectuée par une sauterelle mobile est recommandable alors qu’il y a risque de ségrégation lorsque la mise en tas est effectuée par une sauterelle xe. Finalement, la gure 9.37 (page suivante) FIGURE 9.36 Mise en tas par sauterelle selon les normes CSA
• Les matériaux concassés utilisés dans les sousfondations et dans les fondations routières doivent être mis immédiatement en réserve après le concassage lorsqu’ils correspondent au calibre normalisé, dont le tamisat est supérieur à 20 % au tamis de 5 mm. • Les dépôts sont faits sur des emplacements nivelés, drainés et nettoyés de toute matière contaminante. Dans chaque couche, les matériaux sont déposés en tas dont la hauteur n’excède pas 2 m. Ces tas sont ensuite nivelés pour former une couche qui n’excède pas 1,20 m de hauteur. Il faut prévoir des redans de 1 m de large entre chaque couche. • Toute couche qui n’est pas conforme aux exigences granulométriques doit être corrigée avant le dépôt de la couche suivante. • Les matériaux de calibre différent doivent être déposés de façon à éviter tout risque de contamination.
9.2.9 La dénomination des granulats produits
dans les installations de production Pendant longtemps, la dénomination des granulats a causé une grande confusion. En effet, pour certaines carrières, un granulat vendu sous la dénomination 20 mm était un granulat correspondant soit à un refus sur ce tamis, soit au tamisat sur ce tamis, ou encore à un granulat dont la dimension moyenne des particules était de 20 mm.
170
CHAPITRE 9
FIGURE 9.37 Techniques de stockage à proscrire selon les normes CSA
An de remédier à cette confusion, on parle plutôt maintenant d’un granulat 20-40 mm, d’un granulat 5-14 mm ou d’un granulat 5-20 mm. De cette façon, il n’y a plus de confusion possible.
9.3
FIGURE 9.38 Vue aérienne de la carrière de Saint-Dominique
La carrière de Saint-Dominique
La carrière de Saint-Dominique est située à la sortie du village de Saint-Dominique sur la route 139, dans la région de Saint-Hyacinthe. Elle exploite, sur 700 hectares, un gisement de calcaire qui contient de 0,5 à 10 % de quartz et un gisement de calcaire dolomitique d’une épaisseur totale de près de 90 m et qui renferme de 20 à 40 % de quartz (voir la gure 9.38). La production annuelle des carrières de Saint-Dominique est de 2 100 000 t qui se partage en plus de 70 produits commerciaux, sans compter une production de chaux agricole.
FIGURE 9.39 Salle de contrôle
9.3.1 Une description générale Les installations de production de granulats sont entièrement automatisées et supervisées par une seule personne à partir d’une série de moniteurs situés dans une salle de contrôle qui domine toute l’installation de production (voir la gure 9.39). La gure 9.40 montre le ot d’écoulement des granulats à travers toute l’installation qui comporte quatre unités de concassage et quatre systèmes de criblage. Les unités de concassage secondaire, tertiaire et quaternaire sont toutes munies d’un système de dépoussiérage à ltres. Les installations possèdent
aussi une unité de lavage de la criblure (passant de 5 mm) permettant d’éliminer l’excès de particules nes de moins de 80 µm et d’obtenir une granulométrie de sable à béton. L’eau chargée des particules nes retirées lors du lavage est ensuite déversée dans le lac situé au centre de la carrière (voir la gure 9.41).
La production et le transport des granulats
171
FIGURE 9.40 Flot d’écoulement des granulats à travers toute l’installation de la carrière Saint-Dominique en 2011
FIGURE 9.41 Lac de sédimentation
La carrière de Saint-Dominique dispose d’une unité de production de sable manufacturé pour béton à partir de sa criblure de pierre qui ne fonctionne plus actuellement. Ce sable pour béton présente des particules arrondies, ce qui permet de diminuer le coefcient de friction des particules dans le béton et donner des bétons plus maniables.
9.3.2 Le dynamitage du front de taille
La carrière est exploitée huit mois par année. Les opérations de concassage, de criblage et de lavage cessent au début du mois de décembre et reprennent en avril, mais les granulats peuvent être livrés toute l’année.
La compagnie compte, parmi son personnel, un foreur qui fait fonctionner une perforatrice pour effectuer le dynamitage du front de taille de la carrière. Elle emploie aussi un articier qui effectue les tirs de mine. Le dynamitage des bancs de calcaire et de calcaire dolomitique produit une roche très fractionnée qui nécessite peu de concassage avant d’être dirigée vers le concasseur primaire. Une pelle mécanique équipée d’un pic de concassage fractionne les morceaux de roche dynamitée de plus de 900 mm de diamètre.
172
CHAPITRE 9
La roche dynamitée et les fractions de gros blocs concassés sont reprises par un chargeur 992K de Caterpillar et transportées par des camions de 60 t (Cat 775 F) jusqu’au concasseur primaire situé au fond de la carrière.
FIGURE 9.43 Usine de traitement nal des granulats
9.3.3 Le concassage Le concassage est une opération qui fait appel successivement à quatre types de concasseurs.
Le concasseur primaire L’alimentation du concasseur se fait par l’intermédiaire d’un séparateur grizzly de 150 mm d’ouverture. Seul le refus du grizzly passe dans le concasseur primaire. Il s’agit d’un concasseur à mâchoires qui broie en fragments de 0 à 300 mm les blocs dont la taille initiale ne dépasse pas 1000 mm. Lorsque le concasseur primaire est bloqué par un bloc trop volumineux, une alarme retentit et l’opérateur de l’installation doit alors actionner un bras armé d’un pic de concassage qui permet de débourrer le concasseur. Étant donné la nature abrasive du quartz contenu dans le calcaire dolomitique, on change les plaques d’enclume du concasseur à mâchoires en acier au manganèse tous les dix-huit mois, soit après avoir concassé trois millions de tonnes de granulats. Les matériaux qui ont passé directement au travers du grizzly et ceux qui ont été concassés sont repris par une bande transporteuse (voir la gure 9.42) pour être acheminés vers les deux usines de traitement nal des granulats (voir la gure 9.43). Avant d’être dirigé dans ces deux unités de traitement nal, le tout-venant produit par le concasseur primaire est fractionné en cinq classes granulométriques : 100-200 mm ; 50-100 mm ; 20-50 mm ; MG 20 et MG 20b. FIGURE 9.42 Remontée des matériaux cassés dans le concasseur primaire vers l’usine de traitement nal
Le concasseur secondaire Les quatre premières classes granulométriques correspondent à des granulats de 20 à 300 mm qu’on dirige vers le concasseur secondaire, de type conique (voir la gure 9.44). Les granulats qui sortent de ce concasseur sont ensuite dirigés vers une unité de criblage qui les fractionne en les faisant passer sur une série de tamis de 200, 120 et 25 mm. FIGURE 9.44 Concasseur conique
La production et le transport des granulats
Le concasseur tertiaire Les matériaux retenus sur les deux premiers tamis de 25 et de 120 mm d’ouverture sont dirigés vers un concasseur tertiaire conique. Après leur passage dans cet appareil, les matériaux passent sur une série de cribles de 19, 14 et 6 mm d’ouverture.
173
FIGURE 9.46 Poste de lavage des camions avant la livraison
Le concasseur quaternaire Le refus du crible précédent est dirigé vers le concasseur quaternaire pour être concassé et tamisé sur un autre crible. Les unités de concassage secondaire, tertiaire et quaternaire sont situées dans deux bâtiments fermés munis d’un système d’aspiration de poussières. Ces poussières sont aspirées vers des dépoussiéreurs à sacs qui recueillent les poussières très nes générées tout au long des opérations de concassage et de criblage (voir la gure 9.45). À la n des opérations de criblage, on recueille les fractions suivantes : 0-5 mm ; 5-10 mm ; 10-14 mm ; 5-14 mm et 10-20 mm. Ces différentes fractions sont entreposées temporairement dans des bennes avant d’être reprises par des camions pour être stockées dans des piles séparées. Par la suite, elles seront FIGURE 9.45 Unité de dépoussiérage
chargées dans des camions et livrées aux différents clients de la compagnie. Ces camions sont lavés avant d’aller sur la route an d’éviter de salir les voies publiques (voir la gure 9.46).
9.3.4 Le lavage de la criblure La criblure de pierre (fraction 0-5 mm) est lavée pour diminuer sa fraction ne qui passe le tamis de 80 µm et la transformer en un sable manufacturé pour béton dont le module de nesse est compris entre 2,40 et 2,80 (voir la gure 9.47). Les eaux de lavage chargées des particules nes enlevées lors de cette opération sont actuellement dirigées dans le lac situé au centre de la carrière.
9.3.5 Les produits commerciaux Le tableau 9.1 (page suivante) présente la liste de quelques types de granulats commercialisés en 2017 par les carrières de Saint-Dominique. On trouve dans cette liste plus de 30 produits commerciaux différents. FIGURE 9.47 Lavage de la criblure
174
CHAPITRE 9
TABLEAU 9.1 Granulats commercialisés en 2017 par la carrière de Saint-Dominique Dimensions nominales Code
Métrique
Impérial
Pierre nette concassée classiée 1-3 mm
1/8”
3-5 mm
1/8”-3/16”
2,5-10 mm
1/8”-1/4”
104
5-10 mm
3/16”-1/4”
105
10-14 mm
1/4”-1/2”
1171
5-14 mm
3/16”-1/2”
1173
5-20 mm
3/16”-3/4”
1041
106
10-20 mm
1/4”-3/4”
1065
14-20 mm
1/2”-3/4”
107
20-40 mm
3/4”-1 ½”
115
50-100 mm
2”-4”
1113
100-200 mm
4”-8”
1110
100-300 mm
4”-12”
200-300 mm
8”-12”
1111
Pierre concassée calibrée 102
CG 14 (0-5 mm)
0-3/16”
1025
MG 112
0-4”
1081
0 20 mm DB
0-3/4”
108
MG 20 (CCDG)
0-3/4”
112
MG 20b (classe B)
0-3/4” B
109
MG 56 (CCDG)
0-2 ½”
110
MG 56b (classe B)
0-2 ½” B
Pierre concassée tout-venant Classe B 1016
0-3 mm (criblure ne)
0-1/8”
101
CG 20 c (0-5 mm)
0-3/16”
1114
300-400 mm (Tramac)
12”-16”
1115
300-500 mm (Tramac)
12”-20”
1112
300-600 mm (Tramac)
12”-24”
1116
600-900 mm
24-36”
1117
900-1200 mm
36-48”
Sables 1043
Pierre 0-5 mm pour matériaux ltrants
1039
Écosable SANDO combiné 1
922
Sable naturel Sables pour champs d’épuration
931
Sable ltrant pour champ d’épuration
930
Sable ltrant de désinfection FDi
Il faut donc ajuster le système de production de façon à équilibrer la production de tous ces produits commerciaux avec leurs marchés correspondants. On peut toujours transformer un produit grossier en un produit plus n, mais cette opération génère des coûts additionnels et de la poussière de pierre. Il faut aussi contrôler la qualité des produits et disposer d’aires de stockage sufsamment grandes pour entreposer tous ces différents types de granulats sans risque de contamination, ce qui exige beaucoup d’organisation et de coordination.
9.4
Les normes du ministère de l’Environnement
Les interactions entre les installations de production de granulats et l’environnement sont nombreuses. Pour un grand nombre de personnes, les carrières et les sablières dégurent le paysage et sont des sources de poussières. Pourtant, ces installations remplissent une fonction essentielle pour le développement de notre société. En effet, elles fournissent à l’industrie de la construction les granulats essentiels à la fabrication du béton de ciment portland et de l’enrobé bitumineux nécessaires à la construction de routes, de digues ou de barrages. De nos jours, une installation de production de granulats qui est bien conçue peut fonctionner proprement et efcacement sans causer des nuisances aux riverains. Il peut même arriver qu’à la n de l’exploitation du gisement, on donne à son emplacement une vocation utile pour la collectivité. Par exemple, les Butchart Gardens, un des plus beaux parcs au monde près de Victoria, sur l’île de Vancouver, en ColombieBritannique, ont été construits sur l’emplacement d’une ancienne carrière de calcaire. De même, la carrière Miron, à Montréal, a longtemps été exploitée pour sa pierre calcaire et est devenue, en 1960, un dépotoir. La Ville de Montréal, qui a acheté le site en 1984, a annoncé en 2015 l’ambitieux projet de réhabilitation écologique qui transformera le site en parc urbain dans le quartier Saint-Michel. Ce projet est un excellent exemple de revalorisation écologique des sites d’exploitation minière. L’objectif principal du règlement sur les carrières et les sablières de la Loi sur la qualité de l’environnement est d’essayer de concilier le bon fonctionnement d’une telle activité industrielle dans le respect de l’environnement dans son sens le plus large.
La production et le transport des granulats
175
Le règlement statue non seulement sur l’ouverture des nouvelles carrières et sablières, mais aussi sur l’opération des carrières existantes dès la mise en vigueur de la loi, et sur la réinsertion de ces terrains lorsque cesseront les activités d’exploitation. Vous en trouverez le texte intégral sur le site Légis Québec (voir les références, p. 181).
La section VIII, intitulée Dispositions nales, aborde les questions de l’esthétique des carrières et sablières, des heures d’exploitation, de la protection du sol et des zones du territoire québécois où il est formellement interdit d’entreprendre l’exploitation d’une carrière ou d’une sablière.
Le texte réglementaire de la Loi sur la qualité de l’environnement est divisé en dix sections. La section I présente les dénitions propres aux installations de production de granulats et décrit les principaux effets de ces installations sur l’environnement. On y trouve, par exemple, la dénition de mots comme agrégat (utilisé à tort pour granulat), aire d’exploitation, bruits d’impact, matières en suspension, point de mesure, ruisseau, etc.
La section IX, intitulée Sanctions administratives pécuniaires, traite des sanctions pécuniaires imposées à toutes personnes qui contreviennent à cette loi.
La section II traite du certicat d’autorisation qu’on doit obtenir avant d’entreprendre l’exploitation d’une carrière ou d’une sablière ou avant d’augmenter la production d’une installation existante. On y indique de façon détaillée les différents éléments de la demande à déposer auprès du directeur des services de protection de l’environnement : il faut fournir les renseignements nécessaires concernant plus de 16 points différents, notamment l’évaluation du niveau maximum de bruit émis dans l’environnement, le plan général de l’installation, la description des équipements qu’on prévoit utiliser, l’évaluation de la quantité de matières particulaires qui seront émises dans l’atmosphère, le plan de réaménagement du terrain à la n des travaux d’exploitation de la carrière ou de la sablière, etc. La section III porte sur les normes de localisation. On y dénit les distances minimales à respecter par rapport aux habitations, aux ressources hydriques, aux réserves écologiques, aux voies publiques, etc. La section IV parle de la pollution des eaux, notamment des eaux rejetées dans l’environnement. On y précise la concentration en huiles, graisses ou goudrons, en matières solides d’origine minérale en suspension, ainsi que les limites de pH à respecter. La section V traite de la pollution atmosphérique, de la limite de la concentration des émissions de matières particulaires et de la méthode d’échantillonnage à utiliser. La section VI concerne les ondes sismiques émises, par exemple, lors du dynamitage. La section VII traite de la restauration du sol en n d’exploitation an de réinsérer la carrière ou la sablière dans l’environnement après la cessation des opérations industrielles.
Finalement, la section X, Sanctions pénales, décrit les processus punitifs en lien avec des infractions et le non-respect du règlement. Il va sans dire que l’application de ce règlement a permis de concilier la gestion et la mise en valeur de nos ressources minérales avec la sauvegarde de notre cadre de vie. Les moyens techniques pour lutter contre les pollutions et les autres nuisances ont tellement évolué qu’à l’heure actuelle, ce ne sont pas des considérations d’ordre technique qui empêchent la mise en application intégrale des textes juridiques, mais plutôt des considérations économiques dans le cas de certaines installations existantes. Beaucoup de progrès ont été réalisés en peu de temps, mais beaucoup de travail reste encore à faire dans ce domaine.
9.5
Le transport des granulats
Comme les granulats sont des matériaux lourds de faible valeur, les considérations logistiques et économiques ont longtemps inué sur l’emplacement des sources d’approvisionnement. Il était alors important de limiter au minimum le coût du transport des granulats vers les grands centres urbains, qui sont d’importants consommateurs de ces matériaux. Plus récemment, des considérations environnementales sont venues s’ajouter à ces contraintes logistiques et économiques.
9.5.1 Les routes et les voies maritimes En Amérique du Nord, la très grande majorité des granulats est encore transportée par camions. Cependant, pour les grandes distances, le transport de granulats par péniche ou par bateau prend de plus en plus d’importance. Ce mode de transport est très économique et écologique, car en vertu du principe d’Archimède, la masse apparente de granulats transportés par un bateau est plus faible que sa masse réelle pour le même volume de granulats.
176
CHAPITRE 9
Si, dans un passé récent, l’emplacement idéal d’une carrière ou d’une gravière se situait près d’un axe routier, ou encore mieux près d’un carrefour d’autoroute, les exploitants de carrières prendront de plus en plus en considération les emplacements au bord de voies d’eau navigables ou en bordure de mer.
sur des bancs d’emprunt, de façon à minimiser les coûts de transport et an d’assurer la livraison d’un produit qui rencontre les normes de qualité en terme de température. Seuls des granulats de correction peuvent être transportés au besoin sur de plus grandes distances.
Par ailleurs, l’ouverture d’une carrière ou d’une gravière est devenue un processus très complexe et très long en raison de tous les permis qu’il faut obtenir et des études d’impact sur l’environnement qu’il faut effectuer. C’est pourquoi on observe l’apparition d’importantes carrières dans des endroits éloignés, situées par exemple en bord de mer ou près d’une voie navigable. Il est alors possible de charger les matériaux directement dans des bateaux ou des péniches qui iront livrer leur cargaison dans les ports, non loin des centres-villes.
Pour illustrer cette tendance, nous allons examiner deux grands chantiers canadiens où des granulats ont été transportés sur une assez longue distance par bateau : le pont de la Confédération et la construction de la base de la plateforme pétrolière Hibernia.
Dans un proche avenir, le euve Saint-Laurent et la voie maritime deviendront une voie de transport privilégiée pour le transport des granulats. On verra de plus en plus de péniches et de bateaux chargés de granulats, emportant leur cargaison dans des centres urbains situés le long du Saint-Laurent, de la voie maritime et des Grands Lacs américains. Ce mode de transport présente l’avantage de combiner rentabilité économique et rentabilité environnementale. Bien qu’il soit lent, le transport par bateau permet de faire des économies d’énergie et de réduire les émissions de gaz à effet de serre. Actuellement, en Amérique du Nord, les granulats sont surtout transportés par camion, sauf dans le cas de certains très gros projets où ils sont transportés par bateau.
9.5.2 Le transport de granulats par voie
maritime On a vu récemment apparaître d’immenses carrières situées en bord de mer, aussi bien sur la côte ouest que sur la côte est nord-américaine. Ces carrières peuvent charger directement des bateaux pour livrer des granulats dans les grands centres urbains des côtes est et ouest nord-américaines. Dans le cas de ces grands centres urbains, le coût du transport maritime des granulats est inférieur à celui du transport par des camions qui partent de carrières distantes d’une cinquantaine de kilomètres. Par conséquent, on commence à voir des usines à béton s’implanter dans les ports d’Amérique du Nord. Quant aux usines d’enrobé bitumineux, elles restent installées le plus près possible des chantiers routiers,
La construction du pont de la Confédération Le pont de la Confédération relie le Nouveau-Brunswick à l’Île-du-Prince-Édouard (voir la gure 9.48) a été construit à partir d’éléments entièrement préfabriqués. Il a été construit avec du sable transporté depuis la région de Sept-Îles, au Québec, ainsi qu’avec un gros granulat provenant de la Nouvelle-Écosse. Les seuls matériaux locaux utilisés dans le béton qui a servi à construire ce pont de 13 km de long étaient l’eau et l’air contenu dans les bulles d’air faisant ofce de protection contre l’effet destructeur des cycles de gel-dégel. La construction d’un tel pont avec les dépôts de sable à béton disponibles sur l’Île-du-Prince-Édouard aurait rapidement épuisé toutes les ressources locales de sable à béton, ce qui aurait obligé les producteurs de béton à importer par la suite tout le sable à béton dont ils auraient eu besoin. Quant aux carrières de pierre de la région, elles ne pouvaient fournir que des granulats potentiellement réactifs aux alcalis du ciment. Même si le risque était faible, le consortium privé qui a construit le pont a préféré jouer de prudence en faisant venir de NouvelleÉcosse un granulat non réactif aux alcalis du ciment, très résistant à l’abrasion et dont le transport par bateau ne coûtait pas plus cher que le transport par camion à partir des carrières locales qui ne pouvaient fournir qu’un granulat de qualité douteuse (voir la gure 9.49). Le choix de ce gros granulat, particulièrement résistant à l’abrasion, a même constitué un avantage. En effet, il a permis de remplacer les recouvrements métalliques des piliers (situés dans la zone de marnage et qui devaient résister à l’abrasion des glaces) par un béton à haute performance de 90 MPa particulièrement résistant à l’abrasion des glaces, comme l’ont démontré des essais effectués à l’Université de TerreNeuve (voir la gure 9.50).
La production et le transport des granulats
FIGURE 9.48 Pont de la Confédération
FIGURE 9.49 Carrière de pierre située en bord de mer à Canso, en Nouvelle-Écosse, permettant le chargement direct des bateaux
177
Après près de 20 ans de service, le comportement de ce béton à haute performance est excellent ; les modèles mathématiques utilisés pour estimer la durée de vie du béton de ce pont laissent prévoir une durée de service de 300 ans. Cette durée de vie devrait même être supérieure aux prévisions, puisque la ne couche supercielle de mortier a été emportée par l’abrasion des glaces, et que les blocs de glace se frottent à présent aux gros granulats très durs qui résistent beaucoup mieux à l’abrasion que le mortier de recouvrement.
La construction de la plateforme pétrolière Hibernia Durant la construction de la plateforme gravitaire Hibernia, il a fallu faire venir par bateau des granulats légers depuis le Texas pour améliorer sa ottabilité. La substitution de gros granulats locaux par des granulats légers a été limitée à 50 % pour ne pas trop réduire le module élastique du béton qui devait rester supérieur à 30 GPa (voir la gure 9.51). FIGURE 9.51 Plateforme pétrolière Hibernia en opération
FIGURE 9.50 Abrasion des glaces sur les piliers du pont de la Confédération dans la zone de marnage
178
CHAPITRE 9
RÉSUMÉ Les installations de production de granulats ont pour rôle de fournir des granulats qui répondent à des exigences particulières. Ces granulats sont destinés à la construction de routes, de barrages, de digues ou de talus ou à entrer dans la composition de béton de ciment portland, d’enrobé bitumineux ou d’autres types. Les installations de production qui exploitent des dépôts meubles sont en général de conception relativement simple. Elles comportent un système de criblage plus ou moins complexe et, parfois, un système de lavage auquel peut s’ajouter un système de classication. On trouve ce type d’exploitation dans les sablières, les gravières ou les ballastières. Les installations de production de granulats concassés sont plus complexes, car les produits d’abattage du front de taille sont déversés dans la recette du débiteur primaire où un crible à barres permet l’élimination des particules les plus nes. Cette opération de préélimination a pour but de ne laisser entrer dans les unités de production suivantes que les matériaux sains et utiles dans la carrière. Les particules issues du concassage primaire sont fractionnées de nouveau dans les concasseurs secondaire, tertiaire et parfois même quaternaire. Le système de criblage peut fonctionner en circuit fermé ou en circuit ouvert avec le système de concassage. Dans ce dernier cas, aucune fraction de granulat ne repasse une deuxième fois dans le concasseur. Il existe différents types de concasseurs qui se distinguent par leur structure et leur mode de fonctionnement. Les concasseurs primaires peuvent être des concasseurs à mâchoires, des concasseurs giratoires (coniques) ou des concasseurs à percussion. Les concasseurs secondaires, tertiaires ou quaternaires sont en général des concasseurs giratoires ou des concasseurs à percussion. La forme des granulats dépend de nombreux facteurs comme la stratigraphie du massif rocheux, le grain de la roche et surtout le type de concasseur utilisé. Lorsqu’on entrepose les granulats, il est important de limiter les risques de ségrégation (surtout dans le cas des granulats à granulométrie étendue) et les risques de contamination en séparant bien les différentes piles de réserve. Les installations de production sont soumises aux règles de fonctionnement assez sévères du ministère de l’Environnement. Ces règles ont pour but de limiter le taux d’émission de poussières et de bruit aux abords de la carrière de façon à réduire le degré de nuisance à un niveau acceptable pour les riverains. Au Québec, la livraison des granulats se fait encore presque exclusivement par camion, mais il faut s’attendre à ce que le transport par voies uviale et maritime prenne de l’ampleur, car ce mode de transport est économique et écologique. Le transport par bateau ou par péniche est certes lent, mais il est très économique et aussi très écologique puisqu’il nécessite moins de produits pétroliers qui émettent des gaz à effet de serre que le transport par camion.
La production et le transport des granulats
RÉFÉRENCES AÏTCIN, P.-C., MINDESS, S. Sustainability of Concrete, New York, Spon Press, 2011, 301 p. AMERICAN CONCRETE INSTITUTE (ACI). 304R-00 Guide for Measuring, Mixing, Transporting, and Placing Concrete, 2000, 41 p. AMERICAN CONCRETE INSTITUTE (ACI). Handling of Aggregates, Comité 614. ARQUIÉ, G. (dir.). Granulats, Collection de la formation continue de l’École nationale des ponts et chaussées, Paris, 1980, 462 p. Cahier des charges et devis généraux – Infrastructures routières – Construction et réparation, ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrication des transports. Les publications du Québec, 2017. CLOUTIER, G. Programme de formation, Exploitation des gisements de la compagnie DJL, 2007. CORRIVEAU, J. « La “poubelle” de Montréal deviendra un parc urbain », Le Devoir, 29 août 2015. Repéré le 28 juillet 2017 au www.ledevoir.com/politique/montreal/448824/ carriere-miron-la-poubelle-de-montreal-deviendra-un-parc-urbain. Le stockage des granulats : aires de stockage, guide technique, Direction des routes et de la circulation routière, ministère des Transports, Paris, mars 1981, p. 1-39. Règlement sur les carrières et sablières, Loi sur la qualité de l’environnement, L.R.Q., chapitre Q-2 r. 7, ministère du Développement durable, de l’Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques, Éditeur ofciel du Québec, 2017. Repéré au legisquebec.gouv. qc.ca/fr/ShowDoc/cr/Q-2,%20r.%207 (page consultée le 23 janvier 2018).
179
180
CHAPITRE 9
QUESTIONS DE RÉVISION 1. Pourquoi lave-t-on certains granulats naturels ? 2. Pourquoi procède-t-on à une préélimination des produits d’abattage avant leur passage dans le débiteur ? 3. Pourquoi est-il avantageux de procéder à un préentreposage ? 4. Pourquoi doit-on utiliser plusieurs concasseurs pour fabriquer des granulats ? 5. Nommez les principaux types de concasseurs utilisés dans les usines de traitement des granulats. Indiquez les avantages et les inconvénients de chacun d’eux. 6. Quels types de concasseurs produisent les granulats les plus cubiques ? 7. Qu’est-ce qu’un circuit de criblage qui fonctionne en circuit ouvert ? 8. Quels sont les deux principaux types de cribles industriels utilisés dans les usines de traitement de granulats ? 9. Nommez les deux phénomènes que l’on doit éviter lorsqu’on entrepose des granulats. Pourquoi doit-on les éviter ? 10. Quelles sont les principales règles de protection de l’environnement qui régissent les installations de production ? 11. Comment s’effectue surtout le transport de granulats de nos jours ? 12. Pourquoi ce mode de transport est-il nocif pour l’environnement ? 13. Pourquoi le transport des granulats par bateau ou par péniche est-il à la fois économique et écologique ? 14. Quels ont été les seuls matériaux locaux utilisés lors de la construction du pont de la Confédération entre le Nouveau-Brunswick et l’Île-du-Prince-Édouard ?
CHAPITRE
Le recyclage des granulats
SOMMAIRE
10.1 Le développement durable 10.2 Le recyclage des déchets de construction 10.3 Le recyclage des bétons de ciment 10.4 Le recyclage des enrobés bitumineux 10.5 La caractérisation des déchets recyclables
Il n’y a pas si longtemps encore, on éliminait dans des sites d’enfouissement les déchets de démolition des ouvrages de génie civil et des édices industriels et résidentiels. C’était en effet la solution la plus économique pour se débarrasser de ces matériaux sans grande valeur et souvent contaminés par divers produits chimiques utilisés dans les constructions modernes. Dans les pays industrialisés, la prise de conscience du gaspillage et du gâchis occasionnés par une telle attitude est assez récente, tout comme les législations gouvernementales adoptées sous la pression de groupes environnementaux. On estime que l’Europe et l’Amérique du Nord génèrent à elles seules une tonne par an de déchets de construction par personne. Dorénavant, les démolisseurs doivent séparer les produits de démolition de manière à ce que la plus grande partie d’entre eux puisse être récupérée après un traitement de recyclage ou éliminée de façon sécuritaire pour l’environnement dans des sites autorisés. En effet, on a enn pris conscience que les rebuts de construction, contaminés par de nombreux produits chimiques et enfouis dans des décharges, contaminaient irrémédiablement les nappes phréatiques et les sols environnants. Par contre, une fois triés, une grande partie d’entre eux peuvent entamer une seconde vie utile, ce qui évite ainsi l’extraction de matériaux vierges.
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10.1
CHAPITRE 10
Le développement durable
Depuis peu, les pouvoirs publics et les citoyens ont réalisé que les ressources naturelles et les sources d’énergie sont limitées et qu’une utilisation inconsidérée entraînerait irrémédiablement leur épuisement. Nous sommes passés d’une philosophie d’économie à très court terme à une philosophie de développement durable, c’est-à-dire à la gestion à long terme des ressources naturelles, de sorte que ce développement soit équitable socialement, viable économiquement et respectueux de l’environnement dans lequel se trouvent les ressources. Comme il n’est pas possible d’empêcher le développement, il faut plutôt chercher à utiliser le mieux possible nos ressources naturelles pour les faire durer longtemps (voir la gure 10.1) et les recycler en n de vie utile quand cela est possible, si nous voulons
laisser un héritage aux générations futures. Car, comme le dit si bien ce proverbe africain utilisé par Léopold Senghor lors de son intronisation à l’Académie française (voir la gure 10.2) : « Nous n’héritons pas de la terre de nos ancêtres, nous l’empruntons à nos enfants. » Le tableau 10.1 dresse une liste de quelques déchets industriels et de rebuts qui sont déjà recyclés et réutilisés à des degrés divers dans différents pays. L’utilisation de verre recyclé, entre autres, est de plus en plus répandue dans les bétons de ciment. Des usines spécialisées, qui autrefois devaient payer pour se débarrasser du verre recyclé, font maintenant des prots en le vendant aux fabricants de béton de ciment. Plusieurs chercheurs et universités étudient les comportements des matériaux et leur proportion en verre recyclé pour en déterminer les utilisations optimales, notamment dans les enrobés bitumineux.
FIGURE 10.1 Une nouvelle approche du développement FIGURE 10.2 « Nous n’héritons pas de la terre de nos ancêtres, nous l’empruntons à nos enfants. »
Source : Adapté de Sustainable Concrete, The Concrete Centre, Surrey, Royaume-Uni, 2007
TABLEAU 10.1 Liste des matériaux recyclés comme granulats pour béton Matériaux
Industries
Composition
Rebuts minéraux
Minière et de transformation
Roches naturelles
Laitiers de hauts fourneaux
Fer et acier
Silicates, aluminosilicates cristallisés ou vitriés
Rebuts de construction
Démolition
Béton, briques, maçonnerie
Laitiers métallurgiques
Rafnage des métaux
Silicates, aluminosilicates, verre
Cendres de foyer
Centrales thermiques
Verre
Déchets municipaux
Incinérateurs
Verre, plastique, métaux
Caoutchouc granulé
Vieux pneus
Caoutchouc
Le recyclage des granulats
10.2
Le recyclage des déchets de construction
Il ne faut pas se faire trop d’illusions sur le recyclage des déchets de construction, car, à chaque opération de recyclage, la qualité des matériaux recyclés est inférieure à celle des produits dont ils sont issus et la variabilité de leurs propriétés est beaucoup plus grande. Par exemple, il est impensable de fabriquer un béton à haute performance avec des granulats obtenus à partir de bétons de démolition. En effet, ces bétons sont composés de divers granulats qui présentent des résistances très variées. De plus, ils peuvent contenir toutes sortes d’adjuvants ou encore être contaminés par les sels de déglaçage, la pollution urbaine ou les eaux souterraines, selon la fonction structurale qu’ils remplissaient. Par exemple, le rapport RILEM no 6 sur le recyclage des bétons de démolition recommande de ne pas utiliser la fraction ne des produits de concassage passant un tamis de 2 mm d’ouverture. Pour ces granulats de démolition, on peut toujours trouver une utilisation particulière dont les exigences de performance, de qualité et de viabilité ne sont pas aussi contraignantes que celles des granulats à béton de haute performance.
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FIGURE 10.4 Récupération des briques d’argile cuite
FIGURE 10.5 Récupération des blocs de maçonnerie
10.2.1 Quelques exemples concrets Le chantier de démolition de l’ancien magasin Canadian Tire de Sherbrooke avant la construction d’un nouveau centre commercial au début des années 2010 constitue un exemple intéressant de cette volonté de récupération. L’entrepreneur en démolition y a trié tous les matériaux utilisés lors de la construction du magasin, puis il les a redirigés vers son site de matériaux recyclés où ils ont été revendus. Dans les gures 10.3 à 10.5, on peut voir FIGURE 10.3 Récupération du béton armé
plusieurs piles où sont entreposés du béton armé, des briques d’argile, des blocs de maçonnerie, etc. Les briques d’argile étaient même triées en deux piles selon leur couleur avant d’être revendues à des paysagistes. Les blocs de béton armé sont parfois concassés sur place quand du matériau de remblayage est nécessaire pour la nouvelle construction. Quant aux aciers d’armature, ils sont récupérés séparément (voir la gure 10.6, page suivante). Dans le cas précédent, la séparation du béton et des aciers d’armature s’est faite sur le site de recyclage de l’entrepreneur en démolition puisque le plancher de l’ancien magasin était construit sur du roc et qu’un stationnement souterrain devait y être creusé. La compagnie de béton prêt à l’emploi Demix Béton, à Lachine, est un autre exemple intéressant de récupération. Cette compagnie offre en effet aux entrepreneurs en démolition un espace pour y déposer leurs rebuts de béton (non armé) sur le site occupé par
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CHAPITRE 10
FIGURE 10.6 Tri des barres d’armature
En plus d’exigences concernant la teneur en impuretés (selon la méthode LC 21-260), la teneur en chlorures ou sulfates hydrosolubles (ASTM D1411 et LC 31-312) et l’équivalent de sable (ASTM D2419), on s’assure de la qualité des matériaux recyclés en ajoutant des précautions et des précisions aux méthodes. Ainsi, l’échantillonnage des matériaux recyclés aux ns d’analyses environnementales fait l’objet de plusieurs restrictions et manipulations spéciales. De plus, le temps de tamisage des matériaux contenant des résidus d’enrobé est réduit pour éviter que les particules recyclées ne se dégradent. Le ministère du Développement durable, de l’Environnement et des Parcs du Québec a publié plusieurs guides sur l’échantillonnage et la préservation des matériaux et des sols pour effectuer des analyses environnementales.
sa centrale à béton. Quand la pile de béton ainsi récupéré atteint les 75 000 à 100 000 tonnes, la compagnie Demix Béton fait venir un concasseur mobile pour réduire ces bétons de démolition en matériaux de remplissage 0-20 mm, évitant ainsi l’extraction d’autant de matériaux vierges en provenance de carrières plus ou moins éloignées de Montréal. Les matériaux ainsi concassés peuvent aussi servir de fondation ou encore de sous-fondation routière. Par contre, ces matériaux sont très complexes à caractériser vu les nombreuses exigences à respecter et les risques de contamination par suite de la présence de divers contaminants dans le granulat recyclé. Au Japon, où les coûts de mise au rebut dans des décharges agréées peuvent aller jusqu’à 100 $ la tonne pour des bétons de démolition, on commence à mettre en place des projets pilotes pour récupérer les gros granulats utilisés initialement pour fabriquer ces bétons.
10.2.2 L’utilisation des matériaux recyclés dans les infrastructures routières La norme NQ 2560-600 précise les exigences relatives à la classication des matériaux recyclés utilisés comme infrastructures routières ou pour le remblayage. Ces matériaux, classés MR-1 à MR-7 ou BA selon leur composition, proviennent des dépôts de matériaux secs ou de chantiers de construction et contiennent des résidus de démolition (de route, de bâtiment ou autres) de béton de ciment (BC), d’enrobé bitumineux (EB) ou de briques d’argile (BA) mélangés ou non à des granulats naturels (GN). Les exigences et les propriétés imposées sont similaires à celles des granulats non recyclés destinés aux mêmes utilisations.
10.3
Le recyclage des bétons de ciment
Comme nous le verrons dans ce qui suit, le recyclage des bétons de ciment concerne tout autant le béton récupéré dans les déchets de démolition que les retours de béton, dont les producteurs doivent disposer de façon sécuritaire pour l’environnement.
10.3.1 Les granulats de béton recyclés En plus d’être employés dans la fabrication d’infrastructures routières, les granulats de béton recyclé (ou récupéré) (GBR) sont de plus en plus utilisés dans la fabrication des bétons de ciment. L’Annexe O de la norme CSA A23.1, qui porte sur l’utilisation du granulat de béton recyclé dans le béton de ciment, a d’ailleurs été ajoutée au document lors de la mise à jour de 2014. Ces matériaux recyclés utilisables proviennent principalement de trois sources : les déchets de démolition, le béton récupéré (voir la gure 10.7) et les retours de béton concassé (RBC). Les déchets de démolition proviennent de la démolition partielle ou complète d’ouvrages et peuvent contenir des contaminants qu’il faut séparer. Le béton récupéré provient aussi de démolition mixte ou unique et les retours de béton concassés sont faits à partir d’un béton encore plastique qu’on rapporte à la centrale et qu’on concasse par la suite. Pour le concassage des bétons, on fait appel à des concasseurs et des unités de stockage mobiles (voir la gure 10.8) ; si du béton armé doit être concassé, il faut effectuer le tri manuel de l’acier lors de l’opération.
Le recyclage des granulats
FIGURE 10.7 Concassage et mise en réserve de béton issu de démolition
FIGURE 10.8 Concasseur mobile
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faible teneur en chlorures hydrosolubles pour éviter la corrosion prématurée de l’acier d’armature et d’une faible teneur en sulfates hydrosolubles, car plusieurs réactions néfastes pourraient nuire à l’intégrité des ouvrages de béton. La quantité variable de mortier peut changer considérablement d’un matériau à l’autre. C’est pourquoi il importe d’effectuer tous les essais pour conrmer l’utilisation possible des GBR selon leurs caractéristiques intrinsèques, de fabrication et complémentaires. De plus, l’annexe O de la norme CSA A23.1 mentionne que la quantité totale de substances nuisibles (provenant de déchets de construction) ne devrait pas être supérieure à 3 % de la masse totale de granulat, la quantité maximale de plâtre ou de gypse ne devrait pas dépasser 1 % et la quantité maximale de tuile de céramique, de porcelaine, de verre, de bois et de papier ne devrait pas être supérieure à 0,10 %. Il est important de vérier si les réactions alcalisgranulat n’affecteront pas le béton préparé avec du GBR puisque le vieux mortier pourrait être plus réactif qu’un béton confectionné avec des granulats vierges. À ce sujet, l’augmentation de la teneur en ajouts cimentaires s’est révélée être une méthode très efcace pour contrer la dilatation trop importante de ces bétons. Plusieurs études ont montré qu’il est possible de remplacer de gros granulats par du GBR jusqu’à hauteur de 20 % sans affecter gravement les propriétés du béton. Par contre, un remplacement de 100 % a de trop gros impacts négatifs pour pouvoir recourir à cette formule. Plusieurs recherches sont en cours à ce sujet.
Les granulats recyclés sont habituellement moins denses et plus absorbants que les granulats naturels. L’absorption des granulats de béton recyclés varie entre 3,0 et 10,0 %, de sorte que la maniabilité doit être contrôlée en ajustant l’eau avant et pendant le malaxage. Pour ce qui est de la densité, elle est souvent faible et variable. Si elle n’est pas homogène, cela peut causer des problèmes lors du dosage par masse. Les valeurs de résistance à l’usure sont aussi affectées par la présence variable et la qualité du mortier utilisé.
10.3.2 Le recyclage des retours de béton
Les granulats de béton recyclé servant à la confection de nouveau béton doivent avoir les mêmes caractéristiques que les granulats naturels concernant les propriétés intrinsèques et de fabrication. Quant aux caractéristiques complémentaires, les granulats de béton récupéré doivent satisfaire à l’exigence d’une
Quand ces retours de béton sont assez importants, les producteurs de béton prêt à l’emploi les utilisent pour fabriquer des blocs pour des murs de soutènement ou pour bloquer temporairement des accès (voir la gure 10.9, page suivante). Par contre, quand la quantité de béton laissé au fond de la bétonnière est
Les producteurs de béton prêt à l’emploi doivent éliminer de façon sécuritaire pour l’environnement les retours de béton non utilisés par leurs clients. Obla et ses coauteurs ont estimé qu’aux États-Unis, les retours représentent 5 % des 455 millions de mètres cubes de béton produits annuellement, soit 22,75 millions de mètres cubes, ce qui est énorme. Cela fait environ 22 à 23 millions de tonnes de gros granulat (1 m3 de béton contient environ 1 tonne de gros granulat), 16 millions de tonnes de sable et 7 millions de tonnes de ciment.
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CHAPITRE 10
FIGURE 10.9
Fabrication de blocs à partir de retours de béton (usine Béton Memphré de Magog)
FIGURE 10.10 Récupération par lavage et criblage du sable contenu dans les retours de béton (usine Demix Béton à Lachine)
négligeable, il est préférable d’en récupérer la partie sable pour la revendre comme matériau de remplissage et d’en retirer les gros granulats pour fabriquer de nouveaux bétons (voir les gures 10.10 et 10.11). On dirige les matériaux ns et les eaux de lavage vers des étangs de sédimentation curés régulièrement. On envoie ensuite les boues de sédimentation vers des sites d’enfouissement autorisés. Quant aux eaux de lavage, on peut les jeter dans les égouts municipaux après ajustement de leur pH (voir la gure 10.12). De plus, on peut utiliser une partie de ces eaux pour la
FIGURE 10.11 Récupération par lavage et criblage du gros granulat (usine Demix Béton à Lachine)
FIGURE 10.12 Ajustement du pH des eaux de lavage avant leur renvoi dans l’égout municipal (usine Demix Béton à Lachine)
fabrication de béton de remplissage lorsque les critères de qualité sont peu élevés. Lorsqu’il y a mévente de gros blocs de béton, on envoie les excédents en carrière où ils sont concassés avec les blocs de pierre vierges que l’on vient d’extraire. Cette très faible contamination des granulats ne compromet pas la qualité du granulat commercial livré aux clients.
Le recyclage des granulats
10.4
Le recyclage des enrobés bitumineux
La fabrication d’enrobés bitumineux comportant des granulats bitumineux récupérés (GBR), des bardeaux d’asphalte postfabrication (BPF) ou des bardeaux d’asphalte postconsommation1 (BPC) fait l’objet de plusieurs méthodes décrites dans les normes, principalement dans celles concernant la formulation. La norme 4202 du tome VII du ministère des Transports du Québec limite l’utilisation de GBR à 20,0 % de la masse totale des granulats pour les enrobés utilisés en couche de base ; cette limite baisse toutefois à 10,0 % dans le cas des enrobés pour couche de surface d’autoroute. Les deux types de bardeaux sont limités à 3,0 % pour les enrobés de surface et à 5,0 % pour les enrobés de base. Les températures de chauffage diffèrent aussi lors de l’utilisation des granulats bitumineux récupérés ou de bardeaux d’asphalte. Cette précaution permet d’éviter l’oxydation extrême du bitume.
10.4.1 Le retraitement en place des chaussées La technique de retraitement en place des chaussées est couramment utilisée au Québec depuis la n des années 1980. Elle est aussi appelée « pulvérisationstabilisation » ou « décohésionnement-stabilisation » et fait appel à la réutilisation des matériaux d’une chaussée auxquels on peut ajouter un liant (bitume, ciment, etc.). Comme ces matériaux proviennent de l’intérieur de l’emprise de la chaussée, ils n’ont pas à subir les essais de caractérisation, ce qui permet d’économiser du temps au moment de la réfection d’une route. La première étape de ce procédé est le décohésionnement de l’enrobé bitumineux sur toute son épaisseur et le décohésionnement d’une partie de la fondation granulaire sous-jacente (voir la gure 10.13). On procède ensuite au reprolage, au compactage sommaire et, si nécessaire, à la correction granulaire. Après quoi, on stabilise le matériau avec une machinerie spéciale qui injecte du liant et qui homogénéise le matériau. Par la suite, l’étape de stabilisation dépend des analyses effectuées auparavant et des besoins du projet. On termine enn en effectuant le compactage nal ainsi que la pose de l’enrobé bitumineux neuf.
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FIGURE 10.13 Recycleuse de chaussée
Le plus grand avantage de cette méthode est qu’elle permet de réutiliser des matériaux en place et, par le fait même, de réduire les coûts de transport et de réduire l’utilisation des matériaux fraîchement concassés. Cette méthode est rapide et permet d’améliorer le confort de la chaussée en détruisant le patron de ssures et en corrigeant le prol de la chaussée. Par contre, le comportement des fondations de chaussées stabilisées n’est pas encore connu parfaitement et ne permet donc pas l’optimisation des matériaux.
10.5
La caractérisation des déchets recyclables
De plus en plus de laboratoires s’occupent de la caractérisation de matériaux destinés autrefois à l’enfouissement. En effet, on fait maintenant des essais de masse volumique, de pourcentage de vides, de granulométrie, de perméabilité et plusieurs autres types d’analyses. Ces matériaux peuvent, par exemple, être utilisés pour isoler des cellules dans des sites d’enfouissement. Ainsi, au lieu d’être enfouis, ces déchets sont maintenant recyclés, ce qui réduit le nombre de matériaux neufs utilisés. Ces nouvelles utilisations des déchets recyclables mèneront certainement à de nouvelles normes d’essais, puisque la plupart des essais sont faits à partir de méthodes maison que chaque laboratoire a mises au point selon la demande des clients. La caractérisation des déchets recyclables représente donc un dé de taille.
1. Les normes permettent l’utilisation de bardeaux d’asphalte postconsommation (BPC), mais les fabricants d’enrobés québécois ne se prévalent pas de cette autorisation. Les vapeurs émises lors du chauffage de ces bardeaux ne permettraient pas l’utilisation sécuritaire des BPC. De plus, le très faible avantage économique, dû à l’augmentation des coûts d’opération et à la récupération, au nettoyage et au tri de ces bardeaux, n’est pas avantageux pour les fabricants d’enrobés.
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CHAPITRE 10
RÉSUMÉ Les granulats obtenus à partir des produits de concassage des rebuts de construction, des revêtements en enrobés bitumineux et des retours de béton des bétonnières ne sont plus dirigés vers les sites d’enfouissement, comme on avait l’habitude de le faire jusqu’à récemment. Ces matériaux sont maintenant recyclés pour être utilisés dans diverses parties d’ouvrages de génie civil, surtout pour construire des bases de route ou comme matériau de remplissage. Chaque fois qu’on recycle des rebuts de construction, on obtient un matériau aux propriétés variables qui ne peut pas servir à fabriquer des matériaux qui doivent répondre à des critères élevés en matière de résistance, de perméabilité, d’absorptivité, de résistance à l’abrasion, de résistance aux cycles de gel-dégel, etc. Il faut alors utiliser des granulats vierges présentant une qualité adéquate et une faible variabilité. La section 5 du Règlement sur l’enfouissement et l’incinération de matières résiduelles (Q-2, r. 19) dénit aussi les termes, les obligations et les interdictions pour enfouir les débris de construction ou de démolition de façon sécuritaire et acceptable. Chaque année, les rebuts de béton concassés et récupérés sur les chantiers de démolition permettent d’éviter l’extraction d’un volume équivalent de matériaux vierges dans les carrières exploitées ; ce qui représente une économie et une diminution des émissions polluantes dans l’atmosphère. Le recyclage, la réutilisation ainsi que la caractérisation des granulats recyclés constituent le plus gros dé du domaine des matériaux granulaires dans les années à venir.
RÉFÉRENCES Ouvrages AÏTCIN, P.-C., S. MINDESS. Sustainability of Concrete, Spon Press, New York, 2011, 301 p. ALEXANDER, M., S. MINDESS. Aggregates in Concrete, Taylor and Francis, New York, 2005, 435 p. ASSOCIATION CANADIENNE DU CIMENT PORTLAND. Dosage et contrôle des mélanges de béton, 8e édition canadienne, 2011, 411 p. BERGERON, G. Retraitement en place des chaussées, Direction du Laboratoire des chaussées, ministère des Transports du Québec, 1996, 120 p. Cahier des charges et devis généraux, construction et réparation, ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrication des transports, Les Publications du Québec, Québec, 2017. CENTRE D’EXPERTISE EN ANALYSE ENVIRONNEMENTALE DU QUÉBEC. Modes de conservation pour l’échantillonnage des sols, DR-09-02, Ministère du Développement durable, de l’Environnement, de la Faune et des Parcs, 2013, 6 p. HANSEN, T.C. (dir.). Recycling of Demolished Concrete and Masonry – RILEM Report 6, Taylor and Francis, Abingdon, Royaume-Uni, 1992, 336 p. MINISTÈRE DU DÉVELOPPEMENT DURABLE, DE L’ENVIRONNEMENT ET DES PARCS DU QUÉBEC. Guide d’échantillonnage à des ns d’analyses environnementales : Cahier 1, Centre d’expertise en analyse environnementale du Québec, 2008, 58 p. MINISTÈRE DU DÉVELOPPEMENT DURABLE, DE L’ENVIRONNEMENT ET DES PARCS DU QUÉBEC, Guide d’échantillonnage à des ns d’analyses environnementales : Cahier 5, Québec, Centre d’expertise en analyse environnementale du Québec, 2010, 66 p. OBLA, K., H. KIM, C. LOBO. Crushed Returned Concrete as Aggregates for New Concrete, RMC Research and Education Foundation, 2007, 44 p.
Le recyclage des granulats
Normes BNQ 2002, Granulats – Matériaux recyclés fabriqués à partir de résidus de béton, d’enrobés bitumineux et de briques – Classication et caractéristiques, Bureau de normalisation du Québec, NQ 2560-600. Norme 4202, Enrobés à chaud formulés selon la méthode de formulation du Laboratoire des chaussées, Collection Normes, Tome VII – Matériaux, ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrication des transports, Les Publications du Québec, 2016. Recueil des méthodes d’essai LC, Détermination de l’aptitude au compactage des enrobés à chaud à la presse à cisaillement giratoire (LC 26-003), Procédure du laboratoire des chaussées, ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrication des transports, Les Publications du Québec, 2016. Recueil des méthodes d’essai LC, Formulation des enrobés à l’aide de la presse à cisaillement giratoire selon la méthode du laboratoire des chaussées (LC 26-004), Procédure du laboratoire des chaussées, ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrication des transports, Les Publications du Québec, 2016. Règlement sur l’enfouissement et l’incinération de matières résiduelles, Loi sur la qualité de l’environnement, L.R.Q., chapitre Q-2 r.19, ministère du Développement durable, de l’Environnement et des Parcs, Éditeur ofciel du Québec, 2017. Repéré au http://legisquebec.gouv. qc.ca/fr/ShowDoc/cr/Q-2,%20r.%2019 (page consultée le 27 novembre 2017).
QUESTIONS DE RÉVISION 1. Quelle est la quantité de déchets générés tous les ans par chaque individu en Europe et en Amérique du Nord ? 2. Pourquoi l’enfouissement non contrôlé des déchets de construction peut-il être dommageable pour l’environnement ? 3. Pourquoi faut-il recycler au maximum les déchets de construction ? 4. Nommez cinq matériaux couramment recyclés à l’heure actuelle. 5. Pourquoi ne peut-on pas fabriquer de nouveaux matériaux à très haute performance avec des matériaux recyclés ? 6. À quoi les déchets de béton recyclés peuvent-ils servir ? 7. Quelle est la quantité de retours de béton générée tous les ans aux États-Unis ? 8. Combien de tonnes de ciment ces retours de béton représentent-ils ? 9. Que peut-on faire avec des retours de béton ? 10. Après le traitement des eaux de lavage, quel ajustement doit-on faire avant de les rejeter dans les égouts municipaux ?
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LABORATOIRES D
ans cette partie, nous expliquons comment réaliser les essais de caractérisation des granulats. Les informations présentées sont basées sur les méthodes d’essai les plus récentes du Laboratoire des chaussées du ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrication des transports. À défaut, nous nous appuyons sur les méthodes de l’Association canadienne de normalisation (CSA). Ceci assure la cohérence avec les exigences dénies au chapitre 7, sachant qu’il est important que les essais soient réalisés à partir de normes reconnues et à jour. Pour chaque essai, nous présentons : • les méthodes de référence sur lesquelles l’essai s’appuie ; • le contexte de réalisation ou l’importance de l’essai ; • des conseils de réalisation pratiques, incluant l’appareillage utilisé pour réaliser l’essai, les points importants du mode opératoire, les calculs et l’expression des résultats ainsi que des exemples d’application ; • des photos, lorsque c’est pertinent. Il est important de souligner que les informations présentées sont des compléments d’information aux essais et ne remplacent pas les méthodes normalisées. Par ailleurs, il est important de rappeler que les mesures réalisées sur deux appareils différents, qu’ils soient de conception différente ou de la même gamme (même marque, même modèle), ne sont pas identiques, quoique très proches, car tous les appareils ne réagissent pas exactement de la même manière. Il faut donc effectuer un étalonnage, une procédure qui permettra d’obtenir le même résultat à partir de la même situation initiale. Par dénition, l’étalonnage (calibration, en anglais) est la détermination de la relation existant entre les indications d’un appareil de mesure et les valeurs de la grandeur à mesurer, par comparaison avec un étalon. Ainsi, les jauges, les étuves, les thermomètres, les pycnomètres et autres instruments sujets à l’usure doivent être étalonnés au moins une fois par année, ou lorsque cela est nécessaire, an de s’assurer de la validité des résultats. On peut ainsi tracer des droites ou des courbes d’étalonnage. Quelques-unes des méthodes élaborées dans les laboratoires montrent une procédure pour étalonner les appareils nécessaires à sa réalisation. Voici les principaux essais d’échantillonnage et de caractérisation des granulats réalisés dans les laboratoires de matériaux granulaires et de géotechnique. Comme la très grande majorité des essais nécessitent, à une étape ou une autre, une opération de tamisage, nous donnons également des informations générales relatives aux tamis.
Échantillonnage
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SOMMAIRE
Échantillonnage Laboratoire 1 Échantillonnage Laboratoire 2 Réduction des échantillons pour essais en laboratoire Essais de détermination des caractéristiques de masse, de volume et d’humidité Laboratoire 3 Détermination de la masse volumique et du pourcentage de vides Laboratoire 4 Détermination de la densité et de l’absorption des granulats Laboratoire 5 Détermination de la teneur en eau des granulats Essais de détermination des caractéristiques intrinsèques Laboratoire 6 Détermination du coefcient d’usure par attrition à l’aide de l’appareil micro-Deval Laboratoire 7 Détermination du pourcentage de friabilité des granulats ns Laboratoire 8 Détermination de la résistance à l’abrasion au moyen de l’appareil Los Angeles Laboratoire 9 Détermination de la résistance au polissage par projection des gramulats Laboratoire 10 Analyse pétrographique et détermination du nombre pétrographique Essais de détermination des caractéristiques de fabrication Laboratoire 11 Analyse granulométrique Laboratoire 12 Détermination du pourcentage de particules plates et allongées
Laboratoire 13 Détermination du pourcentage de particules fracturées d’un gros granulat
Essais de détermination des caractéristiques complémentaires Laboratoire 14 Détermination de la quantité de particules plus nes que 80 µm dans le granulat (propreté) Laboratoire 15 Détermination du pourcentage de mottes d’argile dans les granulats naturels Laboratoire 16 Détermination de la quantité de particules légères dans les granulats Laboratoire 17 Détermination de la présence de matières organiques dans les granulats ns Laboratoire 18 Détermination de la valeur au bleu de méthylène des granulats Laboratoire 19 Détermination du coefcient d’écoulement des granulats ns Essais de résistance aux intempéries Laboratoire 20 Détermination de la résistance à la désagrégation des granulats au moyen d’une solution de sulfate de magnésium Laboratoire 21 Essai de résistance au gel et au dégel des gros granulats non connés Matériaux recyclés Laboratoire 22 Détermination de la teneur en impuretés dans un matériau recyclé Laboratoire 23 Détermination de la composition d’un matériau recyclé contenant des résidus d’enrobé et de béton Appendice Le tamis de contrôle
ÉCHANTILLONNAGE
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LABORATOIRE 1
L ABORATOIRE 1 Échantillonnage Méthodes de référence
• LC 21-010, Échantillonnage • CSA A23.2-1A, Échantillonnage des granulats pour usage dans le béton
• CSA A23.2-7B, Échantillonnage aléatoire des matériaux de construction
• CENTRE D’EXPERTISE EN ANALYSE ENVIRONNEMENTALE DU QUÉBEC. Guide d’échantillonnage à des ns d’analyses environnementales : Cahier 1 – Généralités, ministère du Développement durable, de l’Environnement, de la Faune et des Parcs, 2008, 58 p., 3 annexes, ceaeq.gouv.qc.ca/documents/ publications/echantillonnage/generalitesC1.pdf
• CENTRE D’EXPERTISE EN ANALYSE ENVIRONNEMENTALE DU QUÉBEC. Guide d’échantillonnage à des ns d’analyses environnementales : Cahier 5 – Échantillonnage des sols, ministère du Développement durable, de l’Environnement, de la Faune et des Parcs, édition courante, ceaeq.gouv.qc.ca/documents/publications/ echantillonnage/solsC5.pdf
• CENTRE D’EXPERTISE EN ANALYSE ENVIRONNEMENTALE DU QUÉBEC. Modes de conservation pour l’échantillonnage des sols, DR-09-02, Québec, ministère du Développement durable, de l’Environnement, de la Faune et des Parcs, 2013, 6 p., ceaeq.gouv.qc.ca/documents/ publications/echantillonnage/dr09_02sols.pdf
L’échantillonnage permet de recueillir de petites quantités de matériaux an d’en déterminer les caractéristiques à partir d’essais réalisés en laboratoire. On peut l’effectuer à divers endroits et à des ns diverses, notamment à la source (carrière, gravière ou sablière), sur le front de taille ou dans un gisement en vue d’évaluer la qualité des matériaux et les possibilités d’exploitation de la source ; à l’usine, sur les bandes transporteuses, à la sortie des trémies, dans les piles de réserve en vue de contrôler la production ; ou à pied d’œuvre, à la livraison, au cours de la mise en œuvre ou après la mise en œuvre en vue de l’acceptation ou du refus des matériaux. L’échantillonnage est la première étape du contrôle de la qualité des matériaux ; il est aussi important que les essais de laboratoire. L’échantillon ne représente qu’une inme partie du granulat, il doit donc être le plus représentatif possible de l’ensemble du matériau. Il importe de prendre toutes les précautions possibles pour éviter la
contamination et la ségrégation. Les matériaux qui ont été altérés superciellement doivent faire l’objet d’un échantillonnage séparé. Le lieu, la fréquence d’échantillonnage ainsi que la taille de l’échantillon sont aussi des facteurs importants. Les normes d’essai indiquent les quantités minimales à prélever selon les ns de l’échantillonnage. Il est très important de procéder à l’identication complète, ou marquage, de l’échantillon an qu’il soit possible d’en retrouver l’origine. Le type, le calibre, la provenance et l’utilisation de l’échantillon doivent être indiqués. L’identication doit aussi préciser la date du prélèvement, le nom de la personne responsable du prélèvement et le nom de son organisme, la liste des essais à effectuer, les coordonnées du destinataire ainsi que toute autre information qui facilitera la traçabilité de l’échantillon. Il est primordial de savoir que le technicien responsable de l’échantillonnage reviendra souvent au laboratoire avec plusieurs échantillons qui ne sont pas toujours destinés aux mêmes personnes ni aux mêmes essais. L’identication doit donc être faite avec le plus grand soin en inscrivant le plus de détails possible. Une attention particulière doit être apportée au moment du transport et de l’entreposage pour éviter toute altération des propriétés physicomécaniques à évaluer.
Échantillonnage pour analyse environnementale Depuis quelques années, les restrictions environnementales obligent à caractériser les granulats ou le sol en place lors de travaux. Comme on recherche des contaminants organiques ou inorganiques, l’échantillonnage doit être effectué avec le plus grand soin an d’éviter les contaminations par une source externe ou les contaminations croisées (voir la gure L1.1). L’échantillonnage, le transport et la conservation des échantillons exigent l’utilisation de contenants en polypropylène ou en verre, ambré ou clair, d’une seringue ou d’un échantillonneur à capsule hermétique et des sacs stériles (voir les gures L1.2 et L1.3). Ces échantillons doivent être soigneusement identiés an d’en connaître la provenance et la destination. Il est très important de transporter l’échantillon sans délai vers le laboratoire an d’en assurer l’intégrité. Par ailleurs, durant le transport et la conservation, la température doit être maintenue à 4 °C ou moins ; il est
Échantillonnage
FIGURE L1.1 Échantillonnage pour analyse environnementale
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FIGURE L1.3 Contenant clairs et sacs stériles pour préserver les échantillons pour analyse environnementale
FIGURE L1.2 Contenants ambrés pour analyse environnementale et récipient de type glacière pour conserver les prélèvements
Le nombre d’échantillons dépend de l’usage qu’on fera du matériau, de la quantité de matériau en cause et de sa variabilité. Les masses d’échantillons spéciées dans les méthodes de référence conviennent si on veut réaliser seulement une analyse granulométrique. S’il y a plusieurs autres essais à réaliser, les quantités requises devront être plus importantes.
utile d’avoir un contenant de type glacière et des réfrigérants pour conserver les prélèvements effectués. Le matériel d’échantillonnage (voir la gure L1.4) doit être soigneusement lavé et rincé avec de l’eau puriée et des produits chimiques comme l’acide nitrique, l’acétone et l’hexane. Ces produits doivent être manipulés avec précautions ; l’utilisation de gants et de lunettes de sécurité est donc obligatoire. Cette procédure doit être effectuée rigoureusement lors de chaque prélèvement, selon les protocoles établis dans le Cahier 5 (voir Méthodes de référence).
Échantillons et prélèvements Les quantités de granulats prélevées doivent permettre de réaliser tous les essais, que ce soit pour l’évaluation d’un matériau à la source, en réserve ou après la mise en œuvre. L’échantillon est constitué de plusieurs prélèvements séparés de masse à peu près égale (au moins trois, quand il s’agit d’évaluer le produit ni). Ces prélèvements sont mis ensemble puis réduits par quartage ou par un autre moyen approprié jusqu’à l’obtention de la taille spéciée dans la norme.
Appareillage Les appareils servant au prélèvement des échantillons de granulats vont des outils manuels les plus simples aux outils mécanisés les plus sophistiqués, selon ce que nécessite le type d’échantillonnage à effectuer.
FIGURE L1.4 Lavage de l’équipement des prélèvements
ÉCHANTILLONNAGE
194
LABORATOIRE 1
Matériel et outils manuels Le matériel et les outils manuels (voir la gure L1.5) comprennent ordinairement : une pelle ou une écope comme celle utilisée par le technicien qui effectue un prélèvement (voir la gure L1.6) ; un pic ; une tarière ; une toile forte carrée de 2 à 3 m de côté et une petite brosse pour récupérer les particules nes ; une plaque et une croix de quartage pour la réduction des échantillons ; des sacs de toile ou de polyéthylène pour le transport et la conservation des échantillons ainsi que des attaches.
Échantillonnage à la source Le prélèvement d’échantillons à la source est une étape très importante dans la fabrication des granulats. Cette étape permet d’effectuer une évaluation géologique du dépôt en sondant les différentes couches de matériaux, en plus de déterminer leur profondeur ainsi que le volume de matériaux à exploiter. L’échantillonnage à la source peut aussi révéler la présence de minéraux nuisibles tels que la pyrite ou la pyrrhotite. S’ils sont faits minutieusement et stratégiquement, les prélèvements servent à optimiser l’exploitation du dépôt.
Pour un échantillonnage en vue d’une analyse environnementale, le matériel comprend : des contenants, des oles, des capsules hermétiques, des sacs, des seringues ou des échantillonneurs spécialisés et stériles ; des produits chimiques (acétone, hexane, acide nitrique) et de l’eau puriée pour laver le matériel.
Échantillonnage dans les carrières Lorsque la carrière présente une face ouverte à la suite d’un dynamitage, on se procure un échantillon de chaque couche qui présente des variations de couleur ou de structure. Toutefois, le forage sur toute
Outils mécanisés Parmi les outils mécanisés usuels pour le prélèvement des échantillons, on trouve : une tarière motorisée (voir la gure L1.7) ; une pelle rétrocaveuse montée sur tracteur (voir la gure L1.8) ; une foreuse mécanique (voir la gure L1.9) ; une chargeuse sur pneus (voir la gure L1.10).
FIGURE L1.7 Tarière motorisée
FIGURE L1.5 Outils manuels et matériel pour l’échantillonnage
FIGURE L1.6 Échantillonnage manuel
FIGURE L1.8 Rétrocaveuse
Échantillonnage
FIGURE L1.9 Foreuse mécanique — forage sur la chaussée
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Échantillonnage dans les gravières et les sablières Exploration d’un dépôt Pour explorer un dépôt ne présentant aucune face ouverte, on fore plusieurs trous de sonde (au moyen d’une tarière ou d’une foreuse) sur toute l’étendue an de déterminer les changements et l’épaisseur des couches. On peut aussi creuser des tranchées à divers endroits au moyen d’une pelle mécanique ou d’une rétrocaveuse et prélever des échantillons soit à différents niveaux, soit sur toute l’épaisseur du dépôt. Échantillonnage d’un gisement à face ouverte On effectue l’échantillonnage d’un gisement à face ouverte en sillonnant verticalement la face ouverte, de bas en haut. Toutefois, on ne doit pas échantillonner dans le talus qui se forme naturellement à la base de toute face verticale. Lorsque la face est élevée et présente des difcultés qui rendraient l’échantillon prélevé non représentatif, il est préférable de prélever des échantillons par forage quelques mètres à l’arrière de la face ouverte.
Échantillonnage en cours de production FIGURE L1.10 Chargeuse sur pneus
Échantillonnage sur bande transporteuse Dans le cas d’un échantillonnage sur bande transporteuse, il faut prélever plusieurs échantillons au cours d’une journée de production. Puisqu’un échantillon prélevé sur bande transporteuse à un moment donné ne représente que quelques secondes de production dans une usine, il est préférable d’échantillonner plusieurs fois au cours de la production. Mode opératoire Arrêter la bande, glisser dans la couche de granulats deux plaques de métal ou de bois dont les contours épousent ceux de la bande (voir la gure L1.11, page suivante) et prélever tout le matériau entre les deux plaques, y compris les nes.
l’épaisseur du dépôt ou de la couche désirée au moyen d’une foreuse mécanique permet de déterminer avec plus de certitude les qualités et les quantités d’un dépôt. On effectue alors le prélèvement des carottes par rotation et enfoncement d’un carottier, soit un tube muni à son extrémité d’une couronne pourvue de nervures en saillie armées de particules d’un abrasif très dur (diamant noir ou carbure). À l’intérieur du tube, une enveloppe spéciale permet de maintenir la carotte durant le prélèvement. Pendant l’essai, on utilise de l’eau pour refroidir la couronne du carottier et éliminer les rebuts.
Échantillonnage d’une réserve (dépôt en tas) Les prélèvements dans une pile de réserve s’effectuent de deux manières : • au moyen d’outillage mécanique ; • par la méthode manuelle.
Prélèvement d’échantillons au moyen d’outillage mécanique Lorsque l’équipement est disponible, cette méthode produit des prélèvements plus représentatifs que les prélèvements manuels puisqu’une plus grande partie de la pile de réserve est mélangée et étendue par la
ÉCHANTILLONNAGE
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LABORATOIRE 1
chargeuse. Ce type de prélèvement est expliqué et illustré à la section 2.6 (voir p. 19).
Prélèvement d’échantillons par la méthode manuelle On prélève les échantillons en plusieurs points autour de la pile, à au moins trois niveaux : • près du sommet de la réserve ; • le plus près possible de la base de la réserve ; • à un ou des niveaux intermédiaires dans la réserve. Il faut d’abord enfoncer une planche au-dessus du point de prélèvement choisi (voir la gure L1.6, p. 194) pour éviter toute ségrégation causée par le matériau sus-jacent, enlever la couche de surface qui aurait pu sécher, enfoncer une écope ou une pelle dans le granulat humide, mélanger à fond les différents échantillons prélevés, réduire à la masse recommandée dans la norme et enn identier les échantillons correctement. Échantillonnage à partir de chargements On prélève les échantillons dans au moins trois tranchées transversales, creusées dans la benne d’un camion, d’un wagon, d’un bateau ou autre, en des points où le matériau est représentatif. La tranchée doit avoir une profondeur minimale de 300 mm à partir de la surface de la paroi et une largeur d’environ 300 mm. Le fond de la tranchée doit être horizontal.
horizontalement la surface, répéter deux fois l’opération, combiner les prélèvements et réduire selon la quantité requise. Note : Dans le cas d’échantillonnage selon la norme du Laboratoire des chaussées, deux des sept points doivent toucher aux parois. Échantillonnage sur la chaussée On effectue habituellement l’échantillonnage sur la chaussée par lot représentant une supercie ou encore par tonnage de matériaux établi au devis. L’échantillon est constitué de trois prélèvements sur toute l’épaisseur de la couche à évaluer. Il est très important d’exclure le matériau sous-jacent pour éviter toute contamination. Il arrive très souvent que la personne qui échantillonne utilise une table des hasards pour éviter toute subjectivité de sa part. Cette subjectivité pourrait l’amener à prendre un échantillon loin d’une source évidente de contamination ou de ségrégation. La table des hasards, ou table de valeurs aléatoires, contient des valeurs qui, en les combinant avec les dimensions de la supercie à échantillonner, xent des coordonnées précises où prélever les échantillons dans le matériau.
Effectuer les prélèvements de la façon suivante : creuser la tranchée, prélever des portions égales à sept points également espacés sur le fond de la tranchée (au minimum 3 points dans le cas des granulats destinés au béton selon la norme CSA A23.2) en enfonçant une pelle dans le matériau et non en raclant
Lors de travaux de réfection ou de reconstruction routière, l’échantillonnage et le prélèvement se font à l’aide d’une foreuse mécanique (voir gure L1.9, page précédente) sur laquelle on xe un carottier fendu. Le carottier fendu, un tube d’échantillonnage qui s’ouvre en deux pour le prélèvement, est une méthode très simple pour la caractérisation des épaisseurs de granulats et de sols en place ainsi que pour les prélèvements de carottes ou d’échantillons (voir gure L1.12) en vue d’analyses futures en laboratoire.
FIGURE L1.11 Échantillonnage sur bande transporteuse
FIGURE L1.12 Échantillonnage à l’aide d’un carottier fendu et carotte de sol
Réduction des échantillons pour essais en laboratoire
197
L ABORATOIRE 2 Réduction des échantillons pour essais en laboratoire Méthode de référence
FIGURE L2.1 Appareillage utilisé pour la réduction d’échantillons
LC 21-015, Réduction des échantillons pour essais en laboratoire
Les échantillons de matériau provenant des sites de production (carrières, gravières, sablières), des réserves ou des sites des travaux sont généralement trop volumineux pour les essais en laboratoire. Pour que les essais soient valables, on doit commencer par réduire ces échantillons en quantités plus petites, représentatives de l’ensemble du matériau. Après la réduction, il faut prendre toutes les précautions pour éviter toute contamination et maintenir la représentativité. L’intérêt de recourir à des procédures normalisées de réduction repose sur le fait que ces procédures permettent de diminuer les variations des caractéristiques mesurées entre l’échantillon réduit et celui qui a été prélevé. Les masses réduites requises (prises d’essai) sont indiquées dans chaque norme propre à l’essai qu’on veut réaliser.
Appareillage L’appareillage généralement utilisé pour la réduction des échantillons destinés aux essais en laboratoire (voir la gure L2.1) comprend : • un séparateur mécanique pour les gros granulats ; • un séparateur mécanique pour les granulats ns ; • une toile de quartage ; • une pelle à lame droite (pelle à mortier) ; • un bouclier ou une truelle à béton à rebord droit ; • un porte-poussière ; • une brosse.
La réduction au séparateur mécanique Pour le gros granulat de 5 mm à 50 mm, la réduction au séparateur mécanique (voir la gure L2.2) est la procédure à privilégier2, peu importe son état d’humidité, ainsi que pour le granulat n de l’état sec à l’état SSS. Le séparateur doit convenir au granulat et avoir le nombre de chutes approprié. La largeur des chutes doit être conforme aux dispositions prévues dans les normes d’essai (≥ 1,6D). Il importe donc de vérier cette largeur pour éviter d’obstruer une ou des chutes durant la réduction. Des séparateurs mécaniques de différentes dimensions permettent de procéder à la réduction de granulats ns à l’aide de cette méthode. FIGURE L2.2 Réduction d’un échantillon au moyen d’un séparateur mécanique
Procédures de réduction d’un échantillon La norme LC 21-015, Réduction des échantillons pour essais en laboratoire, prescrit trois procédures de réduction d’un échantillon à la masse exigée pour l’essai à effectuer. Le choix dépend de la granularité et de l’état d’humidité1 du granulat au moment de sa réduction ainsi que de son humidité.
1. Les granulats secs sont plutôt poussiéreux, et les granulats humides ont une couleur plus foncée. Lorsqu’une poignée de granulats ns conserve sa forme après avoir été serrée dans la main, sa teneur en eau est supérieure à l’état SSS. 2. Le diamètre peut être plus élevé si les ouvertures des chutes respectent les conditions de la norme.
ÉCHANTILLONNAGE
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LABORATOIRE 2
Mode opératoire On doit d’abord peser l’échantillon à séparer, prévoir le nombre de subdivisions à effectuer ainsi que les fractions à retenir pour composer la prise d’essai nale. Tout au long des opérations, on doit toujours prélever l’échantillon du même côté de l’appareil et s’assurer de l’écoulement uniforme des granulats dans chaque chute du séparateur. Lorsqu’on utilise un séparateur mécanique, le granulat ne doit être ni poussiéreux ni trop humide. S’il faut utiliser un séparateur mécanique comme procédure de rechange dans le cas d’un sable trop humide, il vaudrait mieux étaler le matériau et laisser s’évaporer un peu d’eau.
FIGURE L2.3 Procédure de réduction par quartage
a) Former un cône aplati
Réduction par quartage La réduction par quartage est la procédure de choix pour les gros granulats de plus de 50 mm et pour les granulats ns et humides. On peut faire la séparation sur une surface plane, dure et propre ou sur une toile si la surface est inégale ou contient des impuretés. Mode opératoire Mélanger le matériau à fond et former un cône. Aplatir le cône de manière à ce que le diamètre du cône égale environ 6 à 8 fois sa hauteur (voir la gure L2.3 a). Séparer l’échantillon en quatre parties à peu près égales au moyen d’un bouclier (voir la gure L2.3 b) ou d’une pelle à lame droite, s’il s’agit d’un gros granulat (voir la gure L2.3 c). Utiliser les parties 1 et 3 ou 2 et 4 (voir la gure L2.3 d). Répéter le même mode de séparation jusqu’à ce qu’on obtienne approximativement la masse voulue.
b) Séparer l’échantillon en quatre parties à peu près égales au moyen d’un bouclier (pour le granulat n)
Notes : 1. Il faut récupérer toutes les particules de chaque fraction du matériau au moyen du porte-poussière et de la brosse. 2. On utilise surtout la toile (voir la gure L2.1, page précédente) pour réduire un échantillon au chantier. c) Pour le gros granulat, utiliser une pelle à lame droite
Réduction par réserve miniature Cette procédure s’applique seulement pour les granulats ns humides. Mode opératoire Faire un tas comme dans la procédure par quartage. Constituer chaque prise d’essai en faisant au moins cinq prélèvements en des endroits pris au hasard dans la réserve. Nombre de subdivisions La norme d’essai comporte des informations permettant de déterminer le nombre de subdivisions à faire à partir de la masse totale de l’échantillon pour les procédures par quartage et par séparateur mécanique.
d) Utiliser les fractions 1 et 3 ou 2 et 4, et répéter la réduction jusqu’à l’obtention de la masse voulue
Réduction des échantillons pour essais en laboratoire
Ce nombre doit être limité à un minimum. Lorsqu’il est impossible d’éviter des différences marquées entre les fractions résultant de la réduction d’un échantillon, l’essai est exécuté sur l’ensemble de l’échantillon. Note : Il est important de bien suivre les modes opératoires pour maintenir la représentativité du matériau soumis après chaque réduction. 1 EXEMPLE D’APPLICATION
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2 An de garder la représentativité du matériau et de tenir compte de la masse minimale requise, on doit d’abord vider le sac, mélanger parfaitement le matériau et procéder quatre fois à la séparation par quartage :
L2.1
On vient d’apporter au laboratoire un sac contenant 85 kg de gravier 0-40 mm pour effectuer divers essais. On désire effectuer une analyse granulométrique de ce matériau et on pose les questions suivantes : 1 Quelle sera la masse minimale de la prise d’essai à utiliser ? 2 Combien de fois faut-il séparer l’échantillon et quelles fractions composeront la prise d’essai nale ? SOLUTION
1 La méthode décrite dans la norme LC 21-040, Analyse granulométrique, indique qu’il faut une masse minimale de 15 kg pour effectuer l’analyse granulométrique d’un gros granulat de 40 mm.
La prise d’essai nale sera composée des fractions suivantes : Une fraction de la séparation 3
10,6 kg
Une fraction de la séparation 4
5,3 kg
TOTAL
15,9 kg
Cette masse respecte bien la quantité minimale de la prise d’essai requise dans la norme LC 21-040, Analyse granulométrique par tamisage.
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES DE MASSE, DE VOLUME ET D’HUMIDITÉ
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LABORATOIRE 3
L ABORATOIRE 3 Détermination de la masse volumique et du pourcentage de vides Méthodes de référence Les informations qui suivent sont élaborées à partir de la méthode d’essai LC 21-060, Détermination de la masse volumique et du pourcentage de vides avec renvoi à la méthode CSA A23.2-10A Masse volumique des granulats lorsque les deux normes diffèrent. On y trouve les procédures de détermination de la masse volumique tassée selon une méthode par pilonnage et une méthode par chocs ainsi que les procédures de détermination de la masse volumique non tassée selon une méthode de remplissage à la pelle.
L’essai de la masse volumique et du pourcentage des vides permet de déterminer la valeur de la masse volumique qui servira à calculer les formules de mélanges de béton de ciment portland et d’enrobés, à passer des volumes aux masses lors de l’estimation des coûts et à évaluer la masse de granulats dans une réserve. Cet essai permet aussi de déterminer le pourcentage des vides entre les particules d’un granulat. La valeur de la masse volumique étant notamment fonction de l’état des granulats et du degré de compactage, il faut toujours préciser ces paramètres.
Appareillage L’appareillage usuel pour déterminer la masse volumique et le pourcentage des vides d’un granulat comprend (voir la gure L3.1) : • des récipients métalliques de forme cylindrique préférablement munis de poignées et dont le fond et le dessus sont droits et unis. Les dimensions doivent être conformes à celles indiquées dans la méthode de référence et les capacités sont les suivantes : 3, 10, 15 et 30 litres (7, 15 ou 30 litres selon la norme CSA). Le choix de la capacité du récipient dépend de la FIGURE L3.1 Appareillage nécessaire pour réaliser l’essai
• • • •
grosseur maximale du granulat à analyser (ou de la grosseur nominale maximale selon la norme CSA) ; un pilon normalisé de 600 ± 25 mm × 16 mm avec extrémité hémisphérique (norme LC) ; un pilon normalisé de 450 à 600 mm × 16 ± 1 mm avec extrémité hémisphérique (norme CSA) ; une écope et une pelle pour le remplissage des contenants ; un cylindre gradué d’une capacité de 1 litre ; une balance permettant la pesée de masses élevées et dont la précision correspond à 0,1 % de la masse de l’échantillon.
Note : S’ils ne sont pas disponibles, on peut remplacer les récipients par ceux utilisés dans le système de mesure impérial (1/10, 1/3, 1/2 et 1 pi3 [pied cube]).
Étalonnage des récipients Peser d’abord le contenant vide, propre et sec en même temps qu’une plaque de verre et noter la masse totale. Remplir le récipient d’eau à la température ambiante (qui devrait se situer entre 18 et 28 °C). Couvrir le récipient au moyen de la plaque de verre ou de plastique pour enlever les bulles d’air et l’eau qui excède le rebord supérieur du contenant (voir la gure L3.2). Peser et noter la masse. Mesurer la température. On doit procéder régulièrement à l’étalonnage des récipients an de s’assurer que le volume ne varie pas FIGURE L3.2
Étalonnage d’un contenant au moyen d’eau
Détermination de la masse volumique et du pourcentage de vides
à cause des chocs, du transport ou d’autres manipulations qui perturberaient la mesure.
201
FIGURE L3.3 Pesée du contenant rempli de granulats tassés
Notes : 1. Une plaque de plastique rigide peut aussi convenir pour l’essai. 2. Pour éviter que l’eau se renverse du récipient durant les manipulations, on peut enduire le rebord supérieur avec de la gelée de pétrole ; on peut aussi forer un trou de petit diamètre dans la plaque de verre ou de plastique, et compléter le remplissage au moyen d’une seringue.
Mode opératoire Calculer le volume V (en mètres cubes ou en litres) en divisant la masse (kg) d’eau (à T °C mesurée lors du remplissage du récipient) par la masse volumique de l’eau, à T °C (kg/m3). La norme fournit les données à cette n. Note : La norme CSA propose aussi de calculer la constante volumétrique C ou le coefcient du récipient (donné en ou m−3) en divisant la masse volumique de l’eau à T °C par la masse d’eau à T °C mesurée lors du remplissage du récipient. Cette constante représente le nombre de fois que le contenu du récipient est compris dans un volume unitaire de 1 m 3 ; elle est donc égale à :
couche déjà tassée, le déplacement devrait être plus difcile, car les particules sont plus rapprochées ; si tel n’est pas le cas, cela indique que le pilonnage n’est pas efcace et que la masse volumique sera sous-estimée. • Niveler le granulat avec le rebord, avec les mains ou le pilon (se référer à la norme d’essai). • Peser le récipient rempli de granulat (voir la gure L3.3) en s’assurant préalablement qu’aucune particule n’est retenue sur les poignées ou l’anse du récipient.
Détermination de la masse volumique tassée du granulat Méthode par pilonnage (pour les granulats de 40 mm et moins (56 mm ou moins [CSA]) • Remplir le récipient en trois couches à peu près égales et pilonner chaque couche de 25 coups de pilon répartis uniformément sur la surface. Le pilonnage de la première couche se fait sur toute l’épaisseur en s’assurant que le pilon ne frappe pas brutalement le fond ; pour les deuxième et troisième couches, il faut s’assurer que le pilon pénètre dans la couche précédente. Note : En déterminant, sur le pilon, un point de repère correspondant à une longueur dépassant légèrement la distance entre le rebord supérieur du récipient et la surface du matériau lors de l’enfoncement, on garantit la pénétration dans la couche sousjacente. De plus, lorsque le pilon pénètre dans une
Méthode par chocs (pour les granulats de grosseur maximale supérieure à 40 mm mais inférieure ou égale à 100 mm [56 mm à 80 mm (CSA)]) • Remplir le récipient en trois couches comme précédemment. • Compacter chaque couche en soulevant alternativement de 50 mm les côtés opposés du récipient de mesure pour le laisser retomber d’un seul coup sec 50 fois, soit 25 fois par côté. • Niveler avec les mains ou le pilon, et peser.
Détermination de la masse volumique non tassée Méthode par remplissage à la pelle (grosseur maximale de 100 mm [grosseur nominale maximale de 80 mm (CSA)]) • Remplir le récipient à l’aide d’une pelle à main jusqu’à débordement. Le matériau ne doit pas tomber d’une hauteur de plus de 50 mm. Il faut, autant que
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES DE MASSE, DE VOLUME ET D’HUMIDITÉ
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LABORATOIRE 3
possible, éviter la ségrégation granulométrique des particules. • Niveler avec les mains, le pilon ou une règle à araser, et peser.
Détermination de la masse volumique non tassée Dans tous les cas, la masse volumique est égale à :
Notes : 1. Ces essais requièrent un échantillon séché à l’étuve ; si le matériau est à l’état naturel, noter l’état d’humidité. 2. Lorsque le matériau soumis à l’essai est complètement sec, la masse volumique totale (ρ) est égale à la masse volumique sèche (ρd). Si le matériau est humide, on peut calculer la valeur de la masse volumique sèche, en mesurant la teneur en eau (ω) et la masse volumique humide du granulat soumis à l’essai, à l’aide de la formule suivante :
les valeurs étant : ρd : masse volumique du granulat sec (kg/m3) ; ρ : masse volumique humide du granulat (kg/m3) ; ω : teneur en eau du granulat soumis à l’essai (%). 3. L’emploi d’un contenant de fort volume augmente la précision de l’essai. 4. Pour s’assurer de la validité des résultats, il est préférable de tenir compte de la moyenne de trois essais effectués chaque fois avec de nouveaux granulats, tout en s’assurant qu’il n’y a pas d’écart signicatif entre les résultats. 5. Lorsqu’il est nécessaire de connaître la masse volumique à l’état saturé superciellement sec (SSS) pour le calcul des mélanges de béton de ciment et que celle-ci a été établie sur un granulat sec, il est possible d’obtenir cette valeur au moyen de la formule suivante :
où ρsss : masse volumique du granulat à l’état saturé superciellement sec (SSS) (kg/m3) ;
ρd : masse volumique du granulat sec (kg/m3) ; abs : absorption d’eau du granulat (%).
Détermination du pourcentage des vides dans le granulat Cette méthode d’essai de référence décrit le calcul du pourcentage des vides dans le granulat (exprimé au 0,1 % près) à partir de la masse volumique sèche déterminée par l’une ou l’autre des méthodes prescrites. La formule est la suivante :
où dB : densité brute du granulat ; ρw : masse volumique de l’eau (à 23 °C) (kg/m3) ; ρd : masse volumique du granulat sec (kg/m3). Pour pouvoir utiliser cette formule, on doit cependant connaître la densité brute du granulat. Si cette valeur est inconnue, il est possible de parvenir aux mêmes résultats en utilisant l’une ou l’autre des deux méthodes suivantes : 1. La méthode du rapport de volume, qui consiste à établir le rapport en pourcentage entre le volume d’eau nécessaire pour remplir les vides entre les granulats (voir la gure L3.4) et le volume d’eau que peut contenir le récipient (voir l’exemple d’application L3.3, p. 204). FIGURE L3.4 Remplissage des vides du granulat avec de l’eau
Détermination de la masse volumique et du pourcentage de vides
2. La méthode du rapport de masse, qui consiste à établir le rapport en pourcentage entre la masse d’eau nécessaire pour remplir les vides entre les granulats (voir la gure L3.4) et la masse d’eau que peut contenir le récipient, l’eau étant à la même température dans les deux cas.
203
SOLUTION
Méthode de la constante C : Valeur 1 : 50,50 × 33,33 = 1683 kg/m3 Valeur 2 : 51,20 × 33,33 = 1706 kg/m3 Valeur 3 : 50,70 × 33,33 = 1690 kg/m3 La masse volumique est égale à :
1 EXEMPLE D’APPLICATION
L3.1
Sachant que les résultats suivants ont été obtenus en laboratoire : • masse du récipient + plaque de verre + eau = 36,46 kg • masse du contenant + plaque de verre = 6,50 kg • température de l’eau : 18,0 °C 1 Quelle est la constante C ? 2 Quel est le volume V du récipient ? SOLUTION
1 Calcul de la constante C
La masse d’eau dans le contenant est 36,46 kg − 6,50 kg = 29,96 kg. La masse volumique de l’eau à 18,0 °C = 998,62 kg/m3 (selon le tableau 3 de la norme). La constante C est égale à
Note : Cette méthode d’essai de référence indique que pour un gros granulat de masse normale et de grosseur nominale maximale de 20 mm, les résultats de deux essais sur des échantillons d’un même gros granulat ne devraient pas s’écarter de plus de 32 kg/m 3, s’ils sont correctement exécutés par un même opérateur utilisant un récipient de 15 litres, dans un même laboratoire. Dans l’exemple qui précède, l’essai est exécuté avec une mesure de 30,0 litres et on peut faire la moyenne puisque l’écart le plus grand entre les valeurs est de 23 kg/m 3, ce qui est acceptable. Il faut toutefois faire preuve de jugement et aussi considérer les pratiques en vigueur dans chaque laboratoire ; un écart de plus de 32 kg/m3 entre les mesures demanderait de refaire un essai pour se conformer à l’écart permis par la norme. Méthode du volume V du contenant : Volume : 30,00 litres = 0,03000 m 3 La masse volumique (ρ) sera égale à
2 Calcul du volume V
EXEMPLE D’APPLICATION
L3.2
On demande de calculer la masse volumique (kg/m3) du granulat suivant en utilisant le contenant de l’exemple d’application L3.1 étant donné que trois essais consécutifs de pilonnage réalisés par un même opérateur ont donné les masses M suivantes : • M1 = 50,50 kg • M2 = 51,20 kg • M3 = 50,70 kg
L’expression de la masse volumique avec quatre chiffres signicatifs donne l’illusion d’une grande précision. Il faut tenir compte des pratiques en
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES DE MASSE, DE VOLUME ET D’HUMIDITÉ
204
LABORATOIRE 3
vigueur dans chaque laboratoire ainsi que des ns auxquelles on destine les résultats. Par exemple, s’il s’agit de déterminer la valeur de la masse volumique pour calculer les formules des mélanges de béton, le résultat peut être arrondi à la dizaine la plus proche, et dans ce cas, la réponse serait 1690 kg/m3.
Calcul du pourcentage des vides par le rapport des masses : Selon le tableau 3 de la norme, la masse volumique de l’eau à 23,0 °C est de 997,56 kg/m 3 ou 0,99756 kg/litre ; le récipient peut donc contenir : 30,00 × 0,99756 = 29,93 kg d’eau.
1 EXEMPLE D’APPLICATION
L3.3
On demande de calculer le pourcentage des vides dans le granulat par le rapport des volumes et par le rapport des masses, sachant qu’on a utilisé un récipient de 30,0 litres pour effectuer la mesure de la masse volumique, qu’il a fallu 12,0 litres d’eau à 23,0 °C pour combler les vides, et que la masse a augmenté de 11,97 kg avec l’ajout de l’eau. SOLUTION
Calcul du pourcentage des vides par le rapport des volumes :
La masse d’eau pour combler les vides est égale à 11,97 kg. En faisant le rapport des masses, on aura :
1 EXEMPLE D’APPLICATION
L3.4
Quelle est la masse volumique à l’état saturé superciellement sec (SSS) d’un granulat dont la masse volumique sèche (ρd) est de 1690 kg/m 3 et dont l’absorption est égale à 0,8 % ? SOLUTION
Volume d’eau ajouté : 12,00 litres = 0,01200 m3 Volume du contenant : 30,00 litres = 0,03000 m 3
La valeur de la masse volumique, à l’état saturé superciellement sec (SSS), du granulat est de 1704 kg/m3.
Détermination de la densité et de l’absorption des granulats
205
L ABORATOIRE 4 Détermination de la densité et de l’absorption des granulats Méthodes de référence
• LC 21-065, Détermination de la densité et de l’absorption du granulat n
• LC 21-066, Détermination de la densité et de l’absorption du granulat n de classe granulaire d/D
• LC 21-067, Détermination de la densité et de l’absorption du gros granulat
• CSA A23.2-6A, Détermination de la densité relative et de l’absorption du granulat n
• CSA A23.2-12A, Densité et absorption du gros granulat
En laboratoire, on détermine, à partir de l’état saturé superciellement sec (état SSS) d’un granulat, les valeurs de la densité brute (dB), de la densité à l’état SSS (dsss), de la densité apparente (dA) et de l’absorption d’eau par le granulat (abs). On utilise la densité SSS pour calculer le volume occupé par le granulat dans les bétons de ciment portland, tandis qu’on utilise les densités brutes et apparentes dans le cas des enrobés bitumineux et pour calculer d’autres paramètres des granulats. On utilise l’absorption pour la correction des quantités des constituants du béton. Les mesures de densité se font par déplacement d’eau (application du principe d’Archimède). On compare la masse dans l’air d’un échantillon de granulat à son volume déterminé par pesée dans l’eau. Quant à l’absorption, elle est calculée en déterminant la quantité d’eau requise pour remplir les pores du granulat après une période d’immersion de 24 heures. La méthode de détermination de l’état SSS du granulat dépend de sa grosseur et aussi de la forme de ses particules. Ainsi, pour les gros granulats, on roule la prise d’essai dans un linge absorbant jusqu’à la disparition des traces visibles d’eau. Pour les granulats ns provenant de sablières (pour la fraction plus petite ou égale à 2,5 mm d’une criblure ou d’un granulat concassé de gravière), on utilise la méthode au cône, similaire au principe des châteaux de sable, puisque les particules sont de forme arrondie ou presque arrondie. Pour les granulats ns concassés, de dimension de 2,5 à 5 mm, on utilise la même méthode de conditionnement que
pour le gros granulat, puisque la forme anguleuse des particules favorise le blocage mutuel des particules et qu’elles ne s’affaissent pas à l’essai au cône. Dans tous les cas, il faut porter une attention particulière au conditionnement, car un granulat encore humide conduira à des valeurs de l’absorption trop élevées et à des valeurs de la densité trop faibles, tandis que si le granulat est trop sec, on obtiendra des valeurs de l’absorption trop faibles et des valeurs de la densité trop élevées.
Densité et absorption du granulat n Appareillage L’appareillage ordinairement utilisé pour la détermination de la densité et de l’absorption du granulat n (voir la gure L4.1) comprend : • une balance de capacité sufsante et d’une sensibilité de ± 0,1 g ; • un moule métallique en forme de cône tronqué de dimensions conformes aux méthodes d’essai1 ; • un pilon normalisé1 ; • un linge absorbant2 ; • un pycnomètre (acon ou tout autre contenant approprié) dont le volume jusqu’au trait de jauge doit être égal ou supérieur à 150 % du volume occupé par l’échantillon. Pour les prises d’essai de 500 g indiquées dans les méthodes d’essai, un volume de 500 cm 3 suft ; FIGURE L4.1 Appareillage pour déterminer la densité et l’absorption du granulat n
1. Granulat n provenant de sablière ou fraction inférieure à 2,5 mm d’un granulat n concassé. 2. Fraction 2,5-5 mm d’un granulat n concassé.
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES DE MASSE, DE VOLUME ET D’HUMIDITÉ
206
LABORATOIRE 4
• un séchoir ; • un thermomètre.
FIGURE L4.2 Conditionnement d’un sable pour l’essai de densité
Conditionnement du granulat An de conserver une certaine précision lors de l’essai, on doit observer différentes règles quand on conditionne le granulat.
Granulat n provenant de sablières, granulat n concassé de classe granulaire 0/D où D ≤ 2,5 mm et fraction de granulat n concassé de dimension égale ou inférieure à 2,5 mm Pour ces types de granulat, on doit : • faire absorber de l’eau au granulat pendant une période de 24 heures ± 4 heures par trempage en respectant les conditions décrites dans les méthodes d’essai ; • décanter l’excès d’eau en évitant la perte de particules nes ; • étaler la prise d’essai dans un grand plat et commencer à l’assécher en promenant le séchoir au-dessus du matériau à une distance telle que la force du courant d’air ne sépare pas les particules nes de l’échantillon ; • mélanger constamment toutes les particules devant le courant d’air, de manière à assurer un séchage amenant l’échantillon à l’état saturé superciellement sec (SSS) ; • vérier que le granulat a atteint l’état saturé superciellement en remplissant le cône tronqué et en le compactant de 25 coups de pilon (hauteur de chute de 5 mm) tout en le tenant fermement. Lorsque le pilonnage est terminé, enlever le surplus de matériau autour du cône pour éviter que le matériau ne retienne le mouvement du granulat et retirer le cône. Si le matériau reste en place (voir la gure L4.2 a), recommencer à assécher le matériau, puisqu’il est encore trop humide ; • le granulat atteint l’état SSS lorsque le cône s’affaisse légèrement, c’est-à-dire qu’une toute petite portion du cône se détache et que le reste est maintenu en place (voir la gure L4.2 b). À ce moment, l’eau s’évapore très rapidement ; si l’attente est trop longue entre l’atteinte de l’état SSS et la pesée, le granulat deviendra trop sec et il faudra recommencer le conditionnement ; • lorsqu’on a dépassé l’état d’assèchement SSS, c’està-dire lorsque le sable s’affaisse totalement au moment où on retire le cône (voir la gure L4.2 c), vaporiser un peu d’eau sur tout l’échantillon et le mélanger à fond ; recouvrir le matériau 30 minutes et recommencer l’opération.
a) Le sable est trop humide.
b) Le sable a atteint l’état saturé superciellement sec.
c) Le sable est trop sec.
Granulat n de classe granulaire d/D où d ≥ 2,5 mm et D ≤ 5 mm Pour ce type de granulat, on doit : • laver la prise d’essai sur un tamis de 2,5 mm ; • faire absorber de l’eau au granulat pendant une période de 24 heures ± 4 heures par trempage en respectant les conditions décrites dans la méthode d’essai ; • égoutter la prise d’essai, la déposer sur un linge à vaisselle, lui-même déposé sur un tissu absorbant. Refermer le linge sur les granulats et rouler jusqu’à ce qu’il n’y ait plus d’eau libre à la surface des particules, ce que l’on discerne par leur éclat plutôt mat ou non brillant.
Détermination de la densité et de l’absorption des granulats
Mode opératoire 1. Pesée du granulat à l’état SSS Lorsque le granulat a atteint l’état SSS, remplir partiellement le pycnomètre avec de l’eau, mettre la balance à zéro et introduire environ 500 g de granulat à l’aide d’un entonnoir. Peser la masse SSS du granulat. Remplir le pycnomètre jusqu’au bas du col avec de l’eau préalablement tempérée (LC : 23 °C ± 1,7 °C ; CSA : 23 °C ± 2 °C). 2. Élimination de l’air autour des granulats La bonne façon d’extraire l’air autour des granulats consiste à rouler le pycnomètre dans une position légèrement inclinée (voir la gure L4.3) jusqu’à la disparition de toutes les bulles perceptibles dans le liquide. 3. Pesées Après avoir éliminé l’air, amener le niveau d’eau du pycnomètre jusqu’au point de repère et déterminer la masse du pycnomètre avec la prise d’essai et l’eau à la température demandée par la norme. Par la suite, on doit extraire la totalité de l’échantillon du pycnomètre et le faire sécher, le laisser refroidir à l’air et le peser. 4. Mesure de température L’essai s’effectue à 23 °C ± 1,7 °C (CSA : 23 °C ± 2 °C). Lorsqu’on vérie la température de l’eau, on doit toujours placer le bulbe du thermomètre au centre de la partie volumineuse du pycnomètre (voir la gure L4.4). On peut amener l’eau à la température désirée en plongeant le pycnomètre dans de l’eau en circulation. 5. Pesée du pycnomètre On détermine la masse du pycnomètre rempli d’eau à 23 °C ± 1,7 °C (CSA : 23 °C ± 2 °C) jusqu’au trait de jauge. Il faut refaire deux fois l’essai et s’assurer FIGURE L4.3 Légère inclinaison du pycnomètre pour faciliter l’élimination de l’air
207
FIGURE L4.4 Lecture de la température dans la partie la plus volumineuse d’un pycnomètre
qu’il n’excède pas la valeur prescrite, c’est-à-dire que l’écart entre les deux résultats est respecté. Le résultat est donc la moyenne des deux résultats. Note : L’utilisation d’une pompe à vide ou d’une trompe raccordée à un robinet pour extraire l’air entourant les particules de granulats entraîne des erreurs dans la mesure des densités ou de l’absorption, puisque les calculs sont établis à partir de granulats qui ont absorbé de l’eau pendant 24 heures sans être soumis à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Calculs et expression des résultats Dans le cas des enrobés bitumineux, les densités sont calculées et rapportées à 0,001 près (trois chiffres après la virgule), et l’absorption est exprimée en pourcentage et rapportée à 0,01 % près. Dans le cas des bétons de ciment portland, les densités sont rapportées à 0,01 près et l’absorption, à 0,1 % près. Il faut toujours indiquer de quel type de densité il s’agit. Selon les normes d’essai, les formules suivantes sont utilisées pour calculer ces caractéristiques. Densité brute (basée sur l’état sec)
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES DE MASSE, DE VOLUME ET D’HUMIDITÉ
208
LABORATOIRE 4
Densité brute (basée sur l’état superciellement sec)
Densité apparente
Absorption d’eau par le granulat
où dB : densité brute ; dsss : densité à l’état SSS ; dA : densité apparente ; abs : absorption (%) ; Ms : masse dans l’air de l’échantillon séché à l’étuve ; Mpyc : masse du pycnomètre rempli d’eau jusqu’au point de repère ; Msss : masse du granulat n à l’état saturé superciellement sec introduit dans le pycnomètre ; Mpyc+ granulat : masse du pycnomètre contenant l’échantillon et rempli d’eau jusqu’au point de repère (masse du granulat dans l’eau). Toutes les masses sont données en grammes. Lorsqu’on effectue l’essai sur des fractions de l’échantillon séparées selon la grosseur des particules (cas des mélanges de granulats ns et grossiers), on peut obtenir les valeurs moyennes des trois types de densité et de l’absorption par pondération des résultats calculés selon les formules présentées précédemment (voir la norme LC 21-065, article 8.1). Densité moyenne
d1, d2, d3, dn : densités appropriées de chaque fraction selon le type ; A1, A 2, A n : pourcentages d’absorption respectifs pour chaque fraction utilisée. Note : Toujours vérier l’inégalité dB < dsss < dA. Des résultats contraires indiquent des erreurs de calcul, de pesée ou d’essai. 1 EXEMPLE D’APPLICATION
L4.1
On a mesuré en laboratoire la densité et l’absorption d’eau d’un sable à béton en utilisant un pycnomètre de 500 cm 3. Les lectures faites sont les suivantes : • masse du pycnomètre : 195,2 g • masse du granulat (SSS) : 490,0 g • masse du pycnomètre + granulat (SSS) : 685,2 g • masse du pycnomètre + granulat + eau à 23 °C : 1002,0 g • masse du pycnomètre + eau à 23 °C : 693,7 g • masse du granulat sec : 484,5 g Au moyen des formules données plus haut, on demande de : 1 calculer la densité brute dB (basée sur la condition du granulat sec) ; 2 calculer la densité SSS dsss (basée sur l’état saturé superciellement sec) ; 3 calculer la densité apparente dA ; 4 calculer le pourcentage d’absorption (abs). SOLUTION
1 La densité brute, basée sur la condition du granulat sec
2 La densité brute, basée sur l’état saturé superciellement sec
Pourcentage d’absorption moyen
3 La densité apparente
où d : densité moyenne (selon le type) ; A : pourcentage moyen d’absorption ; : somme des pourcentages des fractions pour lesquelles on veut calculer la valeur moyenne ; P1, P2, P3, Pn : pourcentages respectifs dans l’échantillon original de chaque fraction utilisée, déterminés à partir des résultats de l’analyse granulométrique ;
4 Le pourcentage d’absorption
Détermination de la densité et de l’absorption des granulats
1 EXEMPLE D’APPLICATION
209
L4.2
En laboratoire, on a réalisé l’essai de densité sur une criblure de classe granulaire 0-5 mm destinée à fabriquer des enrobés bitumineux. Après lavage d’un échantillon sur un tamis de 2,5 mm, on a recueilli les deux fractions 2,5-5 mm et < 2,5 mm pour faire l’essai sur chacune d’elles. Sachant qu’une proportion de 65 % de l’échantillon a passé le tamis de 2,5 mm, on demande de calculer, à partir des résultats des mesures donnés dans le tableau ci-contre : 1 la densité moyenne brute (basée sur la condition du granulat sec) ; 2 la densité moyenne brute (basée sur l’état saturé superciellement sec) ;
3 la densité moyenne apparente ; 4 le pourcentage d’absorption moyen. Fraction Paramètres
2,5-5 mm (35 %)
< 2,5 mm (65 %)
Masse du granulat (SSS) (g)
500,0
500,0
Masse du pycnomètre + granulat + eau à 23,1 °C (g)
1690,8
1690,6
Masse du pycnomètre + eau à 23,0 °C (g)
1376,3
1376,3
496,8
495,8
Masse du granulat sec (g)
SOLUTION Fraction Caractéristiques 2,5-5 mm
< 2,5 mm
Densité brute, basée sur l’état sec
Densité SSS, basée sur l’état saturé superciellement sec
Densité apparente
Pourcentage d’absorption Caractéristiques
Criblure
Densité moyenne brute, basée sur l’état sec
1
Densité moyenne SSS, basée sur l’état saturé superciellement sec
2
Densité moyenne apparente
Pourcentage d’absorption moyen
3
4
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES DE MASSE, DE VOLUME ET D’HUMIDITÉ
210
LABORATOIRE 4
Densité et absorption du gros granulat (dimension des particules > 5 mm et classes granulaires de type d/D où d ≥ 5 mm) Appareillage L’appareillage utilisé pour déterminer la densité et l’absorption du gros granulat comprend : • une balance de capacité sufsante et d’une sensibilité de ± 0,1 g ; • une serviette de ratine ; • un panier fait de treillis en acier inoxydable ou un seau ; • un plat d’une capacité minimale de 1 litre ; • un bassin d’immersion à l’épreuve de la rouille et muni d’un tuyau à trop-plein ; • un thermomètre.
d’immersion ; mettre la balance à zéro (voir la gure L4.6). • Déposer ensuite les granulats préalablement portés à l’état (SSS) dans le plat sur la balance (voir la gure L4.7). FIGURE L4.5 Conditionnement du gros granulat dans une serviette humide
Masse de la prise d’essai On détermine la masse minimale de la prise d’essai en se basant sur la grosseur nominale maximale du granulat (se référer aux normes d’essai). Mode opératoire Pour déterminer la densité et l’absorption du gros granulat, il faut franchir les étapes suivantes : 1. Préparation de la prise d’essai Faire passer l’échantillon à travers un tamis de 5 mm et rejeter tout le matériau passant ou le laver directement sur ce même tamis, et écarter tout ce qui passe. Faire sécher à une température de 110 °C ± 5 °C jusqu’à masse constante1. 2. Conditionnement du granulat • Immerger le granulat pendant 24 heures ± 4 heures dans l’eau. • Absorber l’excès d’eau de surface au moyen d’une serviette humide (voir la gure L4.5). 3. Pesée hydrostatique • S’assurer que le bassin est rempli d’eau. • Déposer un plat sur la balance, suspendre le panier sous la balance, s’assurer que la chaînette traverse librement le banc d’essai et que le panier ne touche pas les côtés ou le fond du bassin
FIGURE L4.6 Mise à zéro de la balance
1. Cette étape de séchage n’est pas requise si les caractéristiques sont destinées à la formulation de dosage de béton puisque les granulats sont généralement utilisés à l’état humide dans les mélanges.
Détermination de la densité et de l’absorption des granulats
FIGURE L4.7 Pesée du granulat dans l’air
• Noter la masse dans l’air du granulat à l’état SSS, soit la valeur MSSS dans les formules. • Mettre immédiatement le granulat dans le panier, l’immerger en prenant soin de faire sortir les bulles d’air emprisonnées, puis remettre le plat sur la balance (voir la gure L4.8). • Noter la masse déjaugée du granulat, soit la valeur MIw dans les formules. • Sécher le granulat à masse constante. • Noter le résultat, soit la valeur de la masse sèche MS dans les formules de calcul.
211
méthodes de référence. On a obtenu les lectures suivantes en laboratoire : • masse SSS ou MSSS = 3500 g • masse déjaugée ou MIw = 2210 g • masse sèche ou MS = 3480 g On doit : 1 vérier si, selon les méthodes d’essai indiquées en référence, la masse de granulats utilisée est sufsante ; 2 calculer la densité brute du granulat ; 3 calculer la densité SSS ; 4 calculer la densité apparente ; 5 calculer le pourcentage d’absorption. SOLUTION
1 Le tableau 2 (CSA : tableau 1) de la norme exige une masse minimale de 3 kg pour un granulat dont la grosseur nominale maximale est de 20 mm. Donc, la quantité est sufsante avec une masse de 3500 g. 2 La densité brute du granulat basée sur la condition du granulat sec est
Note : Pour cet essai, l’eau est préalablement conditionnée à 23 °C ± 1,7 °C (CSA : 23 °C ± 2 °C). FIGURE L4.8 Pesée du granulat dans l’eau
3 La densité brute du granulat basée sur l’état saturé superciellement sec est
4 La densité apparente du granulat est
5 Le pourcentage d’absorption d’eau est 1 EXEMPLE D’APPLICATION
L4.3
Un granulat dont la grosseur nominale maximale est de 20 mm a été conditionné selon les prescriptions des normes appropriées indiquées dans les
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES DE MASSE, DE VOLUME ET D’HUMIDITÉ
212
LABORATOIRE 5
L ABORATOIRE 5 Détermination de la teneur en eau des granulats Méthodes de référence
• LC 21-200, Détermination de la teneur en eau au four à micro-ondes
• LC 21-201, Détermination de la teneur en eau par séchage
La détermination de la teneur en eau est un essai très important puisqu’il permet de connaître l’humidité d’un granulat ou encore la teneur en eau naturelle d’un sol. Si on connaît la teneur en eau d’un matériau, il est possible de procéder à des ajustements de quantités de granulats au cours de la confection de gâchées de béton de ciment ou encore de faire des ajustements de masses pour des matériaux de fondation routière qui ont été mouillés par la pluie ou par tout autre apport d’eau. Au laboratoire, on peut mesurer la teneur en eau à l’aide d’une source de chaleur comme une plaque chauffante ou une étuve ventilée. Lorsque le temps presse, la détermination de la teneur en eau peut se faire à l’aide d’un four à micro-ondes. Sur le chantier, il est possible de se servir de l’appareil Speedy ou d’un nucléodensimètre (voir la gure L5.1). Ce dernier émet des ondes radioactives et permet de déterminer en quelques minutes la teneur en eau d’un granulat ou d’un sol en chantier. Il existe aussi des sondes que l’opérateur d’une usine de béton peut introduire dans une pile de réserve an de connaître directement la teneur en eau et donc d’ajuster les formules de mélanges en temps réel.
Appareillage • Une balance précise au dixième de gramme et d’une capacité sufsante ; • des contenants pouvant résister à la chaleur ; • une source de chaleur convenable ou une étuve ventilée (voir la gure L5.2) pouvant maintenir une température de 110 ± 5 °C ; • un four à micro-ondes ; • un appareil Speedy ; • un outil à mélanger. Étalonnage d’une étuve Comme la norme spécie une température précise, il est de la responsabilité de chaque laboratoire de s’assurer que les étuves utilisées fournissent la bonne température. Il faut donc procéder à leur étalonnage. Pour ce faire, on place plusieurs thermomètres à divers endroits stratégiques (au centre de l’étuve, sur un des rebords de l’étuve, près des portes, à la sortie d’air, etc.), et on procède à l’étalonnage. On doit tout d’abord s’assurer que la température interne est stable. On fait ensuite varier l’indicateur de température de l’étuve à cinq ou six reprise pour couvrir la plage de températures utile de l’appareil. On peut ensuite tracer une courbe représentant la valeur du paramètre indiqué sur l’étuve en abscisse et la valeur mesurée en ordonnée, en faisant la moyenne des différents thermomètres ou en ne prenant que le thermomètre au centre de l’étuve, par exemple. Cette courbe est appelée « droite d’étalonnage » (voir la gure L5.3). Dans cet exemple, pour FIGURE L5.2
FIGURE L5.1 Nucléodensimètre
Étuve ventilée pour la détermination de la teneur en eau
Détermination de la teneur en eau des granulats
FIGURE L5.3
213
Droite d’étalonnage d’une étuve Étuve – # CRL362 - Étalonnage 2017
obtenir une température de 110 °C, il faudrait placer l’indicateur à environ 192 °F.
Modes opératoires Mode opératoire par séchage à l’étuve La prise d’essai est choisie en fonction de la grosseur nominale des granulats selon les spécications de la norme LC 21-201. • Peser la prise d’essai humide au dixième de gramme en évitant toute perte d’humidité. • Sécher la prise d’essai en évitant la perte de particules de l’échantillon jusqu’à masse constante, ou jusqu’à ce qu’un chauffage supplémentaire entraîne une perte de masse de moins de 0,1 %. Mode opératoire par séchage au four à micro-ondes La prise d’essai est choisie en fonction de la grosseur des granulats selon les spécications de la norme LC 21-200. • Peser la prise d’essai humide au dixième de gramme près en évitant toute perte d’humidité et en prenant soin de placer un matériau non conducteur entre la balance et le récipient contenant la prise d’essai. • Sécher la prise d’essai par périodes de 5 minutes à la puissance maximale et peser l’échantillon séché jusqu’à masse constante. La masse peut être considérée comme constante lorsque la différence entre deux pesées consécutives est inférieure à 0,1 %.
Mode opératoire avec l’appareil Speedy La détermination de la teneur en eau au moyen de l’appareil Speedy (voir la gure L5.4) est une méthode qui fait appel à un contenant miniature à paroi épaisse qui, par corrélation, mesure la pression interne de l’acétylène dégagé lors de la réaction entre l’eau et le carbure de calcium. La quantité de carbure de calcium à mélanger avec le sol est fonction de la nature et de la teneur en eau du sol : par exemple, si le sol est argileux, il faudra ajouter plus de carbure de calcium que pour un sable. Pour faire la corrélation entre la pression lue sur le manomètre et la valeur de teneur en eau réelle, il convient d’effectuer un étalonnage avec des masses FIGURE L5.4 Appareil Speedy
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES DE MASSE, DE VOLUME ET D’HUMIDITÉ
214
LABORATOIRE 5
d’eau connues. On obtient ainsi par lecture sur le manomètre, la teneur en eau du sol en 5 à 10 minutes. Puisque chaque fabricant utilise une méthode et des quantités différentes, il faut consulter la che de l’appareil avant de l’employer. Note : Pour une précision accrue, il vaut mieux réaliser l’essai de détermination de la teneur en eau à l’étuve. Par contre, l’essai au four à micro-ondes et l’essai utilisant l’appareil Speedy fournissent des résultats très acceptables. D’ailleurs, l’avantage de ces deux essais est que les résultats sont obtenus rapidement. Par exemple, les granulats peuvent changer d’état d’humidité rapidement pendant la confection de gâchées de béton de ciment. La teneur en eau au four à microondes permet alors d’ajuster rapidement les quantités de granulats et d’eau nécessaires.
2 On obtient la teneur en eau totale à l’aide de la formule suivante :
. En substituant les valeurs, on a :
. 3 L’humidité de surface h % est :
h % = ωtot % − abs %. En substituant les valeurs, on a : h % = 4,2 - 1,2 = 3,0 %.
Calculs et expression des résultats On calcule la teneur en eau à l’aide de la formule suivante :
où w tot : teneur en eau totale de l’échantillon, en pourcentage ; Mh : masse humide de l’échantillon, en g ; Ms : masse sèche de l’échantillon, en g. 1 EXEMPLE D’APPLICATION
L5.1
Un sable pour béton a une masse humide Mh = 625 g et une masse sèche Ms = 600 g ; sachant que son absorption est abs = 1,2 %, on demande de : 1 vérier si la masse de matériau utilisée respecte les exigences de la norme ;
1 EXEMPLE D’APPLICATION
L5.2
Pour fabriquer un mètre cube de béton de ciment, un producteur utilise la recette suivante : Eau Ciment Gros granulats (SSS) Granulats ns (SSS)
170 kg 340 kg 1088 kg 727 kg
La condition actuelle des granulats est la suivante : gros granulats w tot % = 0,0 % granulats ns w tot % = 5,0 %
abs = 0,5 % abs = 0,6 %
On demande de : 1 calculer la masse des gros granulats secs à peser pour respecter la masse à l’état SSS dans la formulation du béton ;
2 calculer la teneur en eau totale de ce sable ;
2 calculer la masse de granulats ns à peser pour respecter la masse à l’état SSS prévue dans la recette ;
3 calculer l’humidité h de ce matériau.
3 corriger la masse d’eau en conséquence.
SOLUTION
1 Un sable pour béton a normalement une grosseur nominale maximale égale à 5 mm ; en se référant au tableau 1 de la norme, on voit que la masse minimale exigible pour une telle grosseur est de 0,5 kg ou 500 g, donc une masse de 625 g est sufsante.
SOLUTION
Comme on calcule toujours les masses des granulats pour béton en se basant sur l’état saturé superciellement sec (SSS) et qu’il faut maintenir constant le rapport eau/ciment dans le mélange, on se base sur la teneur en eau et l’absorption pour calculer les masses réelles de granulats à peser.
Détermination de la teneur en eau des granulats
1 Pour les gros granulats, à l’aide de l’équation 9 de la page 62, il faut peser seulement
215
de granulats humides et soustraire 759 - 727 = 32 kg d’eau à la quantité d’eau de gâchage, puisque cette eau est apportée par le sable. 3 Pour l’eau, il faudra utiliser seulement
170 + 5 - 32 = 143 kg ou 143 litres. Vérication des calculs :
de gros granulats secs et ajouter 1088 - 1083 = 5 kg d’eau à la quantité d’eau de gâchage pour remplacer l’eau qui sera absorbée par les granulats secs. 2 Pour les granulats ns, il faut peser
Masses initiales (kg)
Masses corrigées (kg)
Eau
170
143
Ciment
340
340
Gros granulats
1088
1083
Granulats ns
727
759
2325
2325
Total
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES INTRINSÈQUES
216
LABORATOIRE 6
L ABORATOIRE 6 Détermination du coefcient d’usure par attrition à l’aide de l’appareil micro-Deval Méthodes de référence
FIGURE L6.1 Appareil micro-Deval
Les informations qui suivent ont été développées à partir des normes suivantes :
• LC 21-070, Détermination du pourcentage d’usure par attrition du gros granulat au moyen de l’appareil micro-Deval
• LC 21-101, Détermination du pourcentage d’usure par attrition du granulat n au moyen de l’appareil micro-Deval Autres normes :
• CSA A23.2-23A, Méthode d’essai de résistance à la dégradation du granulat n par abrasion dans l’appareil micro-Deval
• CSA A23.2-29A, Méthode d’essai pour déterminer la résistance à la dégradation du gros granulat par abrasion dans l’appareil micro-Deval
L’essai micro-Deval permet de déterminer la résistance à l’usure par frottement réciproque des particules d’un granulat. Le principe de l’essai consiste à reproduire, en présence d’eau dans une jarre cylindrique en rotation, les phénomènes d’usure par le frottement des particules du granulat les unes sur les autres, sur les parois de la jarre en rotation et sur les billes d’acier (charge abrasive). L’essai est réalisé sur des granulats mouillés parce qu’ils sont moins résistants à l’attrition que des granulats secs. L’essai micro-Deval permet de déceler les granulats susceptibles de se dégrader lors de la manutention, de la mise en œuvre (notamment lors du malaxage dans le cas des bétons), et aussi en service. Les résultats de l’essai permettent d’évaluer la convenance d’une source de granulats et de déterminer la catégorie des granulats soumis à l’analyse. Dans ce dernier cas, les résultats sont associés à ceux de l’essai Los Angeles. Le pourcentage de perte lors de l’essai constitue un bon indicateur de la qualité générale d’un granulat. Un résultat faible indique un matériau de très bonne ou d’excellente qualité.
Appareillage L’appareillage de base servant à déterminer le coefcient d’usure par attrition d’un granulat comprend : • un appareil micro-Deval qui permet d’utiliser une ou plusieurs jarres à la fois (voir la gure L6.1) ;
• des jarres étanches respectant les critères fournis dans les méthodes d’essai (voir la gure L6.2) ; • des billes sphériques en acier inoxydable dont le diamètre est de 9,5 mm ± 0,5 mm, en quantité sufsante pour totaliser la charge abrasive exigée dans les méthodes d’essai (voir la gure L6.3) ; • une balance de capacité sufsante pour satisfaire aux exigences relatives à la masse minimale de chaque prise d’essai et permettant une lecture à 0,1 g près ; • une étuve ou plaque chauffante permettant de maintenir une température de 110 °C ± 5 °C ; • un aimant sufsamment puissant pour retirer la charge abrasive au terme de l’essai ; • un gabarit formé de barreaux espacés de 9 mm pour mesurer le diamètre des billes (voir la gure L6.4). Il faut aussi : • pour le gros granulat, des tamis de 20, 14, 10, 5 et 1,25 mm montés sur monture (bâti) circulaire de 200 mm de diamètre ; • pour le granulat n, des tamis de 5 mm et 160 µm.
217
Détermination du coefcient d’usure par attrition à l’aide de l’appareil micro-Deval
FIGURE L6.2
Jarre étanche utilisée dans l’essai micro-Deval
les masses des fractions granulométriques des essais de grade A, B, C, D, E ou F de la norme (voir le tableau L6.1). • Laver l’échantillon de manière à séparer le tamisat de 5 mm et le sécher jusqu’à masse constante. • Séparer par fractions granulométriques distinctes en utilisant, selon le cas, les tamis 20, 14, 10 et 5 mm. • Composer la prise d’essai selon le grade (A, B, C, D, E ou F) en étant le plus représentatif le de la granulométrie du granulat à analyser. Note : La masse des fractions pour chaque grade est donnée au tableau L6.1. On peut voir que, peu importe le grade, la masse totale de la prise d’essai est de 500 ± 5 g.
FIGURE L6.3 Billes constituant la charge abrasive
Granulat n • En utilisant une méthode appropriée, réduire le matériau dont toutes les particules passent à travers un tamis de 5 mm, jusqu’à une masse d’environ 700 g. • Laver (en utilisant la même méthode que pour l’analyse granulométrique) et faire sécher l’échantillon jusqu’à masse constante. • En utilisant une méthode de réduction appropriée, préparer un échantillon d’environ 500 g tiré de la fraction du matériau passant un tamis de 5 mm et retenu sur un tamis de 160 µm.
Mode opératoire FIGURE L6.4 Gabarit pour billes
• Saturer d’eau la prise d’essai pendant 24 heures ± 4 heures et égoutter. Dans le cas du granulat n, on utilise 350 ml d’eau pour le trempage. • Pour le gros granulat, introduire dans la jarre : - la charge abrasive (voir le tableau L6.1) ; TABLEAU L6.1 Masse des fractions granulométriques pour la préparation de la prise d’essai (gros granulat) Ouverture des tamis Passant Retenu (mm) (mm)
Préparation de la prise d’essai La procédure de préparation de la prise d’essai diffère selon qu’il s’agit d’un gros granulat ou d’un granulat n. Gros granulat • Prélever un échantillon représentatif du matériau à étudier, en quantité sufsante pour pouvoir respecter
20
14
14
10
10
5
Charge abrasive en g (± 5 g)
Masse de la prise d’essai en g (± 5 g) Grade A
B
500
250 250
C
D
E
F 180
500
250 250
110 500
210
5300 5000 4425 2500 2000 3725
Source : Ministère des Transports du Québec, Recueil des méthodes d’essai LC - Détermination du pourcentage d’usure par attrition du gros granulat au moyen de l’appareil micro-Deval (LC 21-070).
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES INTRINSÈQUES
218
•
•
• •
•
•
LABORATOIRE 6
- la prise d’essai égouttée (500 g ± 5 g de granulats) ; - 2,5 litres d’eau. Pour le granulat n, introduire dans la jarre : - la charge abrasive constituée de 1250 ± 2 g ; - la prise d’essai (500 g de granulats) avec l’eau de trempage et 400 ml d’eau supplémentaires. Ajuster la vitesse et le chronomètre de l’appareil pour permettre aux jarres de tourner à 100 ± 5 révolutions par minute (voir la note 2) pendant 2 heures pour le gros granulat et pendant 15 minutes ± 10 secondes pour le granulat n. Déposer les jarres sur l’appareil (voir la gure L6.2, page précédente), puis démarrer l’appareil. Une fois le cycle des rotations terminé, recueillir le contenu du cylindre et laver l’intérieur des jarres pour récupérer complètement l’échantillon et retirer la charge abrasive au moyen de l’aimant. Une attention particulière doit être apportée à la récupération des particules qui se seraient coincées entre les billes de la charge abrasive. Pour le gros granulat : - Déverser le contenu ainsi recueilli par petites quantités sur les trois tamis superposés suivants : 5 mm, 2,5 mm et 1,25 mm. - Laver les particules refusées sur les tamis jusqu’à l’obtention d’une eau claire. - Récupérer toutes les particules refusées sur les tamis de 5 mm, 2,5 mm et 1,25 mm, les sécher à masse constante et noter la masse totale. Pour le granulat n : - Laver le matériau sur un tamis de 80 µm jusqu’à l’obtention d’une eau claire et faire sécher jusqu’à masse constante. - Tamiser (en suivant la même procédure que pour l’analyse granulométrique) et déterminer la masse cumulée des particules retenues sur le tamis de 160 µm.
Notes : 1. On peut mesurer le diamètre des billes au moyen d’un tamis ayant des mailles de 9 mm ou au moyen d’un gabarit fait de deux barres parallèles espacées de 9 mm surmontées d’une trémie (voir la gure L6.4, page précédente). Cette vérication doit être faite régulièrement et les billes qui ne sont pas conformes à la dimension spéciée doivent être mises de côté. 2. Pour vérier la vitesse de rotation des jarres, faire une marque de référence sur un côté de la jarre, démarrer l’appareil et chronométrer pendant 2 ou 3 minutes en comptant le nombre de révolutions.
3. Les rouleaux doivent être maintenus libres de poussière ou de toute particule qui pourrait entraver la rotation des jarres, et réduire ainsi le nombre de tours. 4. Si l’on applique les normes CSA, les masses d’échantillon, de prises d’essai et de charge abrasive, le tamis de lavage et de récupération pour le granulat n, le temps et la quantité d’eau de trempage ne sont pas les mêmes. L’expression des résultats doit se faire au dixième près (0,1 %). Se référer à ces normes au besoin.
Calculs et expression des résultats On détermine le degré d’usure en calculant la proportion d’éléments ns (la grosseur des éléments ns diffère selon qu’il s’agit d’un gros granulat ou d’un granulat n) produits au moment de l’essai appelé « pourcentage de perte à l’usure micro-Deval ». Plus le pourcentage de perte est faible, meilleur est le matériau. Il est exprimé à 1 % près et, dans le cas du gros granulat, le grade est précisé avec le résultat. Pourcentage de perte On mesure la proportion d’éléments ns inférieurs à 1,25 mm pour le gros granulat et à 160 µm pour le granulat n après l’essai. Le pourcentage de perte à l’usure micro-Deval est alors égal au rapport en pourcentage de la masse du passant au tamis de 1,25 mm ou de 160 µm à la masse de la prise d’essai. On calcule le pourcentage à partir de la formule suivante. Pourcentage d’usure micro-Deval :
où Mtot : masse totale de l’échantillon soumis à l’essai ; M : masse des particules refusées sur le tamis de 1,25 mm (gros granulat) ou sur le tamis de 160 µm (granulat n). EXEMPLE D’APPLICATION
L6.1
Une pierre concassée soumise à un essai d’usure micro-Deval de grade B a la granulométrie suivante : Mailles du tamis Tamisat (%)
28
20
14
10
5
100
95
67
7
2
Quelle devra être la masse minimale d’un échantillon qui procurera sufsamment de granulats pour composer la prise d’essai ?
219
Détermination du coefcient d’usure par attrition à l’aide de l’appareil micro-Deval
SOLUTION
Comme la prise d’essai doit être composée de : • 250 g de particules traversant le tamis de 20 mm, mais refusées sur le tamis de 14 mm, • 250 g de particules traversant le tamis de 14 mm, mais refusées sur le tamis de 10 mm, il faut d’abord calculer le pourcentage contenu dans le matériau que représente chacune de ces fractions. On a donc, pour la fraction 20-14 mm :
Perte dans l’essai nº 2 donc 8 % Pourcentage moyen donc 9 % Avec un tel résultat, il s’agirait d’un matériau très performant.
95 - 67 = 28 % ; et pour la fraction 14-10 mm : 1 EXEMPLE D’APPLICATION
67 - 7 = 60 %. On établit, par simple règle de trois, en fonction de la plus petite fraction (28 %), la masse totale nécessaire de tout l’échantillon. On obtient donc : 28 % = 250 g
ou 900 g en valeur arrondie. Il faudra donc prévoir un échantillon minimal de 900 g de pierre concassée pour réaliser l’essai. 1 EXEMPLE D’APPLICATION
1
2
Masse sèche initiale (g)
499,2
500,5
Masse sèche du refus sur le tamis de 160 µm (g)
395,9
400,9
SOLUTION
Pourcentage d’usure micro-Deval
L6.2
Calculer le pourcentage d’usure micro-Deval lorsque deux essais consécutifs sur un même granulat ont donné les résultats suivants : Prise d’essai
Calculer le pourcentage d’usure par attrition à l’aide de l’appareil micro-Deval lorsque deux essais consécutifs sur un même sable ont donné les résultats suivants : Prise d’essai
100 % = x
L6.3
1
2
Masse sèche initiale (g)
500,0
500,0
Masse sèche du refus sur le tamis de 1,25 mm (g)
454,8
458,5
Perte dans l’essai nº 1 donc 21 % Perte dans l’essai nº 2 donc 20 %
SOLUTION
L’écart entre les deux valeurs est acceptable.
Pourcentage d’usure micro-Deval
Pourcentage moyen donc 20 % Perte dans l’essai nº 1 donc 9 %
Le sable analysé a une bonne résistance à l’usure par attrition.
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES INTRINSÈQUES
220
LABORATOIRE 7
L ABORATOIRE 7 Détermination du pourcentage de friabilité des granulats ns Méthodes de référence LC 21-080, Détermination du pourcentage de friabilité des granulats ns
La mesure du pourcentage de friabilité des granulats ns permet de déterminer, à l’aide de l’appareil microDeval, la résistance à la fragmentation et aux chocs des granulats ns, en présence d’eau. Contrairement à l’essai micro-Deval, les billes d’acier utilisées sont beaucoup plus grosses que les particules, ce qui leur permet d’induire une action de fragmentation et d’écrasement plutôt qu’une seule action d’usure sur les particules. La mesure du pourcentage de friabilité des granulats ns est réalisée sur des particules dont la dimension est comprise entre 160 µm et 5 mm. Le coefcient de friabilité est déni à partir du pourcentage de particules inférieures à 80 µm produites au cours de l’essai, permettant ainsi d’évaluer la production de particules nes. À partir du résultat obtenu, on peut déterminer la catégorie d’un granulat n et, par conséquent, l’usage qu’on pourra en faire. On peut ainsi évaluer sa résistance à l’action du malaxage et à l’impact de l’équipement de construction et des véhicules lourds sur celui-ci. Plus la valeur du coefcient est faible, meilleure est la résistance du matériau.
Appareillage L’appareillage comprend : • un appareil micro-Deval et une jarre étanche (voir les gures L6.1, p. 216, et L6.2, p. 217) ; • des billes sphériques en acier inoxydable de 9,5 ± 0,5 mm, 19,1 ± 0,5 mm et 31,8 mm ± 0,5 mm de diamètre (voir la gure L7.1) ; FIGURE L7.1 Billes constituant la charge abrasive
• une balance de capacité sufsante pour satisfaire aux exigences relatives à la masse minimale de chaque prise d’essai et permettant une lecture à 0,1 g près ; • une étuve capable de maintenir une température de 110 °C ± 5 °C ; • des tamis de 5 mm, 160 µm et 80 µm.
Préparation de la prise d’essai • En utilisant une méthode appropriée, réduire le matériau dont toutes les particules doivent passer à travers un tamis de 5 mm, jusqu’à une masse d’environ 700 g. • En utilisant la même méthode que pour l’analyse granulométrique, laver et faire sécher l’échantillon jusqu’à masse constante. • En utilisant une méthode de réduction appropriée, préparer un échantillon de 500 g ± 2 g dans la fraction du matériau passant le tamis de 5 mm et retenu sur le tamis de 160 µm.
Mode opératoire • Introduire dans la jarre la charge abrasive (9 billes de 31,8 mm de diamètre, 21 billes de 19,1 mm et des billes de 9,5 mm pour atteindre une masse totale de 2500 g ± 2 g), la prise d’essai et 2,5 litres d’eau. • Mettre la jarre en rotation pendant 15 minutes ± 10 secondes à 100 ± 5 révolutions par minute, après avoir xé le couvercle de façon étanche. • Le cycle de rotation terminé, recueillir le contenu du cylindre et laver l’intérieur de la jarre pour une récupération complète du contenu, et retirer la charge abrasive. Note : La récupération du matériau après l’essai est un point critique de cet essai. Étant très destructif, il conduit à une forte production de nes qui tendent à coller aux parois de la jarre. La récupération complète nécessite beaucoup de savoir-faire. Un aimant peut être utilisé pour récupérer la charge abrasive ; il est très important de s’assurer que toutes les particules coincées entre les billes de la charge abrasive soient récupérées. • Laver le matériau et faire sécher le retenu sur le tamis de 80 µm jusqu’à masse constante. • Tamiser (selon la même procédure que pour l’analyse granulométrique) et déterminer la masse cumulée des particules retenues sur le tamis de 80 µm.
Détermination du pourcentage de friabilité des granulats ns
221
Note : Comme pour l’essai micro-Deval, il faut :
1 EXEMPLE D’APPLICATION
• vérier régulièrement l’état des billes et mettre de côté celles qui ne correspondent pas aux dimensions spéciées ;
On prélève un échantillon de 720 g de sable manufacturé passant un tamis de 5 mm en vue de mesurer sa friabilité. Après lavage et séchage, il est resté 709 g de matériau, que l’on tamise. On recueille la fraction retenue sur un tamis de 160 µm et passant un tamis de 5 mm et on y prélève une prise d’essai de 500,2 g. On introduit cette quantité dans la jarre avec la charge abrasive et l’eau. Après le cycle de rotation, on récupère tout le matériau, qui est ensuite lavé, séché et tamisé. La masse cumulée au tamis de 80 µm, à la n de l’essai, est de 338,5 g. Calculer la friabilité de ce sable manufacturé.
• veiller à la propreté des rouleaux et respecter le nombre de tours.
Calculs et expression des résultats On calcule le coefcient de friabilité à l’aide de la formule suivante :
où
SOLUTION
P : masse de la prise d’essai (g) ;
Coefcient de friabilité
P1 : masse des particules inférieures à 80 µm produites au cours de l’essai (g) ; P2 : masse des particules supérieures à 80 µm (g).
L7.1
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES INTRINSÈQUES
222
LABORATOIRE 8
L ABORATOIRE 8 Détermination de la résistance à l’abrasion au moyen de l’appareil Los Angeles Méthodes de référence Le contenu de cette section a été développé à partir de la norme d’essai suivante : LC 21-400, Détermination de la résistance à l’abrasion au moyen de l’appareil Los Angeles. Cette méthode s’applique au granulat de dimension comprise entre 2,5 mm et 80 mm. Autres normes : • CSA A23.2-16A, Détermination de la résistance à la dégradation du gros granulat de petite dimension par abrasion et impact dans l’appareil Los Angeles Cette méthode s’applique au granulat de dimension comprise entre 2,5 mm et 40 mm. • CSA A23.2-17A, Détermination de la résistance à la dégradation du gros granulat de grande dimension par abrasion et impact dans l’appareil Los Angeles Cette méthode s’applique au gros granulat de plus de 40 mm.
L’essai de la résistance à l’abrasion à l’aide de l’appareil Los Angeles permet de déterminer les résistances combinées à la fragmentation par chocs et à l’usure par frottement réciproque d’un granulat. On provoque la dégradation du matériau en le faisant tourner dans un broyeur à boulets constitués de billes d’acier (charge abrasive) dont le nombre dépend de la granularité du matériau exprimée par le grade. Pendant la rotation du broyeur, les boulets se soulèvent et retombent sur les granulats créant un effet d’impact et d’écrasement, et le frottement des éléments les uns sur les autres, sur les parois du broyeur et sur les boulets crée un effet d’usure par attrition. À la n de l’essai, on tamise le granulat pour calculer le pourcentage de perte par dégradation (ou coefcient Los Angeles). L’essai de la résistance à l’abrasion permet de déceler les granulats susceptibles de se dégrader lors de la manutention, de la mise en œuvre (sous l’action des équipements de construction) et aussi en service, particulièrement lorsque le granulat est utilisé dans la couche de surface d’un revêtement. Les résultats de l’essai permettent d’évaluer la convenance d’une source de granulat et de déterminer la catégorie du granulat. Dans ce dernier cas, les résultats sont associés à ceux de l’essai micro-Deval. Un faible
pourcentage de perte à l’essai Los Angeles indique un matériau de très bonne ou d’excellente qualité.
Appareillage L’appareillage comprend : • un appareil Los Angeles (voir la gure L8.1) conforme aux caractéristiques spéciées dans les normes d’essai ; Note : Les attaches et le couvercle du tambour de l’appareil Los Angeles peuvent présenter un danger si l’opérateur s’approche trop près de cet appareil lorsqu’il fonctionne. De plus, celui-ci est très bruyant. Il est recommandé de le placer dans un cabinet insonorisé et de prévoir un mécanisme qui arrête l’appareil lorsqu’on ouvre la porte du cabinet. • des tamis conformes aux normes applicables ; le tamis désigné dans la norme LC 21-400 pour déterminer le pourcentage de perte par abrasion (voir la gure L8.2) a des mailles carrées de 1,70 mm (1,8 mm pour les normes CSA) et est monté sur un bâti de 200 mm de diamètre ; • une balance, qui doit être précise à 0,1 % de la masse de la prise d’essai pour l’intervalle d’utilisation prescrit par l’essai ; • une charge abrasive (voir la gure L8.2) constituée de boulets d’acier d’environ 47 mm de diamètre et de masse comprise entre 390 et 445 g ; la charge totale des boulets est indiquée dans les normes d’essai et est reprise au tableau L8.1 (voir p. 224). FIGURE L8.1 Appareil Los Angeles pour mesurer la perte par abrasion des gros granulats
Détermination de la résistance à l’abrasion au moyen de l’appareil Los Angeles
FIGURE L8.2 Boulets d’acier et tamis à mailles carrées de 1,70 mm
223
où P (%) : perte en pourcentage ; Mi : masse initiale de la prise d’essai ; Mr : masse nale retenue au tamis de 1,70 mm. Il faut également noter le grade soumis à l’essai, à la suite du résultat obtenu. 1 EXEMPLE D’APPLICATION
L8.1
Une pierre concassée de 20 mm devant servir à la fabrication d’un enrobé bitumineux à usure intense (granulat de catégorie 1a) est soumise à un essai d’abrasion en laboratoire. La granulométrie révèle une très faible quantité de particules traversant le tamis de 10 mm. On décide d’effectuer un essai de grade B, décrit au tableau L8.1 (voir page suivante). La prise d’essai est composée de : • 2491 g de particules traversant le tamis de 20 mm, mais refusées sur le tamis de 14 mm ; • 2508 g de particules traversant le tamis de 14 mm, mais refusées sur le tamis de 10 mm.
Prise d’essai • Laver et sécher l’échantillon jusqu’à masse constante. • Séparer l’échantillon en fractions distinctes et le recombiner, selon le grade spécié dans la norme d’essai, le plus représentatif possible de la granularité du matériau à analyser (voir le tableau L8.1, page suivante). • Noter la masse de l’échantillon à 1 g près.
Mode opératoire • Placer la charge abrasive puis la prise d’essai dans le broyeur de l’appareil. • Soumettre la prise d’essai à la dégradation pour 500 tours (grades A à D) ou 1000 tours (grades E à G), à une vitesse comprise entre 30 tours/min et 33 tours/min. • Enlever le granulat du broyeur après l’essai, le laver sur un tamis de 1,70 mm (voir la norme LC 21-040), le sécher jusqu’à masse constante et peser à 1 g près.
Calculs et expression des résultats La perte à l’abrasion est exprimée en pourcentage de la masse initiale de l’échantillon, à l’unité, à partir de l’équation suivante :
La charge abrasive est constituée de 11 boulets dont la masse totale est égale à 4590 g. Le tamisage après essai révèle une masse de 4400 g de refus sur le tamis de 1,70 mm. On demande de : 1 vérier si la prise d’essai respecte les prescriptions de la norme ; 2 vérier si la charge abrasive respecte les exigences de la norme ; 3 calculer le pourcentage de perte par abrasion ; 4 vérier si ce granulat est acceptable selon la norme NQ 2560-114, Travaux de génie civil Granulats. SOLUTION
Les masses de 2491 g et 2508 g pour les deux fractions et 4999 g au total respectent les prescriptions de la norme puisque : 1 la norme exige 2500 ± 10 g pour chacune des fractions dans un essai de grade B, et une masse totale combinée de 5000 ± 10 g ; 2 la charge abrasive de 4590 g est satisfaisante puisque la norme d’essai commande une charge abrasive de 4584 ± 25 g ;
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES INTRINSÈQUES
224
LABORATOIRE 8
4 Selon la norme NQ 2560-114, la perte par abrasion pour un tel granulat est limitée à 35 %. Cette pierre concassée est donc jugée acceptable.
3
TABLEAU L8.1 Quantités nécessaires par fraction selon le grade Fraction (ouverture des tamis)
Grade (masse, en grammes, pour la fraction indiquée)
Matériau passant retenu (mm) (mm)
A
B
B1
B2
C
C1
40,0
28,0
1250 ± 25
28,0
20,0
1250 ± 25
20,0
14,0
1250 ± 10 2500 ± 10 5000 ± 10
14,0
10,0
1250 ± 10 2500 ± 10
10,0
5,0
10,0
6,3
2500 ± 10
6,3
5,0
2500 ± 10
5,0
2,5
passant retenu (mm) (mm)
D
E
F
G
E
F
G
5000 ± 10 5000 ± 10
5000 ± 10 A
B
B1
B2
C
C1
D
80,0
63,0
2500 ± 50
63,0
56,0
2500 ± 50
56,0
40,0
5000 ± 50 5000 ± 50
40,0
28,0
5000 ± 50 5000 ± 25
28,0
20,0
5000 ± 25
Nombre de tours Masse prise d’essai (g) Nombre de boulets Charge abrasive (g)
500
500
500
500
5000 ± 10 5000 ± 10 5000 ± 10 5000 ± 10 12
11
12
10
5000 ± 25 4584 ± 25 5000 ± 25 4150 ± 25
500
500
1000
1000
1000
5000 ± 10
5000 ± 10
10000 ± 100
10000 ± 75
10000 ± 50
8
6
12
12
12
3330 ± 20
2500 ± 15 5000 ± 25 5000 ± 25 5000 ± 25
Source : Norme d’essai LC 21-400, Détermination de la résistance à l’abrasion au moyen de l’appareil Los Angeles. Note : Les masses de prises d’essai, les charges abrasives ainsi que les grades diffèrent dans les normes CSA. Se référer aux normes au besoin.
Détermination de la résistance au polissage par projection des granulats
225
L ABORATOIRE 9 Détermination de la résistance au polissage par projection des granulats Méthodes de référence
FIGURE L9.1 Pendule britannique
• LC 21-102, Résistance au polissage des granulats : méthode par projection
• Méthode d’essai de l’Association française de normalisation (AFNOR) : NF EN 13036-4, Carac téristiques de surface des routes et aérodromes Méthode d’essai - Partie 4 : méthode d’essai pour mesurer l’adhérence d’une surface : l’essai au pendule - Caractéristiques de surface des routes et aéroports
L’essai de la résistance au polissage des granulats sert à caractériser l’usure de la microrugosité des granulats utilisés pour les chaussées. Cette rugosité provient des petites aspérités appelées « microtextures ». Ces aspérités sont situées à la surface des granulats et nissent par disparaître avec le passage répété des véhicules. L’effacement complet de la microrugosité des granulats rendrait la chaussée lisse et l’adhérence pneu/chaussée très faible, ce qui compromettrait la sécurité des usagers de la route. Par conséquent, plus le granulat utilisé est dur, plus son attrition est lente. Cet essai a donc été conçu pour s’assurer de la performance à long terme des granulats exposés au roulement des véhicules. Dans cet essai, on monte les granulats sur des plaquettes et on les soumet à des cycles répétés de polissage sous un jet d’abrasifs. On mesure la valeur du BPN (british pendulum number) avec un pendule de frottement qui sert à mesurer le coefcient de polissage relatif. On obtient ainsi le coefcient de polissage par projection (CPP) qui permet d’éviter d’utiliser des granulats qui réduiraient la durée de vie des surfaces de roulement.
Appareillage L’appareillage comprend : • un tamis de 10 mm ; • une grille à fentes normalisée de 7,2 mm d’écartement ; • des moules plans pour la confection d’éprouvettes ; • un dispositif vibrant ; • un pendule déni par la norme NF EN 13036-4 (voir la gure L9.1) ;
• un bâti spécial permettant de xer les éprouvettes et de positionner le pendule ; • une machine de polissage munie d’une buse dont l’orice est déni par la norme LC 21-102 ; • un matériau abrasif n (oxyde d’aluminium) ayant un grain de 320 ; • un matériau de référence ayant une valeur BPN moyenne de près de 52,5 après polissage par projection.
Préparation de la prise d’essai • Tamiser la prise d’essai (au moins 30 kg) de gravillons sur le tamis de 10 mm. • Éliminer les éléments plats au moyen de la grille à fentes. • Récupérer et laver au moins 1000 g de granulats cubiques. • Séparer en trois prises d’essai d’environ 250 g chacune. Les sécher. • Préparer les éprouvettes avec une seule couche de gravillons placés le plus près possible les uns des autres par vibration, si nécessaire (voir la gure L9.2, page suivante). Cette opération ne doit pas dépasser 3 ou 4 minutes par éprouvette. • Fixer les gravillons au moyen d’un liant à prise rapide. • Après le démoulage de l’échantillon, marquer d’une èche la bordure longitudinale de chacune des trois éprouvettes.
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES INTRINSÈQUES
226
LABORATOIRE 9
FIGURE L9.2 Fabrication des éprouvettes
Mode opératoire Polissage des éprouvettes • Placer l’échantillon (trois éprouvettes de source différente) et une éprouvette de référence dans l’appareil de polissage par projection (voir la gure L9.3) de façon à ce que le jet de polissage soit dirigé dans le sens des èches. • Alimenter le dispositif de projection et faire 20 cycles de balayage selon la norme LC 21-102 dans un temps d’environ 52 minutes. • Laver et brosser les éprouvettes sous l’eau. Mesure des résultats au pendule de frottement • Immerger les éprouvettes dans une eau maintenue à 20 °C ± 2 °C pendant au moins 30 minutes. • Orienter les éprouvettes dans le sens du patin. • Mesurer les valeurs BPN en fonction de la norme NF EN 13036-4. Effectuer cinq lâchers consécutifs et noter les valeurs BPN des dix lâchers suivants. Arroser l’éprouvette entre chaque lâcher pour qu’elle conserve une surface assez humide. • L’écart entre les valeurs BPN brutes moyennes des éprouvettes de l’échantillon à qualier ainsi que
FIGURE L9.3 Appareil de polissage par projection
l’écart entre les valeurs BPN moyennes des éprouvettes de référence ne doivent pas excéder 2. • Calculer la moyenne des 10 lâchers . • La température du local, du patin et de l’eau utilisée pour l’arrosage de la surface entre chaque lâcher doit être comprise dans l’intervalle 20 °C ± 5 °C.
Calculs et expression des résultats Pour chaque échantillon,
où CPPi : valeur individuelle du coefcient de polissage par projection d’une éprouvette de l’échantillon à qualier (%) ; : BPN brut moyen de l’éprouvette pour les 10 lâchers de l’échantillon à qualier ; : BPN moyen pour les 10 lâchers de l’éprouvette de référence. Le coefcient de polissage par projection est la moyenne arrondie au centième près des valeurs CPPi des éprouvettes de l’échantillon à qualier.
Analyse pétrographique et détermination du nombre pétrographique
227
L ABORATOIRE 10 Analyse pétrographique et détermination du nombre pétrographique Méthodes de référence CSA A23.2-15A, Analyse pétrographique des granulats Cette norme présente les deux modes opératoires suivants. • Méthode A : Analyse pétrographique détaillée L’analyse pétrographique détaillée est destinée aux granulats qui n’ont pas encore été évalués pour des applications techniques et pour lesquels il n’existe pas de registre de tenue en service ou d’essais. On peut également utiliser l’analyse pétrographique détaillée dans les cas où la géologie du matériau produit diffère de celle des matériaux précédents. • Méthode B : Analyse pétrographique rapide L’analyse pétrographique rapide sert au contrôle de la qualité et à l’analyse des granulats de production pour lesquels il existe un registre d’essai ou de tenue en service. L’analyse pétrographique rapide s’applique aussi à l’évaluation de la qualité générale des granulats dans le contexte du contrôle qualitatif routinier d’une source d’approvisionnement spécique.
L’analyse pétrographique permet d’identier les types de roche et de minéraux présents dans les granulats. Cette analyse sert également à évaluer la qualité générale des granulats avant de les utiliser dans les travaux de génie civil tels que les structures de chaussée, les bétons de ciment et les enrobés bitumineux, les remblais, les ballasts ferroviaires, etc. L’analyse pétrographique s’applique aux gros granulats, aux granulats ns ainsi qu’à l’analyse de la roche-mère et des carottes de sondage. Cette analyse, bien que très importante pour les ingénieurs et les techniciens en génie civil, sert surtout aux ingénieurs et aux techniciens géologues. On effectue des analyses pétrographiques pour : • déterminer les caractéristiques physiques et chimiques des granulats qui peuvent inuer sur le comportement du matériau pendant son usage prévu ; • décrire, classer et déterminer les quantités relatives des constituants des granulats ; • comparer des échantillons de granulats de sources nouvelles à d’autres sources pour lesquelles on dispose de données d’essai et de tenue en service ; • déterminer des caractéristiques nuisibles des granulats pour l’usage prévu.
L’analyse pétrographique devrait permettre : • d’établir si les granulats contiennent des substances nuisibles comme des argiles gonantes ou des sulfures instables (pyrite, pyrrhotite) ; • d’identier les constituants susceptibles de présenter une réaction alcalis-granulats ; • d’identier le type et le degré d’altération dans les granulats, car ils peuvent inuencer l’usage prévu du matériau. On peut aussi se servir de l’analyse pétrographique pour déterminer les proportions des différentes formes de particules et la présence possible de contaminants. La détermination du nombre pétrographique, bien que simple en soi, requiert des connaissances en géologie et de l’expérience à partir desquelles on pourra identier les types de roche et les minéraux présents dans les granulats et leur attribuer une catégorie de qualité. À l’exception des granulats ns, on exprime la qualité du matériau par une valeur empirique liée aux caractéristiques physiques et mécaniques du granulat appelée « nombre pétrographique » (NP). On calcule le nombre pétrographique à partir de la qualité pétrographique du granulat dans son ensemble ou à partir des différentes fractions granulométriques et de leur pourcentage relatif dans le matériau. La norme CSA A23.2-15A, Analyse pétrographique des granulats, présente quatre classes de qualité pétrographique soit : bonne, passable, médiocre et nuisible, auxquelles on attribue les multiplicateurs 1, 3, 6 et 10. Ainsi, le nombre pétrographique peut varier de 100 à 1000 pour un matériau donné, et la qualité de ce matériau lui est inversement proportionnelle. Cependant, le nombre pétrographique (NP) seul n’est pas sufsant pour évaluer l’acceptation ou le refus d’un granulat pour un usage donné. Il faut aussi considérer les résultats d’autres essais.
Appareillage Pour déterminer le nombre pétrographique des granulats grossiers, on a besoin de l’équipement et du matériel suivant : • un microscope binoculaire dont le grossissement varie de 8 à 60 fois (voir la gure L10.1, page suivante) ; • un microscope pétrographique polarisant pour l’identication minéralogique des roches par analyse sur lame mince ;
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES INTRINSÈQUES
228
LABORATOIRE 10
FIGURE L10.1 Microscope servant à l’examen pétrographique
d’alizarine et de ferrocyanure de potassium, la dolomie réagit à l’acide et prend une coloration bleue tandis que le calcaire prend une coloration rouge. Ainsi, la coloration obtenue permet de conrmer le type de la roche soumise à l’analyse.
Mode opératoire (Méthode B - Analyse pétrographique rapide des gros granulats) Échantillon L’échantillon se compose des particules retenues sur un tamis de 5 mm. Si l’échantillon contient des fractions de plusieurs grosseurs, chaque fraction qui représente plus de 5 % de retenu granulométrique devrait être examinée. La grosseur minimale de chaque fraction est spéciée dans la norme et peut être établie en nombre de particules ou en masse. Un examen visuel permet d’établir le pourcentage des particules concassées et des particules plates. Il faut aussi noter la présence de matières nuisibles telles que les enduits (argile, sable, etc.), les incrustations qui peuvent diminuer l’adhérence entre la pâte de ciment portland ou le bitume et les granulats, et les matériaux friables (mottes d’argile, matières organiques, etc.) susceptibles d’être éliminés lors du lavage.
• une lentille manuelle (loupe) dont la puissance minimale est de 10× ; • un marteau pour évaluer la ténacité des granulats ; • un couteau à lame d’acier ou à pointes, ou un autre outil approprié pour estimer la résistance à la rayure ; • des tamis à mailles carrées montés sur bâti circulaire de 200 mm de diamètre, selon les fractions à analyser ; • un aimant ; • une balance de capacité sufsante pour les quantités spéciées des prises d’essai et précise au dixième de gramme près ; • des plats pour étaler les granulats en couches minces ; • une solution d’acide chlorhydrique diluée à 10 % ; • une étuve capable de maintenir une température constante de 110 °C ± 5 °C ; • des teintures (voir la note qui suit). Note : La norme CSA A23.2-15A, Analyse pétrographique des granulats, ne fait pas mention de la technique des teintures, mais celle-ci peut être avantageusement utilisée au cours de l’analyse pétrographique. Par exemple, en présence d’un mélange
Analyse • Laver, si nécessaire, les particules pour les débarrasser des enduits d’argile ou des nes particules qui y seraient collées, les sécher ensuite jusqu’à masse constante et les étaler dans un grand plat. • Examiner soigneusement chacune des particules de la prise d’essai pour identier le type de roche ou de minéral et les classier en catégories selon leur nature (ou composition) et selon leurs caractéristiques physiques et mécaniques (voir la gure L10.2). On trouve dans les tableaux L10.1 et L10.2 des caractéristiques à prendre en considération à cette n. • Peser chaque catégorie à 0,1 g près. • Établir le pourcentage de chaque catégorie de particules à 0,1 % près. Note : Généralement, des essais visuels et des essais physiques élémentaires sufsent pour décrire et identier les granulats. L’examen visuel peut être fait à l’œil nu, avec une loupe ou, si nécessaire, au microscope. Parmi les essais pour l’identication et la description géologique des particules, mentionnons, entre autres, l’essai d’effervescence à l’acide chlorhydrique dilué (voir la gure L10.3), l’essai de dureté effectué au moyen d’un couteau à lame d’acier (voir la
Analyse pétrographique et détermination du nombre pétrographique
FIGURE L10.2 Particules triées par catégories
229
TABLEAU L10.2 Caractéristiques mécaniques Caractéristiques
Considérations
Résistance
Faible, moyenne, élevée (lorsque la particule est frappée au moyen d’un marteau, production d’un bruit sec ou sourd, facilité de ssuration, type de fragmentation lorsque la particule est ssurée)
Dureté
1 à 10 sur l’échelle de dureté de Mohs
Source : Tiré de la norme CSA A23.1/A23.2, Béton : Constituants et exécution des travaux - Méthodes d’essai et pratiques normalisées pour le béton.
FIGURE L10.3 Essai à l’acide chlorhydrique dilué Cat. 1 Cat. 2 Cat. 3 Cat. 4 -
gneiss très micacé ; facteur 6 gneiss granitique rubané, noir-rose-blanc ; facteur 1 gneiss granitique légèrement rubané, rosâtre ; facteur 1 gneiss légèrement rubané, vert blanchâtre ; facteur 3
TABLEAU L10.1 Caractéristiques physiques des roches Caractéristiques
Structures
Considérations Porosité, production d’un crépitement ou d’un sifement lorsque l’eau est absorbée, tassement des grains, cimentation des grains, structure cristalline, microfractures
FIGURE L10.4 Essai de dureté au moyen d’une lame de canif
Cristallinité
Aphanitique, porphyrique, pegmatitique, etc.
Grosseur des grains
Fin, moyen, gros
Minéralogie (composition)
Quartz, biotite, calcite, etc.
Couleur
Gris moyen, brun pâle, etc.
Forme des particules
Sphéricité, rondeur
Texture supercielle des particules
Poli ou rugosité, présence ou absence de faces fragmentées
Hétérogénéités importantes
Zones loniennes, remplissage des joints, zones d’altération
Enduits/ incrustations
Calcite, limonite, argile, sable, etc.
Degré d’altération par les éléments ou d’autres facteurs
Finalement, les minéraux ferreux ou métalliques peuvent être facilement décelés au moyen d’un aimant.
Léger, modéré, grave
Type d’altération
Mécanique, chimique, biologique
Il est très important de déterminer avec précision la dureté et la ténacité d’un granulat, puisque ces caractéristiques physiques sont représentatives de leur qualité et, par conséquent, de leur nombre pétro graphique.
Source : Tiré de la norme CSA A23.1/A23.2, Béton : Constituants et exécution des travaux - Méthodes d’essai et pratiques normalisées pour le béton.
gure L10.4) ou au moyen d’autres outils appropriés (voir la gure L10.5, page suivante) et la fracturation à l’aide d’un marteau pour déterminer la résistance à l’impact (ténacité) (voir la gure L10.6, page suivante).
Évaluation Après avoir trié les particules par catégories, on les classe en fonction de leur qualité physique générale dans une des quatre classes pétrographiques : bonne,
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES INTRINSÈQUES
230
LABORATOIRE 10
passable, médiocre et nuisible. Un multiplicateur est associé à chaque classe : • • • •
bonne 1 passable 3 médiocre 6 nuisible 10
La gure L10.6 montre des particules ayant subi l’essai au marteau. On a respectivement attribué aux catégories représentées les facteurs de qualité bonne (1), passable (3) et médiocre (6). On peut voir que la particule de la première catégorie n’a pas été fragmentée, FIGURE L10.5 Ensemble pour évaluer la dureté Mohs
les particules de la deuxième catégorie sont cassées en gros morceaux tandis que dans la troisième catégorie, les grains se sont détachés.
Calcul du nombre pétrographique (NP) Pour faire le calcul du nombre pétrographique, on doit : 1. Multiplier le pourcentage de chaque catégorie par le multiplicateur correspondant ; 2. Faire la somme des résultats. On exprime le NP à l’unité près. Si on effectue l’essai sur plus d’une fraction, on doit calculer un NP moyen pondéré. Pour ce faire, on multiplie le pourcentage de chaque fraction (basé sur la qualité de l’échantillon de gros granulats lorsqu’il a été reçu) par le NP correspondant. On additionne ensuite les produits obtenus et on divise par 100. 1 EXEMPLE D’APPLICATION
L10.1
On doit déterminer le nombre pétrographique d’un échantillon de granulat. L’analyse granulométrique réalisée sur cet échantillon donne les résultats suivants :
FIGURE L10.6 Essai au marteau
Grosseur des particules (mm)
Pourcentage passant (Granularité)
20
100
14
76,8
10
48,3
5
26,2
L’examen visuel de l’échantillon montre des surfaces anguleuses et environ 25 % de particules plates. L’identication indique que ce granulat est composé de six catégories pétrographiques. Comme le montre le tableau L10.3, pour chaque catégorie et pour chaque fraction de la catégorie, on a noté les masses, évalué la dureté selon l’échelle de Mohs attribué un facteur de qualité. On demande : 1 de déterminer le nombre pétrographique de ce granulat ; 2 d’évaluer la qualité globale d’un tel granulat.
Analyse pétrographique et détermination du nombre pétrographique
231
TABLEAU L10.3 Catégories pétrographiques des granulats de l’exemple Masses des fractions (g)
Description pétrographique
Dureté Mohs
Facteur de qualité générale
20-14
14-10
10-5
Gneiss granitique (légèrement rubané), rosâtre
126,0
63,6
28,7
5,0 à 7,0
1
Gneiss granitique (rubané), noir-rose-blanc
355,1
119,6
31,1
5,0 à 7,0
1
Gneiss (grenu), gris verdâtre moyen à foncé, parfois un peu rosé
511,6
246,4
21,5
5,0 à 7,0
3
Gneiss (grenu), vert blanchâtre
464,5
248,7
72,4
5,0 à 7,0
3
Gneiss (grenu grossier)
345,3
80,8
35,7
5,0 à 7,0
6
8,7
16,2
24,0
5,0 à 7,0
10
Gneiss friable et parfois un peu altéré, toutes couleurs
SOLUTION
1 Pour déterminer le nombre pétrographique (dont les résultats sont donnés dans le tableau L10.4, page suivante), on a dû : a) Déterminer le pourcentage de chaque fraction par rapport à la prise d’essai (73,8 % du granulat total), tel que l’indiquent les calculs du tableau suivant. % retenu Fraction (mm)
20-14
Selon la granularité 100 - 76,8 = 23,2
14-10
76,8 - 48,3 = 28,5
10-5
48,3 - 26,2 = 22,1
Total
Après la pondération
73,8
totale de l’échantillon en multipliant le pourcentage pondéré de la prise d’essai obtenu par le pourcentage de la fraction dans l’échantillon (colonne 3). Par exemple, pour la fraction 20-14 du gneiss granitique rubané, noir-rose-blanc, on aura :
d) Établir le pourcentage total de chaque catégorie en faisant la somme des pourcentages de chacune de ses fractions (colonne 4 + colonne 7 + colonne 10). Par exemple, pour le gneiss granitique rubané, noir-rose-blanc, on a : 6,1 + 5,9 + 4,4 = 16,4 % (colonne 11). e) Multiplier ces pourcentages (colonne 11) par le facteur pétrographique pour chacune des catégories de granulats (colonne 13). Par exemple, pour le gneiss granitique rubané, noir-rose-blanc, on a : 16,4 × 1 = 16,4 (colonne 14).
100
b) Exprimer, pour chaque fraction, la masse de chaque catégorie en pourcentage de la masse totale de la fraction de la prise d’essai. Par exemple, pour la fraction 20-14 du gneiss granitique rubané, noir-rose-blanc, on aura :
où 1811,2 g est la masse totale de la fraction (colonne 2). c) Exprimer, pour chaque fraction, la masse de chaque catégorie en pourcentage de la masse
f) Faire la somme des résultats pour trouver le nombre pétrographique (colonne 14). NP = 9,4 + 16,4 + 72,6 + 91,5 + 90,0 + 43,0 = 322,9, donc 323 On exprime le résultat à l’unité près. 2 Évaluation de la qualité globale du granulat : Le nombre pétrographique 323 dépasse les limites suggérées dans la norme d’essai (voir le Complément A2 de la norme CSA A23.2-15A) pour les granulats utilisés comme constituants du béton et comme fondation granulaire. Il n’est cependant pas approprié de rejeter le granulat uniquement en raison de son nombre pétrographique. Il faut effectuer d’autres essais avant de prendre une décision.
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES INTRINSÈQUES
232
LABORATOIRE 10
TABLEAU L10.4 Calcul du nombre pétrographique Fraction (mm)
20-14
14-10
10-5
Total
% selon la granularité
23,2
28,5
22,1
73,8
% pondéré
31,4
38,6
29,9
100,0 Nombre pétrographique
Masses Description pétro graphique
g
% fraction
% éch.
g
% fraction
% éch.
g
% fraction
% éch.
Dureté % de la Mohs fraction Facteur totale
Coefcient
Gneiss granitique (légè rement rubané), rosâtre
126,0
7,0
2,2
63,6
8,2
3,2
28,7
13,4
4,0
9,4
5,0 à 7,0
1
9,4
Gneiss granitique (rubané), noir roseblanc
355,1
19,6
6,1
119,6
15,4
5,9
31,1
14,6
4,4
16,4
5,0 à 7,0
1
16,4
Gneiss (grenu), gris verdâtre moyen à foncé, parfois un peu rosé
511,6
28,2
8,9
246,4
31,8
12,3
21,5
10,1
3,0
24,2
5,0 à 7,0
3
72,6
Gneiss (grenu), vert blanchâtre
464,5
25,6
8,0
248,7
32,1
12,4
72,4
33,9
10,1
30,5
5,0 à 7,0
3
91,5
Gneiss (grenu grossier)
345,3
19,1
6,0
80,8
10,4
4,0
35,7
16,7
5,0
15,0
5,0 à 7,0
6
90,0
8,7
0,5
0,2
16,2
2,1
0,8
24,0
11,2
3,3
4,3
5,0 à 7,0
10
43,0
1811,2
100,0
31,4
775,3
100,0
38,6
213,4
100,0
29,8
100
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Gneiss friable et parfois un peu altéré, toutes les couleurs Total
1
323
12
13
14
Analyse granulométrique – propreté
233
L ABORATOIRES 11 ET 14 1 Analyse granulométrique – propreté Méthodes de référence
FIGURE L11.1 Appareillage utilisé pour effectuer l’analyse granulométrique par tamisage
• LC 21-040, Analyse granulométrique. Cette méthode intègre la procédure de détermination de la granularité d’un granulat n, d’un gros granulat et d’un mélange ainsi que celle du lavage du granulat sur un tamis de 80 µm. Elle s’applique aux granulats naturels, aux résidus d’enrobé et de béton et aux granulats industriels.
• CSA A23.2-2A, Analyse granulométrique du granulat n et du gros granulat
• CSA A23.2-5A, Détermination de la quantité de particules nes passant 80 µm dans un granulat
L’analyse granulométrique est l’un des essais le plus couramment réalisés sur les granulats. Cet essai a pour but de déterminer la distribution des particules (granularité) à l’aide de tamis à mailles carrées. Il requiert beaucoup d’attention, car la granularité inue sur plusieurs propriétés des granulats. De plus, les résultats de l’essai permettent de classier les matériaux, de vérier la concordance granulaire avec les exigences des normes qualitatives et les devis. Ils permettent aussi le contrôle de la production. Le principe de l’essai de l’analyse granulométrique est présenté au chapitre 3.
FIGURE L11.2 Tamiseur mécanique approprié pour les tamis ronds de 200 mm de diamètre
Appareillage L’appareillage (voir la gure L11.1) normalement utilisé pour effectuer l’analyse granulométrique par tamisage comprend : • des tamis à mailles carrées conformes à la norme ISO 3310-1, Tamis de contrôle – Exigences techniques et vérications – Partie 1 : Tamis de contrôle en tissus métalliques ; • des balances dont la précision égale à 0,1 % de la masse de la prise d’essai, soit 0,1 g pour le granulat n et 1 g pour le gros granulat ; • un tamiseur mécanique approprié pour les tamis ronds de 200 mm de diamètre permettant d’imprimer aux tamis un mouvement à la fois latéral et vertical (voir la gure L11.2) ; • un tamiseur mécanique approprié pour les tamis rectangulaires de 375 sur 575 mm permettant
d’imprimer aux tamis des mouvements latéral et vertical combinés (voir la gure L11.3, page suivante). Certains de ces tamiseurs sont pourvus d’attaches spéciales permettant d’utiliser aussi des tamis circulaires. Note : Le tamisage peut aussi être effectué manuellement. Dans ce cas, des tamis à mailles carrées montées sur bâti rond de 300 mm sont préférables pour le gros granulat.
Prises d’essai et échantillons Les prises d’essai et les échantillons doivent être préparés selon les méthodes décrites dans les normes
1. Les laboratoires 11 et 14 sont présentés ensemble. Le lavage faisant partie intégrante de l’essai d’analyse granulométrique, nous avons regroupé l’essai de propreté, provenant de la norme A23.2-5A, et l’essai d’analyse granulométrique an d’en faciliter la compréhension.
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES DE FABRICATION
234
LABORATOIRES 11 ET 14
FIGURE L11.3 Tamiseur mécanique approprié pour les tamis rectangulaires de 375 sur 575 mm
d’essai. Leurs masses sont fonction de la grosseur nominale maximale du granulat. On n’insistera jamais trop sur l’importance de la représentativité des échantillons (global et réduit). Des valeurs minimales de 100 à 500 g pour le granulat n et de 1 à 90 kg pour le gros granulat conviennent généralement pour l’analyse granulométrique par tamisage. Il faut éviter les prises d’essai trop volumineuses pour ne pas surcharger les tamis. Notes : • Les masses minimales sont données pour un matériau sec, il faut donc considérer l’état du granulat lors de la préparation des prises d’essai. • Pour un mélange de gros granulat et de granulat n, les valeurs minimales recommandées peuvent prendre la forme de fractions grossières de très faible masse, donc peu de particules, selon la granularité du matériau soumis à l’analyse. C’est un élément à considérer lors de la constitution de la prise d’essai. Par exemple, pour un matériau de désignation MG 20, une masse minimale de 5 kg est recommandée. Pour s’assurer de la représentativité de la fraction grossière, il serait préférable d’avoir une masse comprise entre 7 kg et 8 kg. Le technicien doit donc évaluer la représentativité de la fraction grossière selon sa connaissance des matériaux.
Points à surveiller pendant la procédure Voici quelques points à surveiller lors de l’essai. Ceux-ci ne remplacent cependant pas les procédures décrites dans les normes d’essai. 1. Respecter les masses minimales requises, car celles-ci permettent d’avoir sufsamment de particules pour assurer la représentativité des résultats de l’essai. 2. Bien vérier l’ordre et la propreté des tamis. 3. Respecter la durée du tamisage, qu’il soit fait manuellement ou mécaniquement. 4. Pour éviter de détériorer les toiles : – lors du lavage sur le tamis de 80 µm, ne pas déposer le matériau directement sur les toiles et utiliser des tamis intermédiaires ; – nettoyer les tamis avec les brosses appropriées. 5. Le passant 80 µm qu’entraîne le lavage n’est pas une perte, cette fraction fait partie de l’échantillon. Au terme du lavage, l’eau doit être claire. Pour s’en assurer, verser la fraction dans un contenant propre et la comparer à de l’eau propre. 6. Lorsqu’on effectue le tamisage de la fraction grossière d’un mélange, il peut y avoir encore du passant 5 mm. Ce passant n’est pas une perte. Cette quantité de passant doit être soustraite de la masse de la fraction grossière et ajoutée à celle de la fraction ne. 7. Pour éviter une perte trop élevée de particules très nes lors du tamisage de la partie grossière au tamiseur mécanique, il est préférable de faire un prétamisage sur le tamis 5 mm et de ne soumettre que le retenu 5 mm à l’essai. Ensuite, on ajoute le passant 5 mm au passant du prétamisage pour être réduit et soumis à l’essai. 8. Vérier qu’il n’y a pas de surcharge sur les tamis après l’opération de tamisage. Granulats ns Pour effectuer un bon tamisage en ne surchargeant pas le tamis, on doit s’assurer que la portion de granulats ns, refusés sur n’importe quel tamis, n’a pas une masse supérieure à 6,15 kg/m2 de surface (7 kg/m 2 pour la norme CSA A23.2-2A). Par exemple, un tamis de 200 mm de diamètre a une surface de 0,0314 m2. Ce tamis doit donc être chargé au maximum de 0,0314 × 6,15 = 0,193 kg = environ 200 g de granulat. Pour contourner un problème de surcharge sur un tamis : 1. Introduire, entre ce tamis et le précédent, un tamis dont les mailles sont plus grandes que celles du tamis surchargé.
Analyse granulométrique – propreté
2. Tamiser la fraction concernée en deux ou plusieurs étapes selon la proportion de la surcharge. Gros granulats Selon l’article 7.1 de la norme de référence, la masse maximale en kg/m2 de surface de tamisage doit être égale à 2,5 fois la maille du tamis en millimètres. On peut calculer de la façon suivante la masse provoquant la surcharge d’un tamis : 1 EXEMPLE D’APPLICATION
L11.1
Un tamis de 375 sur 575 mm avec maille de 5 mm a une surface de
1 EXEMPLE D’APPLICATION
235
L11.2
Un sable naturel ayant une masse sèche égale à 513,3 g a été soumis à une analyse granulométrique par tamisage selon la méthode d’essai LC 21-040 ; les masses refusées sur chacun des tamis sont inscrites dans la colonne « Refus » de la gure L11.4 (voir page suivante). On demande de : 1 vérier si la quantité de matériaux respecte les exigences de la norme pour une telle grosseur de granulats ; 2 calculer les masses de refus cumulés (g) ; 3 calculer les refus cumulés (%) ; 4 calculer les tamisats cumulés (%) ;
il doit être chargé au maximum de 0,216 × 2,5 × 5 = 2,70 kg. Un tamis de 400 mm de diamètre avec maille de 5 mm a une surface de
5 calculer la perte au tamisage ; 6 calculer le module de nesse du sable ; 7 tracer la courbe granulométrique du sable ; 8 décrire la forme de la courbe granulométrique. SOLUTION
il doit être chargé au maximum de 0,126 × 2,5 × 5 = 1,60 kg (valeur arrondie). Notes : • Lorsque l’analyse granulométrique porte sur un matériau de type MG et CG, on remplace le tamis de 28 mm par un tamis de 31,5 mm. • La durée de tamisage des matériaux contenant des résidus d’enrobé et des résidus de béton diffère de celle des granulats naturels. • Une surcharge de tamis indique une prise d’essai trop volumineuse.
Calculs et expression des résultats Les résultats doivent être exprimés selon la précision requise dans la méthode d’essai (voir aussi le chapitre 3). Lorsque le lavage sur le tamis de 80 µm est effectué en vue d’évaluer la propreté du matériau, elle est calculée comme suit :
1 La masse de 513,3 g de sable respecte les exigences du tableau 1 de la norme LC-040 puisque la grosseur nominale maximale d’un sable est de 5 mm et que la masse minimale exigée est de 500 g. 2 On obtient les masses de refus cumulés en additionnant successivement les masses refusées sur chacun des tamis comme suit :
Masse de refus cumulés au tamis de 5 mm 0,3 g Masse de refus cumulés au tamis de 2,5 mm 0,3 + 50,3 = 50,6 g Masse de refus cumulés au tamis de 1,25 mm 0,3 + 50,3 + 83,1 = 133,7 g Masse de refus cumulés au tamis de 630 µm 0,3 + 50,3 + 83,1 + 128,4 = 262,1 g et ainsi de suite pour les autres tamis (voir la gure L11.4, page suivante). 3 On obtient les refus cumulés en pourcentage en divisant la masse des refus cumulés à chaque niveau de tamis par la masse totale de la prise d’essai (voir la gure L11.4, page suivante). 4 On obtient les tamisats cumulés en pourcentage en soustrayant de 100 les pourcentages des refus cumulés à chaque niveau des tamis.
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES DE FABRICATION
236
LABORATOIRES 11 ET 14
5 On obtient la perte au tamisage en divisant la différence entre la masse totale de l’échantillon et les refus cumulés dans le plat par la masse totale de l’échantillon. Le résultat est multiplié par 100 pour l’exprimer en pourcentage. FIGURE L11.4 Analyse granulométrique d’un sable naturel (exemple d’application L11.2)
Analyse granulométrique – propreté
6 On obtient le module de nesse du sable en divisant par 100 la somme des refus cumulés en pourcentage sur les tamis de 5, 2,5, 1,25 mm et de 630, 315, 160 µm, ce qui équivaut, dans notre exemple, à
237
calculés et en reliant chacun des points par un segment de droite ou une courbe ; chacun des points ayant pour abscisse la dimension des mailles du tamis, et pour ordonnée, le pourcentage de tamisats cumulés sur le même tamis. Note : En reportant, par exemple, sur un même graphique le fuseau granulométrique spécié pour l’usage de ce granulat, on peut voir d’un coup d’œil si le matériau est conforme ou non.
7 On trace la courbe granulométrique (voir la gure L11.5) en portant sur un graphique semilogarithmique les résultats précédemment
8 Les coefcients d’uniformité et de courbure montrent que la courbe granulométrique est serrée (Cu entre 2 et 5) et mal graduée (Cc est inférieur à 1).
FIGURE L11.5 Courbe granulométrique (exemple d’application L11.2)
1 EXEMPLE D’APPLICATION
L11.3
Pour effectuer l’analyse granulométrique d’un gravier naturel 0-40 mm, on a utilisé 15 200 g de granulat. Pour faciliter le tamisage, on a séparé (prétamisé) la prise d’essai au niveau du tamis de 5 mm et obtenu les résultats suivants : • masse des gros granulats (refus sur le tamis de 5 mm) = 7448 g ; • masse des granulats ns (tamisat au tamis de 5 mm) = 7752 g. La gure L11.6 (voir p. 239) indique les pourcentages des gros granulats (calculés par rapport à 7748 g) et les résultats.
Quant à la masse des granulats ns, on l’a réduite à 545,0 g par fractionnement1. On a soumis l’échantillon au lavage sur un tamis de 80 µm et, après séchage de la partie récupérée sur ce tamis, il restait une masse de 500,5 g. Les résultats de l’essai granulométrique sont inscrits à la gure L11.6 (voir p. 239). Les demandes sont les suivantes : 1 Vérier si la masse totale de la prise d’essai est satisfaisante. 2 Vérier si la masse de la fraction de granulats ns est satisfaisante.
1. Le tableau 1 de la norme exige un minimum de 500 g de granulat n. Par contre, une masse de 7752 g entraînerait un tamisage laborieux et ne permettrait pas d’obtenir plus de précision dans l’essai ; on réduit donc la masse du passant 5 mm selon la norme de réduction des échantillons an d’obtenir une prise d’essai représentative.
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES DE FABRICATION
238
LABORATOIRES 11 ET 14
3 Calculer la granularité et tracer la courbe granulométrique pour les gros granulats.
où
4 Calculer la granularité, la perte au tamisage et tracer la courbe granulométrique pour les granulats ns.
Pg : pourcentage individuel (tamisat cumulé en %) de la granularité du gros granulat ;
5 Calculer la granularité et tracer la courbe granulométrique du gravier total en appliquant la formule suivante :
Pc = PgA + Pf B. Note : Cette formule est donnée dans la méthode d’essai. Il s’agit du principe appliqué dans l’exemple 3.3 à la page 40. 6 Décrire la forme de la courbe granulométrique. SOLUTION
1 La masse minimale requise pour un granulat de grosseur nominale maximale de 40 mm est de 15 kg. Une masse de 15,2 kg est donc satisfaisante. 2 La masse minimale requise pour un granulat de 5 mm est de 500 g. Une masse de 545,0 g est donc satisfaisante. 3 On a effectué les calculs exactement de la même manière que celle décrite dans l’exemple d’application L11.2 (voir p. 235). Les résultats sont présentés dans la gure L11.6 et la courbe granulométrique du gros granulat est présentée dans la gure L11.7 (voir p. 240). 4 On a effectué les calculs exactement de la même manière que celle décrite dans l’exemple d’application L11.2 (voir p. 235). Les résultats sont présentés dans la gure L11.6 et la courbe granulométrique du granulat n est présentée dans la gure L11.7 (voir p. 240).
La perte au tamisage de la partie ne se calcule comme suit : masse perdue = 500,5 - 499,9 = 0,6 g perte en pourcentage = (0,6/500,5) × 100 = 0,12 % 5 On obtient la granularité du gravier en appliquant la formule
Pc = PgA + Pf B,
Pc : pourcentage combiné passant le tamis ;
Pf : pourcentage individuel (tamisat cumulé en %) de la granularité du granulat n ; A : proportion du gros granulat par rapport au mélange, en pourcentage ; B : proportion du granulat n par rapport au mélange, en pourcentage ; B = (1 - A). Effectuons les calculs pour le tamis de 80 µm : Pg = 0 (puisqu’il n’y a aucun gros granulat passant ce tamis) Pf = 8,9 (pourcentage traversant le tamis de 80 µm)
B = 100 - 49 = 51 (pourcentage des granulats ns)
Effectuons les calculs pour le tamis de 2,5 mm : Pg = 0
Pf = 78
A = 49
B = 51
Effectuons les calculs pour le tamis de 10 mm : Pc = 27 Pf = 100 (tout le granulat traverse ce tamis) A = 49
B = 51
Effectuons les calculs pour le tamis de 40 mm : Pg = 100
Pf = 100
A = 49
B = 51
Analyse granulométrique – propreté
Notes : • On calcule de la même façon les pourcentages pour les tamis intermédiaires. La courbe granulométrique du gravier apparaît dans la gure L11.7 (voir page suivante).
239
• On peut aussi calculer les pourcentages combinés d’un mélange sans préalablement calculer la granularité individuelle du gros granulat. On
FIGURE L11.6 Analyse granulométrique d’un gravier naturel (exemple d’application L11.3)
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES DE FABRICATION
240
LABORATOIRES 11 ET 14
utilise alors, selon le cas, l’une des formules suivantes : Pc = Pgc, pour les tamis de 5 mm et plus ; Pc = B Pf, pour les tamis inférieurs à 5 mm ;
où Pgc = pourcentage combiné, en pourcentage passant, et B = (Pgc au tamis de 5 mm)/l00. 6 Les coefcients d’uniformité et de courbure montrent que la courbe granulométrique est étalée (Cu entre 20 et 200) et mal graduée (Cc inférieur à 1).
FIGURE L11.7 Courbe granulométrique (exemple d’application L11.3)
1 EXEMPLE D’APPLICATION
L11.4
On a prélevé un échantillon de pierre concassée de désignation BC 2,5-10 désignation à la fabrication de béton de ciment portland. Après séchage à l’étuve, l’échantillon pesait 1065,5 g. On a lavé sur le tamis de 80 µm tout le granulat récupéré pour ensuite le sécher jusqu’à une masse constante de 1055,7 g. On demande de calculer le pourcentage de particules plus nes que 80 µm (propreté) contenues dans ce matériau.
SOLUTION
Pourcentage de particules plus petites que 80 µm :
La pierre contient moins de 1 % de particules plus petites que 80 µm ; elle est donc considérée comme propre et conviendrait pour fabriquer du béton, un usage pour lequel l’exigence est de 2,0 % ou moins dans le cas d’une pierre concassée exempte d’argile ou de shale.
Détermination du pourcentage de particules plates et allongées
241
L ABORATOIRE 12 Détermination du pourcentage de particules plates et allongées Méthodes de référence
FIGURE L12.1 Gabarits pour particules plates et pour particules allongées
• LC 21-265, Détermination du pourcentage de particules « plates » et de particules « allongées » • CSA A23.2-13A, Particules plates et allongées dans le gros granulat
L’essai de détermination du pourcentage de particules plates et allongées permet de contrôler la forme des gros granulats qui entrent dans la fabrication des revêtements bitumineux et des bétons de ciment portland. Ce contrôle est important, car les particules plates et allongées inuencent la maniabilité des mélanges dans lesquels elles sont incorporées et elles ne facilitent pas la mise en place de ces mélanges. De plus, ces particules ont tendance à se fracturer plus facilement, modiant ainsi la granularité des matériaux.
FIGURE L12.2 Gabarit d’épaisseur
L’essai s’applique aux particules refusées sur un tamis de 6,3 mm. Les résultats permettent d’établir l’appartenance d’un granulat à une catégorie donnée et de déterminer ainsi l’usage qu’on en fera. On dit qu’une particule est plate lorsque sa plus petite dimension, son épaisseur (E), est moindre que les 3/5 de sa dimension moyenne (G). On peut utiliser un gabarit d’épaisseur (voir les gures L12.1 et L12.2) pour vérier si le rapport E/G est inférieur à 0,6, et des tamis spéciaux ou tout appareil ou instrument (vernier, compas ou réglette) conçu pour mesurer l’épaisseur ou vérier le rapport E/G avec autant de précision que celle exigée pour le calibre d’épaisseur. On dit qu’une particule est allongée lorsque sa plus grande dimension, sa longueur (L), dépasse les 9/5 de la dimension moyenne, sa grosseur (G). Pour mesurer la longueur (L) des particules ou vérier si le rapport L/G est supérieur à 1,8, on peut utiliser un gabarit de longueur (voir les gures L12.1 et L12.3) ou tout appareil ou instrument (vernier, compas ou réglette) conçu pour mesurer la longueur ou vérier le rapport L/G avec autant de précision que celle exigée pour le calibre de longueur. Note : Les instruments énumérés ici ne donnent pas les mêmes résultats que les gabarits d’épaisseur et de longueur. Par exemple, le compas (voir la gure L12.4, page suivante) permet de faire les essais d’élongation et de planéité, donnant les particules plates (ou en plaquette) et allongées (ou en aiguille) ; on l’utilise dans
Source : Norme LC 21-265.
FIGURE L12.3 Gabarit de longueur
Source : Norme LC 21-265.
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES DE FABRICATION
242
LABORATOIRE 12
des cas particuliers (le mode opératoire A de la norme CSA demande de vérier les particules retenues sur un tamis de 5 mm) ou sur demande.
FIGURE L12.4 Compas
En pratique, une particule est à la fois plate et allongée lorsqu’elle répond en même temps aux dénitions d’une particule plate et d’une particule allongée.
Appareillage Dans le mode opératoire présenté ci-après, on utilise des gabarits d’épaisseur et de longueur (voir les gures L12.1, L12.2 et L12.3, page précédente) pour classer des particules plates et des particules allongées. Les dimensions moyennes et les gabarits pour les différentes fractions sont donnés dans le tableau L12.1 ainsi que dans les gures L12.2 et L12.3. Noter que les gabarits doivent être étalonnés régulièrement pour vérier leur conformité aux dimensions indiquées. De plus, il faut : • une balance précise au gramme près et de capacité sufsante pour les quantités spéciées des prises d’essai ; • des tamis pour séparer les fractions.
Mode opératoire Il faut d’abord déterminer la granularité du granulat à étudier an d’en identier chacune des fractions. La masse de l’échantillon devrait être conforme aux données prescrites dans la norme d’essai de détermination de la granularité par tamisage. Sinon, elle doit permettre d’avoir une quantité sufsante de prise d’essai,
pour respecter les prescriptions suivantes relatives aux quantités requises de chacune des fractions : • sur chaque fraction représentant 15 % et plus de l’échantillon, prélever un minimum de 200 particules à partir de la méthode de réduction par échantillonneur mécanique ; • sur les fractions représentant 5 à 15 % de l’échantillon, prélever de la même manière un minimum de 100 particules ; • ne pas considérer les fractions représentant moins de 5 % de l’échantillon. Note : Ne pas compter les particules. Une façon pratique de s’assurer d’avoir le nombre minimal de particules (sans compter la fraction) consiste à peser et compter le nombre de particules après la première séparation, puis à calculer, à partir de cette donnée, le nombre de subdivisions pour arriver à une masse de fraction satisfaisante.
TABLEAU L12.1 Dimensions moyennes et gabarits Fractions
Dimension (mm)
Matériau passant le tamis (mm)
Matériau retenu sur le tamis (mm)
Dimension moyenne – grosseur (G)
Gabarit – épaisseur (E) (0,6 × G)
Gabarit – longueur (L) (1,8 × G)
63,0
50,0
56,50
33,9 ± 0,3
---
50,0
37,5
43,75
26,3 ± 0,3
78,8 ± 0,3
37,5
28,0
32,75
19,7 ± 0,3
59,0 ± 0,3
28,0
20,0
24,00
14,4 ± 0,15
43,2 ± 0,3
20,0
14,0
17,00
10,2 ± 0,15
30,6 ± 0,3
14,0
10,0
12,00
7,2 ± 0,1
21,6 ± 0,2
10,0
6,3
8,15
4,9 ± 0,1
14,7 ± 0,2
Source : Norme LC 21-265.
Détermination du pourcentage de particules plates et allongées
Classication des particules
243
FIGURE L12.6 Mesure des particules allongées
Particules plates Pour chaque fraction : • classer comme plates les particules qui traversent la fente de la jauge d’épaisseur correspondant au calibre du granulat (voir la gure L12.5) ; • déterminer, à 0,1 % près de la masse de la prise d’essai, la masse des particules classées comme plates et l’exprimer en pourcentage de la masse de la prise d’essai. Particules allongées Lorsque le pourcentage de particules allongées est requis, on peut utiliser la même prise d’essai pour : • classer comme allongées les particules qui sont plus longues que la mesure étalon (distance entre deux tiges) correspondant au calibre du granulat (voir la gure L12.6) ; • déterminer, à 0,1 % près de la masse de la prise d’essai, la masse des particules classées comme allongées et l’exprimer en pourcentage de la masse de la prise d’essai. Note : Il faut vérier chaque particule dans toutes les directions et on ne doit pas forcer le passage.
Particules plates et allongées Lorsqu’on doit indiquer le pourcentage des particules à la fois plates et allongées : • classer dans cette catégorie les particules qui correspondent aux deux critères énoncés ci-dessus ; • déterminer, à 0,1 % près de la masse de la prise d’essai, la masse des particules classées comme plates et allongées et l’exprimer en pourcentage de la masse de la prise d’essai.
Facteur de correction Si on n’utilise pas la masse totale d’une fraction granulométrique, le facteur de correction ( f ) permettra de déterminer la masse totale des particules (plates, allongées, plates et allongées) de l’échantillon total.
FIGURE L12.5 Vérication des particules plates
où Mti : masse totale initiale de la fraction (g) ; Mp : masse de la prise d’essai de la fraction (g). Il peut arriver que la masse de la fraction ne soit pas sufsante pour obtenir le nombre minimal de particules exigé. On doit alors ajouter des particules à la fraction. La masse de la prise d’essai sera donc supérieure à la masse totale initiale de la fraction et le facteur de correction sera inférieur à 1.
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES DE FABRICATION
244
LABORATOIRE 12
1 EXEMPLE D’APPLICATION
L12.1
Une pierre concassée devant être utilisée dans un mélange de béton a été soumise à un essai de laboratoire dans lequel on demande : 1 le pourcentage de particules plates pour le granulat total ; 2 le pourcentage de particules allongées pour le granulat total ; 3 le pourcentage de particules plates et allongées pour le granulat total.
Note : Puisque la fraction 28-20 mm de ce granulat ne représente pas 5 % de l’échantillon, elle est écartée des calculs. SOLUTION
Le tableau L12.2 contient les données et les calculs effectués. Pour en faciliter la compréhension, procédons par ordre numérique des colonnes. La colonne 1 indique la masse de chacune des fractions granulométriques. On trouve au bas de la colonne la masse totale de l’échantillon utilisé. La colonne 2 indique les pourcentages pour chaque fraction par rapport à 4921 g et, au bas de la colonne, la masse totale de l’échantillon. Le total des pourcentages doit égaler 100 en tout temps. La colonne 3 indique les dimensions de la jauge d’épaisseur telles qu’elles sont indiquées au tableau L12.1 (voir p. 242) tiré de la norme d’essai. La colonne 4 indique la masse de chaque fraction de la prise d’essai obtenue au séparateur mécanique. Cette masse permet d’avoir un minimum de 200 particules dans chacune des fractions. La colonne 5 indique le facteur de correction obtenu en divisant les valeurs de la colonne 1 par les valeurs de la colonne 4. La colonne 6 indique la masse des particules plates contenues dans chacune des fractions de la prise d’essai données à la colonne 4.
La colonne 7 indique les dimensions de la jauge de longueur, telles qu’elles sont indiquées dans le tableau L12.1 (voir p. 242) tiré de la norme. La colonne 8 indique la masse des particules allongées prélevées dans chacune des fractions de la prise d’essai données à la colonne 4. La colonne 9 indique la masse des particules à la fois plates et allongées contenues dans chacune des fractions de la prise d’essai données à la colonne 4. Les colonnes 10, 11 et 12 indiquent, à la dernière ligne, les masses totales des particules (plates, allongées, plates et allongées) comme si on avait utilisé l’échantillon total de la colonne 1 au lieu de la prise d’essai de la colonne 4. Ces valeurs sont obtenues en multipliant successivement le facteur de correction de la colonne 5 par les masses inscrites aux colonnes 6, 8 et 9. Les colonnes 13, 14 et 15 indiquent les pourcentages de particules plates, allongées, plates et allongées à la fois. Ces valeurs sont obtenues en faisant le rapport entre les masses totales au bas des colonnes 10, 11 et 12 et la masse totale de l’échantillon sans tenir compte de la fraction 28-20 (4720 g) au bas de la colonne 1.
1 EXEMPLE D’APPLICATION
L12.2
Une pierre concassée de classe granulaire 5/14 devant être utilisée pour confectionner un enrobé bitumineux est soumise à un essai de laboratoire. On demande de déterminer le pourcentage de particules plates, allongées, plates et allongées à la fois. (Les données et la solution sont présentées dans le tableau L12.2). SOLUTION
On effectue les mêmes calculs que dans l’exemple d’application L12.1. Toutefois, puisqu’il a fallu rajouter des particules à la fraction 20-14 mm pour avoir le minimum de particules, le facteur de correction pour la fraction est inférieur à 1.
Masse de la fraction (g)
1
Fractions des échantillons (%)
2
25
100
1859
1607
1254
4921 4720*
20–14
14–10
10–6,3
10,2 ± 0,15
40
100
358
1483
1252
3093
20–14
14–10
10–6,3
207
502
577
380
595
952
Masse de la prise d’essai (g)
4
6,0
3,0
0,6
3,3
2,7
2,0
Facteur de correction (f)
5
46
75
135
108
136
176
Masse des particules plates (g)
6
7
14,7 ± 0,2
21,6 ± 0,2
30,6 ± 0,3
43,2 ± 0,3
59,0 ± 0,3
78,8 ± 0,3
14,7 ± 0,2
21,6 ± 0,2
30,6 ± 0,3
43,2 ± 0,3
59,0 ± 0,3
78,8 ± 0,3
Calibre longueur (1,8 × G) =L
* La fraction non analysée n’est pas incluse dans le calcul des particules plates et allongées.
4,9 ± 0,1
7,2 ± 0,1
14,4 ± 0,15
28–20
48
19,7 ± 0,3
37,5–28
12
26,3 ± 0,3
4,9 ± 0,1
7,2 ± 0,1
50–37,5
Exemple d'application L12.2
33
10,2 ± 0,15
14,4 ± 0,15
201
28–20
38
19,7 ± 0,3
37,5–28
4
26,3 ± 0,3
Calibre épaisseur (0,6 × G) =E
3
50–37,5
Exemple d'application L12.1
Refus tamis
Fractions
TABLEAU L12.2 Pourcentage de particules plates et allongées
87
65
30
104
235
267
Masse des particules allongées (g)
8
10
23
0
15
37
63
Masse des particules plates et allongées (g)
9
582
276
225
81
1075
356
367
352
Masse totale des particules plates (g)
10
735
522
195
18
1512
343
635
534
Masse totale des particules allongées (g)
11
129
60
69
0
276
50
100
126
Masse totale des particules plates et allongées (g)
12
18,8
22,8
1
Particules plates (%)
13
23,8
32,0
2
Particules allongées (%)
14
4,2
5,8
3
Particules plates et allongées (%)
15
Détermination du pourcentage de particules plates et allongées
245
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES DE FABRICATION
246
LABORATOIRE 13
L ABORATOIRE 13 Détermination du pourcentage de particules fracturées d’un gros granulat Méthode de référence LC 21-100, Détermination du pourcentage de particules fracturées du gros granulat
Cet essai permet de déterminer le pourcentage de particules fracturées dans un gros granulat. Une particule est considérée comme fracturée si elle a au moins deux faces fracturées ou si elle a une seule face fracturée et que celle-ci représente au moins 25 % de la section maximale transversale du granulat. L’essai du pourcentage de particules fracturées s’applique seulement au gravier concassé puisque dans le cas d’une pierre concassée, à moins qu’il y ait eu contamination, toutes les particules sont fracturées. Les particules fracturées présentent des faces rugueuses, anguleuses et des arêtes vives ; ce qui favorise leur imbrication et le frottement entre elles, améliorant ainsi la capacité de support du matériau et la résistance à l’orniérage dans le cas des enrobés. De plus, la texture rugueuse favorise l’adhérence liants-granulats lorsqu’ils sont enrobés. Le pourcentage de particules fracturées correspond au rapport entre la masse de particules considérées comme fracturées et la masse de la prise d’essai analysée. Les spécications du ministère des Transports du Québec contiennent des exigences relatives au pourcentage de particules fracturées pour le gros granulat utilisé dans les fondations et comme constituant des enrobés bitumineux. Les résultats de l’essai permettent d’évaluer la convenance des gros granulats utilisés à ces ns.
Appareillage L’appareillage nécessaire pour réaliser l’essai est très simple. Il comprend : • une balance précise à 0,1 g près ; • une étuve ; • des tamis (6,3 mm et supérieur selon les dimensions de l’échantillon). Préparation de la prise d’essai • Sécher l’échantillon et séparer, par tamisage, le gros granulat du granulat n. • Séparer le gros granulat sur un tamis de 6,3 mm ou sur d’autres tamis selon les fractions analysées.
Note : L’essai est donc effectué sur le retenu au tamis de 6,3 mm. • Réduire chaque fraction pour obtenir la masse requise de la prise d’essai selon la dimension maximale du granulat. Note : Se référer à la norme de référence pour les masses minimales de prise d’essai.
Mode opératoire • Laver la prise d’essai, la faire sécher jusqu’à masse constante et la peser à 0,1 g près. • Étendre la prise d’essai séchée sur une grande surface et procéder à l’examen visuel des faces de chaque particule. • Séparer manuellement les particules en trois catégories : – particules fracturées (voir la dénition présentée dans l’introduction) ; – particules non fracturées ou ne répondant pas aux dénitions de particules fracturées ; – particules marginales. Note : Les particules marginales sont celles dont on ne peut afrmer qu’elles sont fracturées soit parce que la fracture n’est pas nette, soit, par exemple, que les arêtes sont arrondies et qu’on ne peut pas évaluer s’il s’agit préalablement d’une particule fracturée qui aurait subi de l’usure au moment du transport, dans le banc, ou dans d’autres situations. L’exactitude du choix dépend grandement de l’expérience du technicien qui réalise l’essai. Lors du calcul du pourcentage de particules fracturées, on tient compte des biais possibles en répartissant les particules qui sont jugées marginales en parts égales entre les particules fracturées et les particules non fracturées. Les particules marginales ne doivent pas représenter plus de 15 % du total. Si c’est le cas, trier manuellement les particules marginales jusqu’à l’obtention d’un pourcentage inférieur à 15 %. • Déterminer la masse des particules de chaque catégorie.
Calculs et expression des résultats Pour chaque fraction, on obtient le pourcentage de particules fracturées à l’aide de la formule ci-après. Le résultat est exprimé à 1 % près.
Détermination du pourcentage de particules fracturées d’un gros granulat
247
ci-dessous réalisé sur un gros granulat de grosseur maximale de 20 mm. où P : pourcentage de particules fracturées ; F : masse de particules fracturées ; Q : masse de particules marginales ; N : masse des particules non fracturées ou ne répondant pas à la dénition de particules fracturées. Si l’essai est réalisé sur des fractions distinctes, calculer le pourcentage pondéré de particules fracturées. 1 EXEMPLE D’APPLICATION
• • • • • •
Masse de la prise d’essai (> 6,3 mm) (M1) : 3525,0 g Passant 10 mm (M2) : 528,8 g Prise d’essai du passant 10 mm (M’2) : 251,2 g Masse des particules fracturées (F2) : 72,7 g Masse des particules marginales (Q2) : 21,3 g Masse des particules non fracturées ou ne répondant pas au critère (N2) : 157,2 g SOLUTION
Pourcentage de particules fracturées du passant 10 mm (P2) :
L13.1
Dimension maximale inférieure à 20 mm On veut déterminer le pourcentage de particules fracturées d’un gravier concassé dont la grosseur maximale est de 14 mm. La prise d’essai est constituée d’une masse de 548,5 g de particules retenues sur un tamis de 6,3 mm. Résultats de l’essai : • Masse des particules fracturées (F) : 364,0 g • Masse des particules marginales (Q) : 51,4 g • Masse des particules non fracturées ou ne répondant pas au critère (N) : 133,1 g On demande de calculer le pourcentage de particules fracturées (P).
Retenu 10 mm (M3) : 2996,2 g Masse des particules fracturées (F3) : 1997,5 g Masse des particules marginales (Q3) : 245,3 g Masse des particules non fracturées ou ne répondant pas au critère (N3) : 753,4 g Pourcentage de particules fracturées du retenu 10 mm (P3) :
SOLUTION
= 70,8 % Calcul du pourcentage pondéré selon le poids de chaque fraction Pourcentage de particules fracturées (P) : 1 EXEMPLE D’APPLICATION
L13.2
Dimension maximale supérieure ou égale à 20 mm (essai réalisé sur des fractions distinctes) On demande de calculer le pourcentage de particules fracturées à partir des résultats de l’essai
= 65 %
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES COMPLÉMENTAIRES
248
LABORATOIRE 15
L ABORATOIRE 15 1 Détermination du pourcentage de mottes d’argile dans les granulats naturels Méthode de référence CSA A23.2-3A, Mottes d’argile dans les granulats naturels
L’essai de la teneur en mottes d’argile est très utile pour déceler la présence de mottes argileuses qu’on trouve très souvent dans les graviers naturels. Une fois séchées, ces mottes d’argile ont l’apparence de véritables cailloux, mais elles n’offrent pas beaucoup de résistance lorsqu’elles entrent dans la fabrication des enrobés bitumineux et des bétons de ciment portland. Il est possible de séparer les mottes d’argile et les particules friables par lavage actif. Une fois tamisées, on pourra éliminer ces mottes et ces particules friables de la prise d’essai de départ an de les comptabiliser. Toutes les particules qui peuvent se fractionner en particules nes, en les écrasant avec les doigts et en les éliminant par tamisage humide, doivent être considérées comme étant des mottes d’argile ou des particules friables. La friabilité est la caractéristique de toute particule qu’on peut réduire aisément en poussière. Il est donc très important de ne pas utiliser les ongles et de ne pas utiliser une force excessive pour effectuer cette tâche.
Appareillage L’appareillage comprend : • des tamis normalisés de 40, 20, 10, 5, 2,5, 1,25 mm et 630 µm ; • une étuve pouvant maintenir une température de 110 °C ± 5 °C ; • une source d’eau courante ; • un ensemble de contenants métalliques résistant à la rouille et permettant d’étaler l’échantillon en couche mince ; • une balance d’une sensibilité de 0,1 % de la masse de l’échantillon.
Masse minimale de l’échantillon Pour préparer la prise d’essai, il faut d’abord établir la masse de l’échantillon qui permet d’obtenir, pour chaque fraction, les quantités minimales dénies par la norme. 1. Le laboratoire 14 est présenté avec le laboratoire 11 (voir p. 233).
On doit séparer les échantillons de granulats grossiers au moyen des tamis de 5, 10, 20 et 40 mm, et la masse minimale des échantillons de chaque dimension doit être de 1, 2, 3 et 5 kg, respectivement. Par exemple, la masse d’un échantillon dont la grosseur des particules se situe entre 5 mm et 10 mm est d’au moins 1 kg. Les granulats ns, séparés sur le tamis de 1,25 mm, doivent avoir une masse minimale de 100 g. Pour ce qui est des mélanges de graviers contenant des matériaux ns et grossiers, le granulat doit être séparé sur le tamis de 5 mm et préparé comme un matériau grossier et un matériau n. Pour calculer la masse minimale totale de l’échantillon, on examine la granularité du matériau à l’étude, puis on détermine à quelle fraction ou grosseur des particules correspond le plus petit pourcentage granulométrique sachant qu’on n’utilisera pas les fractions représentant moins de 5 % de la masse de l’échantillon. On détermine la masse totale de l’échantillon pour réaliser l’essai en divisant la masse exigée par la norme pour la plus petite fraction trouvée dans la granularité (en excluant les fractions inférieures à 5 % de la masse de l’échantillon) par le pourcentage de cette même fraction (voir l’exemple d’application L15.1, p. 250).
Préparation de la prise d’essai • Il est très important, tout au long des préparations, de ne pas briser les mottes d’argile an d’éviter toute erreur. • Sécher l’échantillon à masse constante et le séparer en fractions (voir la gure L15.1). • Vérier si la masse de chaque fraction séchée respecte les exigences de la norme. FIGURE L15.1 Fractions de la prise d’essai lavées et séchées
Détermination du pourcentage de mottes d’argile dans les granulats naturels
• Si nécessaire, déposer chaque fraction sur un tamis à petites ouvertures et les laver délicatement sous un robinet de manière à déloger les nes particules qui restent collées aux grosses, car elles risquent d’être considérées comme des particules friables ou argileuses.
249
FIGURE L15.3 Chaque fraction est déposée et lavée sur le tamis approprié
Mode opératoire • Sécher la prise d’essai à masse constante et déterminer la masse M de chaque fraction. • Étaler chaque fraction en couche mince dans un grand plat, couvrir d’eau distillée et laisser tremper pendant 24 heures ± 4 heures. • Rouler et presser chaque particule entre le pouce et l’index sans utiliser les ongles pour briser les particules (voir la gure L15.2). • Après avoir broyé tout ce qui semblait être des mottes d’argile (ou des particules friables), on soumet chaque fraction à un tamisage humide an d’enlever les résidus en utilisant le tamis approprié (tamis de 630 µm pour le refus au tamis de 1,25 mm ; tamis de 2,5 mm pour le refus au tamis de 5 mm et tamis de 5 mm pour les autres fractions) (voir la gure L15.3). • Enlever les particules sur le tamis et faire sécher. • Peser à nouveau pour déterminer la masse R.
Calculs et expression des résultats Pour chacune des fractions, il faut déterminer le pourcentage P de mottes d’argile, en utilisant la formule suivante : FIGURE L15.2 Chaque particule est pressée entre le pouce et l’index
où L : pourcentage de mottes d’argile (à 0,1 % près) ; M : masse de la fraction (séchée), avant l’enlèvement des mottes d’argile (g) ; R : masse de la fraction (séchée), après l’enlèvement des mottes d’argile (g). Pourcentage pondéré pour chaque fraction On obtient le pourcentage pondéré pour chaque fraction en multipliant la valeur L pour chaque fraction par le pourcentage granulométrique de la même fraction. Calcul des fractions inférieures à 5 % Lorsqu’une fraction granulométrique est inférieure à 5 % de la masse de l’échantillon soumis, on ne traitera pas une telle fraction. Pour effectuer la moyenne pondérée, on lui attribuera une valeur égale au pourcentage trouvé pour la fraction immédiatement supérieure ou inférieure, selon le cas. Pourcentage total des mottes d’argile On obtient le pourcentage total de mottes d’argile dans les gros granulats en faisant la somme des pourcentages pondérés. Pour les granulats ns, le pourcentage de mottes d’argile est basé sur la fraction de matériau retenue sur un tamis de 1,25 mm.
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES COMPLÉMENTAIRES
250
LABORATOIRE 15
1 EXEMPLE D’APPLICATION
TABLEAU L15.4 Résultats obtenus pour le sable naturel
L15.1
On doit utiliser un gravier concassé et un sable naturel pour fabriquer un mélange de béton de ciment. On les soumet à un essai pour déterminer leur teneur en mottes d’argile. Les tableaux L15.1 et L15.2 donnent la granularité des matériaux.
1
2
3
4
5
6
7
Fraction Pourcen- PourcenMasse Masse granulotages par tages (M) (R) métrique fraction L pondérés Tami(g) (g) Refus (%) (%) (%) sat Fractions
10
5
14
1034
1029
0,5
0,1
5
1,25
44
158
155
1,9
0,8
TABLEAU L15.1 Gravier concassé Total : 0,9 %
mm Ouverture des tamis
28
20
14
10
5
Tamisat cumulé (%)
100
96
63
34
3
TABLEAU L15.2 Sable naturel mm
µm
Ouverture des tamis
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
Tamisat cumulé (%)
100
86
67
42
23
13
7
1,0
On demande : 1 Quelle est la masse minimale totale de l’échantillon à utiliser pour chacun des granulats ? 2 Quelle est la teneur en mottes d’argile des deux granulats en se basant sur les résultats obtenus indiqués dans les tableaux L15.3 et L15.4 ? 3 Ces matériaux respectent-ils les exigences de la norme CSA A23.1 ? TABLEAU L15.3 Résultats obtenus pour le gravier concassé 1
2
3
4
5
6
7
Fraction Pourcen- PourcenMasse Masse granulotages par tages (M) (R) métrique fraction L pondérés Tami(g) (g) Refus (%) (%) (%) sat Fractions
40
20
4
0
0
0,1*
0,0
20
10
62
2100
2097
0,1
0,1
10
5
31
1077
1072
0,5
0,2 Total : 0,3 %
* Comme la fraction granulométrique est inférieure à 5 % de la masse de l’échantillon, on obtient ce pourcentage en considérant que la valeur est la même que celle de la fraction inférieure.
SOLUTION
1 En considérant la granularité du gros granulat soumis, on s’aperçoit que la plus petite fraction supérieure à 5 % de la masse de l’échantillon représente 31 % de la masse de l’échantillon et correspond à la fraction du matériau qui traverse le tamis de 10 mm, mais qui est refusée au tamis de 5 mm (voir la colonne 3 du tableau L15.3).
Les exigences de la norme CSA A23.2-3A indiquent qu’il faut un minimum de 1000 g de matériau pour une telle fraction. Il suft de procéder par simple règle de trois pour obtenir la masse totale du granulat, soit :
Toutefois, il vaut mieux augmenter quelque peu cette quantité pour pallier les divergences granulométriques ou l’humidité des granulats an d’être assuré d’avoir sufsamment de granulat sec. Une quantité de 3,5 kg pourrait être utilisée. La masse M pour chaque fraction traitée est indiquée à la colonne 4 du tableau L15.3. On remarque toutefois que, pour la fraction traversant le tamis de 40 mm et refusée sur le tamis de 20 mm, aucune quantité n’est retenue puisque la fraction est inférieure à 5 % de la masse de l’échantillon. La masse R pour chaque fraction traitée est inscrite à la colonne 5 du tableau L15.3. Pour le granulat n, la plus petite fraction supérieure à 5 % du matériau soumis représente 14 % de la masse du matériau et correspond à la fraction traversant le tamis de 10 mm, mais refusée au tamis de 5 mm. Les exigences de la norme CSA A23.2-3A indiquent qu’il faut un minimum de 1000 g de matériau pour
Détermination du pourcentage de mottes d’argile dans les granulats naturels
une telle fraction. Il suft de procéder par simple règle de trois pour obtenir la masse totale du granulat, soit :
Toutefois, il vaut mieux augmenter quelque peu cette quantité pour pallier les divergences granulométriques ou l’humidité des granulats an d’être assuré d’avoir sufsamment de granulat sec. On pourrait utiliser une quantité de 7,5 kg. 2 Le pourcentage de mottes d’argile est inscrit à la colonne 6 du tableau L15.3 et on l’obtient en utilisant la formule suivante :
On obtient les valeurs pondérées écrites à la colonne 7 du tableau L15.3 en multipliant les pourcentages (en valeur décimale) de la colonne 6
251
par les pourcentages granulométriques de la colonne 3. Exemple : 0,1 % × 62 % = 0,062 % ou 0,1 % valeur arrondie (résultats de la deuxième ligne). Le pourcentage total des mottes d’argile pour le gros granulat (voir le tableau L15.3) est égal à la somme des pourcentages pondérés, soit : 0,0 + 0,1 + 0,2 = 0,3 %. Le pourcentage total des mottes d’argile pour le granulat n (voir le tableau L15.4) est égal à la somme des pourcentages pondérés, soit : 0,1 + 0,8 = 0,9 %. 3 La norme CSA A23.1 limite à 0,3 % la teneur en mottes d’argile et en particules friables pour les gros granulats dans le cas des bétons soumis au gel-dégel (cette limite est de 0,5 % pour les autres expositions) ; et limite à 1,0 % la teneur en mottes d’argile et en particules friables pour les granulats ns (voir les tableaux 7.9, p. 121, et 7.10, p. 123).
Les matériaux sont donc acceptables pour fabriquer un mélange de béton de ciment.
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES COMPLÉMENTAIRES
252
LABORATOIRE 16
L ABORATOIRE 16 Détermination de la quantité de particules légères dans les granulats Méthode de référence CSA A23.2-4A, Matériau granulaire léger dans un granulat
On a recours à l’essai de détermination de la teneur en particules légères dans les granulats pour déceler la présence de particules d’origine organique ou la présence de minéraux altérés ayant une faible densité dans des granulats naturels utilisés pour la fabrication du béton de ciment portland. L’essai est effectué par immersion des granulats dans un liquide dense et au moyen du procédé de séparation par ottation gravimétrique des particules plus légères.
Appareillage L’appareillage normalement utilisé (voir la gure L16.1) pour déterminer la teneur en particules légères comprend : • une balance permettant une pesée précise à 0,1 g pour les granulats ns et à 1 g pour les gros granulats ; • une étuve pouvant maintenir une température de 110 °C ± 5 °C ; • une quantité sufsante de liquide lourd (chlorure de zinc dans le cas présent) dosée de façon à obtenir une densité de 2,00 ± 0,01 ; • des récipients appropriés pour le séchage de l’échantillon et la ottaison des particules dans le liquide lourd ; • des tamis de 315 µm et de 5 mm ; • un densimètre. FIGURE L16.1 Appareillage pour déterminer la teneur en particules légères
Préparation de la prise d’essai • La masse de la prise d’essai doit être conforme à la norme CSA A23.2-4A et doit être séchée à l’étuve jusqu’à masse constante. • On doit laisser refroidir la prise d’essai séchée à la température de la pièce avant l’essai.
Mesure de la densité du liquide de référence La gure L16.2 montre comment vérier la densité du liquide lourd. Le volume de ce liquide doit être égal à au moins trois fois le volume absolu du granulat, il faudra donc préparer une quantité sufsante de liquide lourd en fonction du volume de la prise d’essai.
Mode opératoire Granulats ns • Tamiser l’échantillon sur un tamis de 315 µm jusqu’à ce que moins de 1 % du matériau traverse le tamis après tamisage continu de 1 minute. Peser le matériau retenu sur le tamis au 0,1 g près. • Amener le matériau retenu sur le tamis de 315 µm à l’état saturé superciellement sec. Si l’absorption du granulat est connue, ajouter la quantité d’eau nécessaire au granulat n, mélanger à fond puis laisser reposer 30 minutes dans un récipient couvert avant de commencer l’essai. • Placer les particules dans le liquide lourd. • Verser les particules ottant sur le liquide lourd dans un second récipient à travers le tamis de 315 µm (voir la gure L16.3) en prenant soin de ne pas FIGURE L16.2 Mesure de la densité du liquide lourd au moyen d’un densimètre
Détermination de la quantité de particules légères dans les granulats
FIGURE L16.3 Récupération des particules qui ottent sur le liquide
253
L : pourcentage de particules légères à 0,1 % près ; M1 : masse sèche des particules décantées (g) ; M2 : masse sèche de la portion de la prise d’essai retenue sur le tamis de 315 µm (g) ; M3 : masse sèche de la portion de la prise d’essai retenue sur le tamis de 5 mm (g). 1 EXEMPLE D’APPLICATION
déverser les particules déposées au fond de la solution de liquide lourd. • Verser, dans le récipient contenant l’échantillon, le liquide recueilli dans le second récipient. Après agitation de l’échantillon, recommencer le procédé de décantation décrit à l’étape précédente jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de particules ottantes dans l’échantillon. • Laver à l’eau, sécher et peser les particules laissées sur le tamis. Gros granulats • Tamiser l’échantillon sur un tamis de 5 mm et amener le retenu à l’état saturé superciellement sec. Peser le matériau retenu sur le tamis au 1 g près. • Placer les particules dans le liquide lourd. • À l’aide d’une écumoire à mailles de 5 mm, enlever les particules ottantes et les mettre de côté.
L16.1
Pour déterminer le pourcentage de particules légères dans un sable naturel, on a utilisé 300,0 g de granulat sec traversant un tamis de 5 mm. Par la suite, on a séparé ce matériau sur un tamis de 315 µm et obtenu 240,0 g de refus sur ce tamis. Pour conditionner le granulat saturé superciellement sec (SSS), on lui a ajouté 0,9 % d’eau. Les particules récupérées par ottation sur le liquide lourd avaient une masse de 5,0 g. On demande : 1 la masse d’eau (g) nécessaire pour conditionner le granulat superciellement sec (SSS) ; 2 le pourcentage de particules légères. SOLUTION
1 Les granulats sont secs ; pour atteindre l’état saturé superciellement sec (SSS), il faut ajouter une masse d’eau égale à :
• Agiter l’échantillon à plusieurs reprises et mettre les particules ottantes de côté jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de particules à la surface du liquide. • Laver à l’eau, sécher et peser les particules laissées sur le tamis.
Calculs et expression des résultats On doit calculer le pourcentage de particules légères (particules ottantes sur le liquide lourd) à l’aide de l’une ou l’autre des formules suivantes : Pour le granulat n : Pour le gros granulat :
Il aura donc fallu ajouter 2,2 g d’eau pour conditionner le granulat saturé superciellement sec. 2 On utilise la formule suivante pour calculer des pourcentages de particules légères dans le granulat :
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES COMPLÉMENTAIRES
254
LABORATOIRE 17
L ABORATOIRE 17 Détermination de la présence de matières organiques dans les granulats ns Méthode de référence
organiques dans un sable pour béton de ciment comprend :
CSA A23.2-7A, Détermination de la présence de matières organiques dans les granulats ns.
• un acon de 300 cm 3 ; • un entonnoir ;
Cette méthode d’essai sert à déterminer qualitativement la présence de matières organiques dans les sables naturels utilisés dans la fabrication de mortier ou de béton de ciment. Cet essai est principalement utilisé pour savoir si des essais plus poussés doivent être effectués sur ce granulat avant d’en approuver l’utilisation.
Appareillage L’appareillage normalement employé (voir la gure L17.1) pour déceler la présence de matières FIGURE L17.1 Appareillage pour déterminer la présence de matières organiques dans les sables pour béton
• de l’hydroxyde de sodium (soude) en solution à 3 % (NaOH) ; • une plaquette de couleur étalon Gardner.
Mode opératoire • Insérer un échantillon d’environ 500 g de sable dans le acon jusqu’à la ligne de 130 ml. • Ajouter la solution d’hydroxyde de sodium jusqu’à ce que le volume de sable et de liquide atteigne 200 ml. • Boucher le acon, agiter vigoureusement et laisser reposer 24 heures. • Au terme de ces 24 heures, comparer la couleur du liquide au-dessus du sable avec la plaquette de couleur étalon (voir la gure L17.2) et noter l’échelle de la couleur obtenue.
Détermination de l’indice colorimétrique La fenêtre n° 3 de la plaquette Gardner désigne ordinairement la couleur la plus foncée permise selon la norme CSA A23.1. Lorsque le liquide situé au-dessus du sable est équivalent ou plus pâle (voir la gure L17.2 a), on juge le sable acceptable pour fabriquer du béton de ciment. Toutefois, lorsque le liquide présente une couleur plus foncée que la couleur de la fenêtre n° 3 (voir la gure L17.2 b), le matériau est jugé non acceptable. Dans ce dernier cas, trois choix sont possibles an de pouvoir utiliser ce sable : FIGURE L17.2 Comparaison de la couleur de la solution de soude avec celle de la plaquette étalon
1. La coloration est due à la présence de particules de charbon ou de lignite (habituellement très foncées) présentes en quantités de moins de 0,5 % selon l’essai CSA A23.2-4A ; 2. Confectionner, avec ce sable, des cubes de mortier pour l’évaluer selon les critères de la norme CSA A23.2-8A, Détermination de la résistance du mortier en fonction de la nature des granulats ns, et s’assurer que la présence de matières organiques n’affecte pas (au minimum 95 % de la résistance à 7 et 28 jours) la résistance du mortier ;
a) Sable jugé acceptable
b) Sable devant être traité
3. Soumettre le sable à un lavage et à un essai colorimétrique (qui doit avoir un résultat positif), avant de l’utiliser.
Détermination de la valeur au bleu de méthylène des granulats
255
L ABORATOIRE 18 Détermination de la valeur au bleu de méthylène des granulats Méthode de référence
FIGURE L18.1 Agitateur magnétique
LC 21-255, Détermination de la valeur au bleu de méthylène des sols et des granulats
L’essai au bleu de méthylène sert à déterminer la propreté des granulats ou des sols, et plus particulièrement la quantité d’argile réactive présente dans le matériau. Le principe de l’essai est de doser l’adsorption de bleu de méthylène dans une solution aqueuse contenant la prise d’essai. On contrôle le dosage en observant une goutte de solution déposée sur un papier-ltre. On détecte la saturation des particules nes lorsqu’il y a formation d’une auréole bleu clair persistante autour du dépôt central. Les résultats de cet essai peuvent être utilisés pour permettre, ou non, l’utilisation spécique des granulats ou des sols.
Appareillage L’appareillage comprend : • une burette de 50 cm3 ; • un agitateur magnétique (voir la gure L18.1) ou à hélice ; • une baguette ou un tube de verre d’environ 8 mm de diamètre et 300 mm de longueur ; • un bécher de 1000 cm3 ; • du papier ltre ; • une balance d’une capacité d’au moins 300 g avec une précision de 0,01 g ; • un tamis de 400 µm ; • un chronomètre donnant les secondes ; • un ruban de mesure du pH ; • une solution de bleu de méthylène à 10 g par litre d’eau.
Montage des appareils La gure L18.1 montre la méthode de montage des appareils pour la réalisation de l’essai. On utilise un agitateur magnétique pour agiter l’échantillon lorsque le sol ne contient pas de particules friables qui risquent d’être fracturées par la pression du barreau magnétique en mouvement au fond du bécher.
Il existe aussi un appareil combiné, agitateur magnétique et plaque chauffante, qui est très utile pour la préparation de la solution de bleu de méthylène. Note : Un agitateur à hélice peut aussi être utilisé lorsqu’on n’est pas sûr de la dureté des particules de sol.
Préparation et conservation du bleu de méthylène • Préparer la solution de bleu de méthylène en mélangeant, à raison de 10 g par litre de solution, des cristaux secs de bleu de méthylène à de l’eau distillée. La précision doit être de 0,05 cm3 pour la mesure de l’eau nécessaire et de 0,01 g pour la masse des cristaux de bleu de méthylène. • Porter l’eau à 40 °C an de faciliter la dissolution des cristaux et agiter dans un ballon contenant 90 % du volume d’eau nécessaire.
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES COMPLÉMENTAIRES
256
LABORATOIRE 18
• Laisser refroidir la solution à l’air libre et ajouter le volume d’eau restant. Il est aussi possible d’agiter et de chauffer la solution en utilisant un agitateur magnétique combiné à une plaque chauffante. • Conserver la solution à température ambiante dans un acon teinté ou recouvert d’un papier d’aluminium. Une solution préparée depuis trois mois ou plus ne peut être utilisée.
Préparation de la prise d’essai On doit effectuer l’essai au bleu de méthylène sur la partie du granulat ou du sol passant un tamis de 400 µm. La masse de la prise d’essai est fonction de la quantité d’argile dans l’échantillon. En effet, il est préférable que la quantité d’argile ne dépasse pas 10 à 15 g pour ne pas procéder à un dosage trop important en bleu de méthylène. On détermine donc la prise d’essai en tenant compte de la granulométrie connue ou projetée du granulat ou du sol : • sable propre, entre 120 g et 200 g ; • sable pollué, entre 50 g et 120 g ; • sable argileux, entre 10 g et 50 g. Si on effectue la prise d’essai sur un sol humide, on doit noter la masse de matériau humide (Mh). Quant à la masse sèche (Ms) du même matériau, elle sera plus faible selon sa teneur en eau initiale. Lorsqu’on prépare le sol selon la méthode à sec, on doit l’imbiber d’eau de 24 à 30 heures avant l’essai.
Mode opératoire • Mélanger la prise d’essai à 100 cm 3 d’eau déminéralisée ou distillée et agiter la solution à une vitesse d’au moins 400 tours/minute tout au long de l’essai. • Mesurer le pH. Le résultat doit être inférieur à 8, sans quoi les résultats de l’essai au bleu de méthylène devront être fournis avec une certaine réserve.
• À l’aide d’une burette, effectuer le dosage de bleu de méthylène par injections successives d’une quantité de bleu de méthylène dans la solution. Après chaque injection, faire l’essai du dépôt d’une goutte de solution sur papier ltre après 30 secondes d’agitation jusqu’à l’obtention d’un résultat positif : – un test est dit positif lorsqu’une auréole bleu clair apparaît dans la zone humide autour du dépôt central (voir la gure L18.2a) au cours de cinq essais consécutifs effectués à une minute d’intervalle sans changer le dosage de la solution ; – le test est considéré comme négatif (non saturé) lorsque l’auréole bleu clair n’apparaît pas autour du dépôt central au cours de cinq essais consécutifs, même si, au début de l’essai, un et même deux dépôts consécutifs présentaient une auréole (voir la gure L18.2b) ; – un test est dit nul lorsque aucune coloration de bleu soutenu n’apparaît autour du dépôt, ce qui indique un très faible pourcentage d’argile dans le granulat soumis à l’essai (voir la gure L18.2c). Pour un sol fortement argileux, on procède à l’injection de doses de 5 cm 3 de bleu de méthylène jusqu’au point de virage de la solution. Si l’auréole bleu clair disparaît au cours des deux premières minutes, la dose à injecter est encore de 5 cm 3. Par contre, si l’auréole disparaît entre 2 et 5 minutes, signiant que le point de virage est proche, la dose suivante doit être de 1 ou 2 cm3 pour améliorer la précision des résultats. Pour un sol faiblement argileux, on doit utiliser une burette précise à 0,01 cm3 près. On effectue l’injection de doses de 0,5 cm 3 de bleu de méthylène jusqu’au point de virage de la solution. Si l’auréole bleu clair disparaît au cours des deux premières minutes, la dose à injecter est encore de 0,5 cm 3 ; si l’auréole disparaît entre 2 et 5 minutes, la dose suivante doit être de 0,2 cm 3.
FIGURE L18.2 Aspect de divers dépôts produits durant l’essai
a) Test positif
b) Test négatif
c) Test nul
Détermination de la valeur au bleu de méthylène des granulats
257
Calculs et expression des résultats
1 EXEMPLE D’APPLICATION
Si on a effectué la prise d’essai avec un matériau humide, on calcule la masse sèche de l’échantillon de la façon suivante :
On a soumis un sable utilisé pour les sous-fondations routières à l’essai au bleu de méthylène et on a noté les données suivantes :
L18.1
Masse humide utilisée Mh : 113 g Teneur en eau totale ω tot : 3,0 % où Ms : masse sèche de l’échantillon (g) ; Mh : masse humide de l’échantillon (g) ; ω : teneur en eau de l’échantillon (%). La valeur au bleu de l’échantillon est calculée à l’aide de l’équation suivante :
Grosseur du matériau :
< 2 mm
Volume de solution V :
27,00 cm 3
On demande de calculer la VB. SOLUTION
où VB : valeur au bleu de la prise d’essai (grammes de bleu par 100 g d’échantillon), au centième près ; V : dosage de la solution de bleu (cm3) au centième près ; Ms : masse sèche de l’échantillon (g).
Selon la norme NQ 2560-114, ce sable ne peut être utilisé pour une sous-fondation routière puisque la limite permise, pour la valeur au bleu, est de 0,20.
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES COMPLÉMENTAIRES
258
LABORATOIRE 19
L ABORATOIRE 19 Détermination du coefcient d’écoulement des granulats ns Méthode de référence
FIGURE L19.1 Mesure du coefcient d’écoulement en laboratoire
LC 21-075, Détermination du coefcient d’écoulement des granulats ns
L’essai du coefcient d’écoulement des granulats ns permet de déterminer le coefcient d’écoulement et d’évaluer l’angularité des granulats ns manufacturés ou d’origine naturelle utilisés notamment dans les revêtements bitumineux des chaussées. On réalise cet essai sur des particules dont la dimension est comprise entre 2 mm et 80 µm. Il consiste à mesurer le temps d’écoulement d’une quantité connue de granulat à travers un cône dont l’ouverture est normalisée (voir la gure L19.1). Le résultat s’exprime par le coefcient d’écoulement (Ce), qui est égal au temps d’écoulement multiplié par la densité brute (dB) des particules. Le temps d’écoulement est aussi inuencé par l’état de surface, la forme et la grosseur des particules. Ainsi, les résultats traduisent l’effet combiné de l’angularité et de la rugosité des particules. Cet effet est d’autant plus marqué que le coefcient est élevé. L’angularité et la rugosité des particules inuent sur la maniabilité des mélanges, la résistance à la déformation des revêtements et l’adhérence des pneumatiques à la chaussée. La norme NQ 2560-114 dénit les spécications lorsqu’il est nécessaire d’utiliser des granulats ns de catégorie 1 : le coefcient d’écoulement doit notamment être égal ou supérieur à 80. De plus, cette norme stipule que si le granulat provient d’un mélange de plusieurs classes granulaires d’une ou de plusieurs sources, ou encore d’un mélange de granulats ns provenant de sources différentes, l’essai doit être effectué sur le combiné selon les proportions de la formule de mélange.
FIGURE L19.2 Vue d’ensemble de l’appareil
Note : Les granulats ns ayant fait l’objet d’un traitement particulier, tels que ceux qui sont extraits d’un mélange bitumineux, peuvent présenter un coefcient d’écoulement différent avant et après le traitement.
Appareillage L’appareillage comprend : • un cône normalisé dont la surface intérieure doit être polie (voir les gures L19.1 à L19.3) ; • un cylindre emboîtable sur le cône et de même degré de polissage (voir les gures L19.2 et L19.4) ;
Source : D’après la norme LC 21-075.
Détermination du coefcient d’écoulement des granulats ns
FIGURE L19.3 Cône
259
FIGURE L19.5 Entonnoir
Note : Toutes les dimensions sont exprimées en millimètres. Source : D’après la norme LC 21-075.
Note : Toutes les dimensions sont exprimées en millimètres. Source : D’après la norme LC 21-075.
FIGURE L19.4 Cylindre
• un support muni d’un obturateur pour l’ouverture et la fermeture du cône (voir les gures L19.1 et L19.2) ; • un contenant de capacité sufsante pour récupérer le granulat qui s’écoule de l’appareil ; • un entonnoir en pyrex (voir les gures 19.2 et 19.5) ; • des tamis de 80 µm et de 2 mm ; • un chronomètre permettant une lecture au centième de seconde près ; • une balance de capacité sufsante pour la prise d’essai et précise au dixième de gramme près ; • une étuve ; • une source d’éclairage.
Préparation de la prise d’essai
Note : Toutes les dimensions sont exprimées en millimètres . Source : D’après la norme LC 21-075.
• Préparer une quantité sufsante de granulats ns pour obtenir (après tamisage au tamis de 2 mm, lavage sur le tamis de 80 µm et séchage) une prise d’essai de masse sèche égale à 1000 g ± 0,5 g. • Bien mélanger la prise d’essai refroidie jusqu’à température ambiante et l’introduire dans le cylindre surmonté de l’entonnoir en gardant l’obturateur fermé. • Ouvrir l’obturateur, démarrer le chronomètre en même temps et déterminer le temps d’écoulement de la totalité de la prise d’essai à travers l’ouverture. • Répéter l’opération avec la même prise d’essai jusqu’à ce que l’écart entre la plus petite et la plus grande de cinq lectures consécutives ne dépasse pas 0,30 seconde.
ESSAIS DE DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES COMPLÉMENTAIRES
260
LABORATOIRE 19
Étalonnage du cône
1 EXEMPLE D’APPLICATION
Le cône doit être étalonné à l’aide du cône de référence détenu par le Laboratoire des chaussées du ministère des Transports du Québec, dépositaire agréé par le Conseil canadien des normes. Ce cône de référence est conservé dans des conditions normales de température, de pression et de lumière pour que ses caractéristiques demeurent constantes. L’étalonnage consiste à tracer la courbe du temps d’écoulement des granulats en fonction du temps obtenu avec le cône de référence. La courbe obtenue est une droite de régression du premier degré inhérente au cône testé. L’équation de la droite sert à la correction du temps d’écoulement moyen.
Une mesure du coefcient d’écoulement est effectuée dans un cône dont l’équation de correction est . Le granulat soumis à une densité brute dB = 2,806 et les temps tcône (en secondes) de sept passes consécutives sont les suivants : Essai
L’étalonnage ne doit pas être dénitif. Le processus doit être repris régulièrement pour maintenir la précision des résultats. L’équation de correction a la forme générale suivante :
où t : temps d’écoulement moyen corrigé par rapport au cône de référence ; tcône : temps d’écoulement moyen du cône testé ; b : constante de correction ; m : coefcient de correction (pente).
Calculs et expression des résultats
L19.1
cône
(s)
1
31,54
2
31,52
3
31,47
4
31,37
5
31,27
6
31,27
7
31,29
On demande de calculer le coefcient d’écoulement. SOLUTION
Les valeurs tcône de 31,54 et 31,52 sont rejetées même si l’écart est inférieur à 0,30 par rapport à la valeur la plus petite.
tcône moyen = 31,33 secondes
Le coefcient d’écoulement (Ce) correspond au temps d’écoulement moyen, au centième près, des cinq lectures, multiplié par la densité brute (dB) des particules. Il est égal à : Le coefcient d’écoulement est où Ce : coefcient d’écoulement des granulats ns, exprimé à l’unité près ; t : temps d’écoulement moyen des cinq lectures, corrigé selon l’équation d’étalonnage ; dB : densité brute des granulats ns déterminée sur la même fraction que celle des particules soumises à l’essai, soit la fraction retenue au tamis de 80 µm et passant le tamis de 2 mm ; k : 1 seconde.
Cette valeur, bien que faible, est conforme à l’exigence dénie dans la norme NQ 2560-114 (≥ 80) pour les granulats ns utilisés dans les couches de base et de surface des revêtements en enrobés posés à chaud.
Détermination de la résistance à la désagrégation des granulats au moyen d’une solution de sulfate de magnésium
261
L ABORATOIRE 20 Détermination de la résistance à la désagrégation des granulats au moyen d’une solution de sulfate de magnésium Méthode de référence CSA A23.2-9A, Détermination de la résistance à la désagrégation du granulat n et du gros granulat au moyen d’une solution de sulfate de magnésium
L’essai de la résistance à la désagrégation permet d’évaluer la résistance des granulats à certains agents atmosphériques ainsi qu’aux intempéries. On procède à cet essai lorsqu’on ne dispose d’aucun autre renseignement concernant les conditions climatiques réelles d’exposition du granulat. Cette méthode donne des résultats peu ables et donc, avant de rejeter des granulats pour une utilisation précise, il faut faire appel à plusieurs autres essais. Les conditions climatiques québécoises ainsi que l’environnement des granulats en service sont encore très difciles à reproduire en raison de nombreux facteurs et variations. On utilise encore l’essai de la résistance à la désagrégation, mais l’essai du potentiel de ségrégation, développé par le MTQ, permet de mieux reproduire l’effet des cycles de gel et de dégel sur les granulats.
Appareillage L’appareillage comprend : • divers tamis à mailles carrées, dont des tamis spéciaux (31,5 mm, 16 mm, 8 mm et 4 mm) pour mesurer la perte de matériau ; • des récipients appropriés au trempage des gros granulats et des granulats ns (voir la gure L20.1). Il s’agit de paniers faits en treillis d’acier inoxydable ; FIGURE L20.1 Paniers faits de treillis d’acier inoxydable et servant au trempage des granulats
• une balance d’une capacité d’au moins 500 g et d’une sensibilité de 0,1 g ; pour le gros granulat, une balance d’une capacité d’au moins 5 kg et d’une sensibilité de 1 g ; • une étuve pouvant être maintenue à une température de 110 °C ± 5 °C ; • un bain pour l’immersion des échantillons ; • une solution de MgSO4 ; • un cylindre et un hydromètre pour mesurer la densité de la solution de MgSO4. Préparation de la solution La norme stipule qu’il faut dissoudre le sulfate de magnésium dans l’eau à une température comprise entre 25 °C et 30 °C, qu’il faut laisser refroidir la solution à 23 °C ± 2 °C. Cette solution doit être maintenue à cette température pendant au moins 48 heures et on doit en mesurer la densité, qui devrait être comprise entre 1,295 et 1,308. À cette n, on peut prélever une quantité de solution dans un vase gradué de 1 litre (voir la gure L20.2). On se référera à la norme pour les détails concernant la préparation de la solution. FIGURE L20.2 Mesure de la densité de la solution de sulfate de magnésium
ESSAIS DE RÉSISTANCE AUX INTEMPÉRIES
262
LABORATOIRE 20
Bassin pour l’immersion Le bassin qui contiendra la solution de sulfate de magnésium doit être constitué d’un matériau à l’épreuve de la corrosion et être assez grand pour permettre l’immersion d’un ensemble de paniers (voir la gure L20.3). De plus, il doit être muni d’un élément avec contrôle thermostatique permettant de garder la solution à une température de 23 °C ± 2 °C.
Préparation de la prise d’essai Masse minimale de l’échantillon Il faut d’abord laver et sécher les granulats, puis les séparer sur les tamis normalisés (jusqu’à 5 mm pour les gros granulats et jusqu’à 315 µm pour les granulats ns) et calculer le pourcentage de l’échantillon que chaque fraction contient. On fait l’essai sur les fractions de granulats (séparés sur les tamis normalisés) supérieures à 5 % de l’échantillon total. Lorsqu’une fraction représente moins de 5 % de l’échantillon total, on ne doit pas effectuer l’essai sur cette fraction et on doit tenir compte de la moyenne des pertes des fractions de dimensions supérieure et inférieure pour les calculs. Si l’une de ces fractions est absente, on doit lui attribuer la perte de la fraction supérieure ou inférieure selon le cas. Les masses minimales de chacune des fractions à analyser sont de 100 g pour les granulats ns et varient de 300 g à 3000 g pour les gros granulats (5000 g pour les strates de pierre). Il convient de s’assurer que l’échantillon est assez important pour respecter les quantités minimales prescrites aux tableaux 2 et 3 de la norme en faisant un calcul très simple. Le tamis présentant le plus faible pourcentage de retenu est celui qui permet de déterminer la masse minimale totale de FIGURE L20.3 Bassin pour l’immersion
l’échantillon. Par simple règle de trois, on établit la masse de la totalité (100 %) de l’échantillon à utiliser à partir du pourcentage de retenu sur le tamis visé et à partir de la masse minimale requise pour ce tamis. Il convient de majorer quelque peu ces quantités pour pallier les variations granulométriques. Par exemple, pour un échantillon de masse totale minimale de 1000 g, une masse de 1100 g est habituellement sufsante. De même, pour un échantillon de masse minimale de 25 kg, une majoration de 1 kg suft généralement.
Mode opératoire Les granulats doivent être recouverts d’au moins 10 mm de solution pendant 16 à 18 heures. La solution doit être maintenue à 23 °C ± 2 °C pendant la durée de l’essai. Le nombre de cycles d’immersion doit être sufsant pour les besoins de l’analyse. Cinq cycles sufsent généralement. Entre chaque période d’immersion, laisser égoutter les granulats pendant 15 ± 5 minutes puis les sécher dans leur contenant jusqu’à masse constante (voir la gure L20.4). Lavage des granulats Lorsque le dernier cycle de trempage et de séchage est terminé, on doit laver les granulats dans de l’eau an de les débarrasser de toute trace de sulfate de magnésium. On sait que la période de lavage est terminée lorsqu’en faisant réagir du chlorure de baryum (BaCl2) dans un échantillon d’eau de lavage, on ne voit apparaître aucune coloration laiteuse comme dans le bécher de gauche de la gure L20.5. Par contre, le bécher de droite révèle la présence de sulfate de magnésium dans l’eau de lavage. FIGURE L20.4 Séchage des granulats dans leur contenant
Détermination de la résistance à la désagrégation des granulats au moyen d’une solution de sulfate de magnésium
263
On doit soumettre les granulats de plus de 20 mm à un examen qualitatif après chaque immersion. Cet examen porte sur le type d’action du MgSO4 sur les particules et le nombre de particules attaquées.
FIGURE L20.5 Réaction du chlorure de baryum dans l’eau de lavage contenant du sulfate de magnésium (bécher de droite)
Présentation des résultats Le tableau L20.1 montre un modèle de présentation des résultats de l’examen quantitatif (avec données et résultats d’essais à titre d’exemple). Interprétation des données Expliquons la méthode suivie pour calculer la perte des granulats ns en interprétant les données dans chacune des colonnes. • Ouverture des tamis (fraction) Cette colonne désigne la grosseur des matériaux de chaque fraction. • Granularité initiale de l’échantillon Cette colonne comprend les fractions granulométriques à chaque niveau de tamis pour le granulat à
Le granulat propre doit ensuite être séché jusqu’à masse constante. Après quoi, on tamise chaque fraction de granulat sur le tamis retenu pour le granulat n et sur le tamis déterminé par la norme pour le gros granulat. On mesure donc la quantité retenue sur chaque tamis pour en déterminer le pourcentage de perte. TABLEAU L20.1 Exemple de données et de résultats d’essais Ouverture des tamis (fraction) Matériau passant
Matériau retenu
Granularité initiale de l’échantillon (% de matériau retenu)
Masse de la fraction avant l’essai (g)
Masse de la fraction après l'essai (g)
Pourcentage de matériau passant le tamis après l’essai (perte réelle)
Moyenne pondérée (perte corrigée)
Essai de résistance à la désagrégation du granulat n 160 µm
−
5,0
−
−
−
−
315 µm
160 µm
11,4
−
−
−
−
630 µm
315 µm
26,0
100,0
95,8
4,2
1,09
1,25 mm
630 µm
25,2
100,0
95,2
4,8
1,21
2,5 mm
1,25 mm
17,0
100,0
92,0
8,0
1,36
5 mm
2,5 mm
10,8
100,0
88,8
11,2
1,21
10 mm
5 mm
4,6
−
−
11,21
0,52
400,0
−
−
5,39
Total
100,0
Essai de résistance à la désagrégation du gros granulat 80 mm
40 mm
20,0
4783,0
4553,4
4,8
0,96
40 mm
20 mm
45,0
1535,0
1412,2
8,0
3,60
20 mm
10 mm
23,0
1008,0
911,2
9,6
2,20
10 mm
5 mm
12,0
345,0
306,4
11,2
1,34
100,0
7624,0
−
−
8,10
Total
1. On a utilisé le pourcentage de perte (11,2 %) de la fraction immédiatement inférieure puisque cette fraction représentait moins de 5 % de l’échantillon soumis.
ESSAIS DE RÉSISTANCE AUX INTEMPÉRIES
264
LABORATOIRE 20
l’étude. On peut ainsi constater que le matériau a la granularité suivante : Tamis
Tamisats cumulés (%)
10
100
5
95
2,50
85
1,25
68
630
42
315
16
160
5
Cette colonne indique les pertes réelles en pourcentage. On obtient ces valeurs en faisant le rapport entre la perte de masse après l’essai et la masse originale de la fraction. Exemple : fraction 630-315 µm
mm
µm
• Masse de la fraction avant l’essai Dans cette colonne, on peut constater que : 1. Les masses utilisées respectent les exigences du tableau 2 de la norme. 2. Les fractions du matériau dont le diamètre est inférieur à 315 µm ne sont pas utilisées. 3. La fraction comprise entre les tamis de 10 et de 5 mm n’est pas utilisée parce qu’elle contient moins de 5 % de matériau. • Pourcentage de matériau passant le tamis après l’essai (perte réelle)
• Moyenne pondérée (perte corrigée) Cette colonne indique les moyennes pondérées obtenues en multipliant les pourcentages de perte réelle par les pourcentages de chaque fraction granulométrique (en valeur décimale). Exemple : fraction 630-315 µm 0,26 × 4,2 = 1,09 %, soit 1,1 % Exigences Les tableaux 7.9 et 7.10 (voir p. 121 et 123) présentent les spécications concernant les divers types de granulats selon l’usage auquel ils sont destinés. Dans le cas de cet exemple, les pourcentages de perte des granulats soumis à l’essai sont inférieurs aux limites pour les gros granulats (12 % ou 18 % selon les conditions d’exposition) et pour les granulats ns (16 %) pour l’utilisation dans les bétons de ciment.
Essai de résistance au gel et au dégel des gros granulats non connés
265
L ABORATOIRE 21 Essai de résistance au gel et au dégel des gros granulats non connés Méthode de référence CSA A23.2-24A, Méthode d’essai de résistance au gel et au dégel du gros granulat non conné
L’essai de la résistance au gel et au dégel des gros granulats non connés a été mis au point en Ontario à la n des années 1980. Il a été conçu pour xer des exigences sur la durabilité des granulats utilisés dans la fabrication des bétons de ciment portland. Les conditions de terrain sont très complexes et la modélisation par une simple désagrégation chimique, comme dans le cas de l’essai de désagrégation au MgSO4, n’est pas assez représentative. Des recherches ont montré que certains granulats qui n’atteignaient pas les exigences de l’essai de désagrégation au MgSO4 présentaient tout de même une bonne durabilité. L’essai de résistance des gros granulats au gel-dégel tend maintenant à remplacer l’essai de désagrégation au MgSO4 puisque les conditions que subissent les granulats pendant l’essai se rapprochent plus des conditions réelles que les granulats subissent en service. De plus, l’essai de gel-dégel présente une meilleure répétabilité et demande moins de manipulations que l’essai au MgSO4. L’essai de résistance au gel et au dégel soumet des granulats saturés avec une solution de chlorure de sodium à cinq cycles de gel et de dégel, à des tem pératures de −18 ºC ± 2,0 ºC. Ces conditions, bien qu’encore très éloignées des conditions réelles, se rapprochent davantage des intempéries que les granulats subissent.
Appareillage L’appareillage normalement utilisé pour déterminer la résistance au gel-dégel comprend : • un congélateur capable de maintenir une température de −18 ºC ± 2,0 ºC et conforme aux spécications de la norme CSA A23.2-24A ; • une étuve pouvant maintenir une température de 110 ºC ± 5 ºC ; • une balance permettant une pesée précise à la plus grande des deux valeurs suivantes : à 0,1 % de la masse de l’échantillon ou à 1 g près ; • des tamis de 5, 10, 14, 20, 28 et 40 mm ; • des thermomètres à mercure ou à alcool ;
• des récipients de 1 litre et de 500 ml en plastique autoclavables avec couvercles étanches à l’air pouvant supporter une température constante de 110 ºC ; • des paniers ajourés conformes à la norme CSA A23.2-24A ; • une solution de chlorure de sodium à 3 % par masse ; • un échantillon de granulat de référence (en provenance de la carrière de Drain Brothers à Stoney Lake, en Ontario)
Préparation de la prise d’essai • Sécher le granulat retenu sur le tamis de 5 mm. • Séparer l’échantillon en fractions et vérier les masses minimales de chaque fraction selon la norme CSA A23.2-24A. Note : Les fractions qui représentent moins de 5 % de l’échantillon ne doivent pas être mises à l’essai.
Mode opératoire • Placer le granulat dans des contenants de dimensions appropriées et les immerger complètement dans la solution de chlorure de sodium pendant 24 heures ± 2 heures à la température ambiante. Les granulats de 20 mm ou plus doivent être placés dans deux contenants ou plus pour pouvoir mettre à l’essai la totalité de l’échantillon. Couvrir an d’empêcher l’évaporation. • Vidanger la solution des contenants sur un tamis à mailles de moins de 5 mm (un tamis à mailles de 1,25 mm peut être utilisé). On peut installer une toile sur les contenants pour faciliter la vidange. • Sceller les contenants an de maintenir un taux d’humidité de 100 % et les placer sur les paniers. • Mettre les paniers pendant 16 heures ± 2 heures dans le congélateur en évitant qu’ils se touchent. • Faire dégeler les échantillons à la température ambiante pendant 8 heures ± 1 heure. • Soumettre les échantillons à cinq cycles de gel et de dégel en les tournant d’un quart de tour après chaque période de dégel. • Rincer cinq fois le granulat à la n du cinquième cycle de dégel en remplissant le contenant et en le vidangeant au-dessus d’un tamis ou d’une toile à mailles de moins de 5 mm. • Sécher le granulat à l’étuve jusqu’à masse constante.
ESSAIS DE RÉSISTANCE AUX INTEMPÉRIES
266
LABORATOIRE 21
• Tamiser et peser chaque fraction de granulat sur les tamis utilisés au cours de la préparation. Le tamisage à l’aide d’un tamiseur mécanique ne doit pas excéder 3 minutes pour éviter des pertes supplémentaires causées par les secousses. On peut inverser les tamis avant le tamisage pour faciliter ce dernier.
Calculs et expression des résultats Calculer le pourcentage de perte (donné à 0,1 % près) sur chaque tamis comme suit :
Pourcentage relatif de la fraction dans le matériau (%)
Masse de la fraction soumise à l’essai (g)
Masse de la fraction après l’essai (g)
5-10 mm
31
513
476
10-14 mm
29
1122
1054
14-20 mm
33
1340
1264
20-28 mm
4
0
0
Fraction
SOLUTION
Les fractions qui représentent moins de 5 % de l’échantillon initial ne sont pas mises à l’essai, mais pour le calcul, on doit les considérer comme ayant le même pourcentage de perte à l’essai que la moyenne des dimensions inférieure et supérieure. Si on ne dispose pas d’une de ces dimensions, on doit considérer celle-ci comme ayant le même pourcentage de perte que la dimension supérieure ou inférieure, selon le cas. Calculer la moyenne pondérée en multipliant le pourcentage de perte de chaque fraction par le pourcentage de refus tiré de la courbe granulométrique du gros granulat pour cette fraction. La somme de ces produits divisée par 100 donne le pourcentage de perte pour l’échantillon.
Échantillon témoin On a recours à un échantillon témoin pour établir l’utilisation et la calibration juste et efcace de l’équipement ainsi que pour déterminer si la façon de faire est adéquate. Puisqu’on connaît au préalable le pourcentage de perte moyen de l’échantillon témoin, il est possible de comparer le résultat obtenu au cours de l’essai avec cette valeur de référence. Si plusieurs résultats s’éloignent de cette moyenne, il faut s’interroger sur la façon de faire et l’équipement utilisé. 1 EXEMPLE D’APPLICATION
L21.1
Pour connaître la résistance au gel-dégel d’un calcaire à grains ns utilisé dans la fabrication de béton de ciment portland, on a fait un essai sur un matériau 5-20 mm provenant d’une carrière du sud de Montréal. On demande de calculer le pourcentage de perte à partir des données suivantes.
On calcule le pourcentage de perte pour chaque fraction. Pour la fraction 14-20 mm, le pourcentage de perte est :
Comme on n’a pas mis la fraction 20-28 mm à l’essai puisqu’elle représente moins de 5 % de l’échantillon, on lui attribue le pourcentage de perte de la fraction précédente. On rapporte dans un tableau les pourcentages de perte et les pourcentages de refus de chaque fraction. L’ajout d’une colonne donnant le produit de ces deux paramètres permet de déterminer le pourcentage combiné.
Fraction
Pourcentage de perte (%)
Perte de masse moyenne pondérée (%)
Produit
5-10 mm
7,2
31
223
10-14 mm
6,1
29
177
14-20 mm
5,7
33
188
20-28 mm
5,7
4
23
Total
611
Le pourcentage de perte pondéré est calculé en divisant le total des pourcentages de perte combinés par 100. La perte pondérée moyenne au gel-dégel pour le calcaire analysé est de 6,1 %.
Détermination de la teneur en impuretés dans un matériau recyclé
267
L ABORATOIRE 22 Détermination de la teneur en impuretés dans un matériau recyclé Méthode de référence LC 21-260, Détermination de la teneur en impuretés dans un matériau recyclé
Les matériaux recyclés contiennent des proportions variables de béton de ciment concassé (BC), d’enrobés bitumineux (EB), et de granulats naturels (GN). Tout ce qui ne provient pas d’un de ces trois matériaux est considéré comme des impuretés. On peut donc trouver dans les matériaux recyclés : des matières plastiques ; des fragments de polymères, de céramique, de brique, de verre, de bois et de plâtre ; du carton, du papier ainsi que des morceaux d’acier d’armature et autres pièces métalliques. Ces matières changeront inévitablement le comportement du matériau recyclé : il est donc très important de connaître sa composition exacte. La détermination de la teneur en impuretés se fait par ottation dans un liquide et par séparation manuelle.
Appareillage L’appareillage normalement utilisé pour déterminer la teneur en impuretés dans un matériau recyclé comprend : • une balance précise à 0,1 g pour les granulats ns et à 1 g pour les gros granulats ; • une étuve pouvant maintenir une température de 50 °C ± 5 °C ou de 110 °C ± 5 °C selon le matériau à sécher ; • des récipients appropriés pour le séchage de l’échantillon et la ottation des particules dans le liquide dense ; • des tamis de 2,5 mm et de 5 mm ; • une toile à mailles carrées de 1,25 mm pouvant servir d’écumoire ; • un aimant ; • une quantité sufsante de liquide dense (chlorure de zinc dans le cas présent) dosée de façon à obtenir une densité de 2,00 ; • un densimètre.
Préparation de la prise d’essai • Faire une analyse granulométrique sur le matériau pour connaître le pourcentage des fractions 0-2,5 mm, 2,5-5,0 mm et 5 mm et plus.
• Séparer l’échantillon en fractions de 0-2,5 mm, 2,5-5,0 mm et 5 mm et plus. • Prélever chaque fraction avec une masse minimale de 200 g pour les fractions 0-2,5 mm et 2,5-5,0 mm et 3, 5 ou 10 kg pour les fractions de dimensions supérieures à 5 mm. • Sécher les prises d’essai à l’étuve jusqu’à masse constante. • Laisser refroidir les matériaux à la température de la pièce.
Mode opératoire Séparation des impuretés sur la fraction 0-2,5 mm • Peser le matériau à 0,1 g près et le placer dans un contenant rempli d’eau à la température de la pièce. Le volume d’eau doit être d’au moins trois fois le volume absolu de la prise d’essai. • Remuer le mélange pendant 1 minute et le laisser tremper pendant 1 heure ± 15 minutes. • Verser les particules qui ottent sur le liquide lourd dans un second récipient à travers l’écumoire, en prenant soin de ne pas déverser les particules déposées au fond du contenant. • Verser, dans le récipient contenant l’échantillon, le liquide recueilli dans le second récipient. Après agitation de l’échantillon, recommencer le procédé de décantation décrit à l’étape précédente, jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de particules ottantes dans l’échantillon. • Enlever les particules de béton de ciment concassé et d’enrobés bitumineux concassés retenues par l’écumoire. • Laver les particules à l’eau et les faire sécher à l’air libre ou à l’étuve. • Enlever, par brossage si nécessaire, les particules décantées sur le tamis et les peser au dixième de gramme près. Séparation des impuretés sur la fraction 2,5-5 mm • S’assurer qu’il n’y a plus de particules passant le tamis 2,5 mm de la prise d’essai. • Peser le granulat à 0,1 g près et l’amener à l’état saturé superciellement sec (selon la procédure décrite dans la méthode d’essai LC 21-066).
MATÉRIAUX RECYCLÉS
268
LABORATOIRE 22
• Placer les particules dans le liquide dense. Le volume de liquide dense doit être égal à au moins trois fois le volume absolu de la prise d’essai. • Répéter le procédé de décantation de lavage et de brossage effectué pour la fraction 0-2,5 mm. Séparation des impuretés sur la fraction 5 mm et plus Séparation manuelle • S’assurer qu’il n’y a plus de particules passant le tamis 5 mm dans la prise d’essai et peser le granulat à 1 g près.
• À l’aide de l’écumoire, enlever les particules ottantes et les mettre de côté. • Agiter l’échantillon à plusieurs reprises et mettre les particules ottantes de côté jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de particules à la surface du liquide. • Laver à l’eau, sécher et peser les particules décantées au gramme près.
Calculs et expression des résultats La teneur en impuretés d’un matériau recyclé est calculée à l’aide de la formule suivante :
• Mettre les granulats dans un contenant à fond plat en une couche dont l’épaisseur ne doit pas dépasser la grosseur nominale du matériau. • Trier et séparer manuellement les impuretés, les placer dans des contenants séparés. Un faible jet d’eau peut être utilisé pour trier les particules. • Passer un aimant jusqu’à ce que la prise d’essai ne contienne plus de fragment de matériau ferreux. • Peser les impuretés au dixième de gramme. Séparation par f lottation • Amener le matériau restant (exempt de grosses impuretés) à l’état saturé superciellement sec (selon la procédure décrite dans la méthode d’essai LC 21-067). • Placer les particules dans le liquide dense. Le volume de liquide dense doit être égal à au moins trois fois le volume absolu de la prise d’essai.
où Lfraction : teneur en impuretés de chacune des fractions à 0,01 % ; Pfraction : pourcentage de la fraction dans le matériau d’origine à 1 % ; Mimpuretés : masse sèche des particules décantées au 0,1 g près pour les fractions nes et au gramme près pour les fractions de dimension de 5 mm et plus ; Msèche : masse sèche de la prise d’essai. La teneur en impuretés de l’ensemble du matériau recyclé, exprimée à 0,1 % près, est la somme des teneurs en impuretés des trois fractions : L = L0-2,5 + L2,5-5,0 + L>5
Détermination de la composition d’un matériau recyclé contenant des résidus d’enrobé et de béton
269
L ABORATOIRE 23 Détermination de la composition d’un matériau recyclé contenant des résidus d’enrobé et de béton Méthode de référence LC 21-901, Détermination de la composition d’un matériau recyclé contenant des résidus d’enrobé et de béton
On utilise de plus en plus les matériaux recyclés dans les constructions de génie civil. Les matériaux recyclés peuvent servir de granulats dans le béton de ciment, dans les enrobés bitumineux ou encore dans les fondations routières. Le taux d’absorption très variable et la présence de bitume ou de pâte de ciment collé aux granulats fait en sorte qu’il est très important de connaître leur composition pour éviter d’utiliser le matériau comme un granulat naturel ou à des ns non durables. Les matériaux recyclés (type MR) contiennent des proportions variables de béton de ciment portland concassé (type BC), d’enrobés bitumineux (type EB), et de granulats naturels (type GN). Pour déterminer leur composition, il suft d’examiner la fraction retenue sur un tamis de 2,5 mm et de séparer les particules manuellement. Il est possible de déterminer la composition des matériaux recyclés contenant des briques d’argile (type BA) en adaptant la façon de faire.
5-2,5 mm. Il est important de limiter à trois minutes le temps de tamisage des matériaux recyclés contenant des résidus d’enrobés bitumineux. • Séparer l’échantillon en fractions de 112-56 mm, 56-31,5 mm, 31,5-20 mm, 20-10 mm, 10-5 mm et 5-2,5 mm. • Réduire chaque fraction pour préparer les prises d’essai selon les masses minimales recommandées dans la norme LC 21-901.
Mode opératoire • Étaler chaque fraction de granulats dans un contenant à fond plat en une couche (voir la gure L23.1). • Pour chaque fraction, trier, séparer manuellement et peser les granulats selon les trois catégories (BC, EB, GN). On peut utiliser un faible jet d’eau, un couteau ou une loupe pour identier les traces de pâte de ciment portland ou de bitume.
Calculs et expression des résultats On obtient la teneur en impuretés d’un matériau recyclé à l’aide des formules suivantes pour les fractions de 112-56 mm, 56-31,5 mm, 31,5-20 mm, 20-10 mm, 10-5 mm et 5-2,5 mm :
Appareillage L’appareillage normalement utilisé pour déterminer la composition d’un matériau recyclé comprend : • une balance précise au gramme près ; • une étuve pouvant maintenir une température de 50 °C ± 5 °C ou de 110 °C ± 5 °C selon le matériau à sécher ; • des récipients appropriés pour l’étalement et le séchage des matériaux ; • des tamis de 2,5, 5, 10, 20, 31,5, 56 et 112 mm ; • un couteau ; • une lentille manuelle d’une puissance d’au moins 10×.
Préparation de la prise d’essai • Sécher l’échantillon à l’étuve. • Déterminer les pourcentages des fractions 112-56 mm, 56-31,5 mm, 31,5-20 mm, 20-10 mm, 10-5 mm et
FIGURE L23.1 Matériaux recyclés étalés dans un contenant à fond plat
MATÉRIAUX RECYCLÉS
270
LABORATOIRE 23
SOLUTION
On détermine le pourcentage de résidus d’enrobés bitumineux à l’aide de la formule suivante :
où % EB : pourcentage de résidu d’enrobé bitumineux dans le matériau ; % BC : pourcentage de résidu de béton de ciment portland dans le matériau ; % GN : pourcentage de granulats naturels dans le matériau ; Pfraction : pourcentage de la fraction mise à l’essai dans le matériau d’origine ; MEB, MBC, MGN : masse sèche des particules de chaque catégorie pour les fractions considérées ; Msèche : masse sèche de la fraction soumise à l’essai. 1 EXEMPLE D’APPLICATION
Le total est donc :
L23.1
On veut connaître la composition d’un granulat recyclé. La granulométrie du matériau a permis de déterminer la proportion de chaque fraction inscrite à la deuxième colonne du tableau L23.1. On trouve aussi la masse soumise à l’essai pour chaque fraction à la troisième colonne. Enn, les masses relevées (en grammes) de chaque catégorie de matériaux pour chacune des fractions sont inscrites dans les colonnes en dessous de leur catégorie.
soit 45 %. Il en est de même pour la proportion de granulats naturels. Enn, pour déterminer le type d’un matériau recyclé, il suft de comparer le matériau analysé avec le tableau 7.18 (voir p. 130) (tiré de la norme NQ 2560-600). Pour un matériau contenant moins de 65 % de granulats naturels (55 %) et entre 35 % et 50 % de résidus d’enrobés bitumineux (45 %), le matériau est un MR-5.
On demande le pourcentage de chaque résidu dans le matériau recyclé et le type de matériaux recyclé sur lequel l’analyse a été faite.
TABLEAU L23.1 Données et résultats de l’exemple d’application L23.1 Pourcentage relatif de la fraction dans le matériau (%)
Masse de la fraction soumise à l’essai (g)
(g)
(%)
(g)
(%)
(g)
(%)
56-112
−
−
−
−
−
−
−
−
31,5-56
9,3
3112,1
2928,1
8,8
0
0
184,0
0,5
20-31,5
9,3
1199,6
1153,7
8,9
0
0
45,9
0,4
10-20
34,7
609,2
276,8
15,8
0
0
332,4
18,9
5-10
30,1
248,3
63,6
7,7
0
0
184,7
22,4
2,5-5
16,5
40,5
8,5
3,5
0
0
32,0
13,0
Fraction (mm)
Catégories
% TOTAL1 1. Arrondir les deux valeurs totales à 45 % et 55 %.
EB (g)
44,7
BC (g)
0
GN (g)
55,2
Le tamis de contrôle
271
APPENDICE Le tamis de contrôle Méthodes de référence
• ISO 565, Tamis de contrôle − Tissus métalliques, tôles métalliques perforées et feuilles électroformées − Dimensions nominales des ouvertures.
• ISO 3310-1, Tamis de contrôle − Exigences techniques et vérications − Partie 1 : Tamis de contrôle en tissus métalliques
Le tamis de contrôle est un des outils de laboratoire les plus utilisés en technologie des granulats. En effet, c’est généralement avec l’aide d’un tamis qu’on effectue l’analyse granulométrique qui fournit des résultats essentiels pour établir les caractéristiques dimensionnelles et vérier la conformité des granulats. De plus, beaucoup d’essais requièrent la division ou la constitution d’échantillons réduits (prises d’essai) à partir de tamis de dimensions données. Par ailleurs, on dénit certaines caractéristiques selon le pourcentage de particules inférieures à une dimension donnée ; le coefcient micro-Deval, par exemple.
ordinairement utilisés en laboratoire sont circulaires ou rectangulaires (voir la gure A.1). Les tamis circulaires conviennent pour le tamisage manuel et pour les tamiseurs conventionnels (voir la gure L11.2, p. 233). Bien qu’il existe des tamis de 300 et même 400 mm de diamètre, les plus utilisés sont ceux de 200 mm. Les tamis à monture rectangulaire conviennent aux tamiseurs mécaniques de grande capacité (voir la gure L11.3, p. 234) ; ceux de 375 sur 575 mm sont courants.
Désignation des tamis On désigne les fonds des tamis selon la dimension nominale des ouvertures. Les dimensions d’ouvertures inférieures à 1 mm sont indiquées en micromètres (µm) ; les dimensions d’ouvertures de 1 mm et plus, en millimètres (mm). Les dimensions des mailles diffèrent selon les organismes de normalisation. Il y a donc une différence entre les dimensions des mailles FIGURE A.1 Tamis de laboratoire
Il est très important de s’assurer que les tamis sont conformes aux exigences dénies dans les normes applicables, qu’ils sont utilisés correctement et qu’ils sont entretenus minutieusement an d’obtenir des résultats les plus exacts possible sur les caractéristiques des matériaux. Dans les pages qui suivent, nous voulons surtout attirer l’attention sur le fait que les tamis doivent répondre à des exigences techniques et qu’ils doivent faire l’objet d’attention soutenue pour maintenir leur efcacité.
Description et classication des tamis Les tamis sont constitués d’un fond (toile) et d’une monture (bâti) (voir la gure A.1). Les fonds des tamis peuvent être formés de ls métalliques qui se croisent en formant des ouvertures carrées appelées aussi « mailles » (voir la gure A.2). C’est le type de fond utilisé en Amérique du Nord pour le tamisage industriel ou le tamisage effectué en laboratoire. Il existe aussi des tamis avec un fond en tôle métallique perforée et en feuilles électroformées comportant des ouvertures carrées ou rondes ; cette sorte de tamis est surtout utilisée en Europe. Les montures (cadre rigide qui sert à xer le fond de tamis et à contenir le matériau) des tamis
FIGURE A.2 Le croisement des ls forme les mailles des tamis
APPENDICE
272
APPENDICE
des tamis utilisés aux États-Unis et celles des mailles des tamis utilisés au Canada, puisque les dimensions américaines sont données en pouces ou en nombre de mailles par pouce. Par exemple, le tamis correspondant à une ouverture de 80 µm d’ouverture au Canada a une ouverture de 75 µm aux États-Unis. La dimension des mailles est inscrite sur le bâti, ce qui permet de s’assurer qu’on utilise le bon tamis de contrôle. Notons que les inscriptions du bâti donnent aussi la référence à la norme (ou à l’organisme de normalisation) à laquelle le tamis de contrôle doit se conformer, de même que la nature des matériaux constituant le fond et la monture, le nom du fabricant ou du distributeur du tamis ainsi qu’un numéro de contrôle. Dimensions nominales des ouvertures Les dimensions des ouvertures normalisées sont choisies dans les séries des nombres normaux (séries de Renard). Ceux-ci s’échelonnent selon une progression géométrique. Ainsi, dans une série donnée, chaque ouverture est plus grande, d’un pourcentage constant, que celle qui la précède. Le choix de la série de tamis est fonction des dimensions des tamis exigées dans chacune des normes. Ainsi, dans la norme ISO 565, Tamis de contrôle − Tissus métalliques, tôles métalliques perforées et feuilles électroformées − Dimensions nominales des ouvertures, on retrouve les dimensions nominales des ouvertures pour les séries
de bases 20/3, 10, 20 et 40/3 (R20/3, R10, R20 et R40/3) ; la série R10 ne servant qu’à déterminer les ouvertures inférieures à 32 mm des tamis dont le fond est composé de feuilles électroformées. Le rapport des ouvertures successives dans ces séries de tamis est indiqué dans le tableau A.1 et les dimensions nominales des ouvertures sont données dans les tableaux A.2 et A.3. TABLEAU A.1 Rapport des ouvertures successives des différentes séries utilisées Dimensions nominales en séries
Échelonnement des ouvertures
Rapport
R20/3
40 % approx.
1,40
R10
25 % approx.
1,25
R40/3
19 % approx.
1,19
R20
12 % approx.
1,12
Au Québec, les dimensions des ouvertures sont choisies dans la série R20. Notes : • série de base 20/3 : • série de base 10 : • série de base 40/3 : • série de base 20 :
TABLEAU A.2 Dimensions nominales des ouvertures(mm) Dimensions principales
Dimensions supplémentaires
R20/3
R20
R40/3
125
125
125
112
Dimensions principales R20/3
Dimensions supplémentaires R20
45
45
90 31,5
31,5
63
16
63
31,5
12,5 11,2
53
11,2
22,4 20
11,2
10
25 22,4
16
14
26,5
56
16
13,2
28
71
R40/3
18
35,5
75
63
45
37,5
80
R20
19
40
100 90
R20/3
Dimensions supplémentaires
50
106
90
R40/3
Dimensions principales
9,5 22,4
9 8
8
8
273
Le tamis de contrôle
TABLEAU A.2 Dimensions nominales des ouvertures(mm) (suite) Dimensions principales R20/3
Dimensions supplémentaires R20
R40/3
Dimensions principales
Dimensions supplémentaires
R20/3
R20
7,1
R40/3
R40/3
1,8 1,7
5,6
2,8
1,6
2,8
2,8
1,4
1,4
2,5
1,4
1,25
4,75
2,36
4,5 4
R20
3,15
5
4
R20/3
3,35
6,3 5,6
Dimensions supplémentaires
3,55 6,7
5,6
Dimensions principales
1,18
2,24 4
1,12
2
2
2
1
1
1
Note : Les cases tramées correspondent aux tamis généralement utilisés pour effectuer des analyses granulométriques au Québec. Source : Tiré de la norme ISO 565.
TABLEAU A.3 Dimensions nominales des ouvertures(µm) Dimensions principales R20/3
Dimensions supplémentaires R20
R40/3
Dimensions principales R20/3
900
Dimensions supplémentaires R20
180
630
180
500
500
125
125
90
315
90
90
63
63
16 10
63
Note : Les cases tramées correspondent aux tamis généralement utilisés pour effectuer des analyses granulométriques au Québec. Source : Tiré de la norme ISO 565.
25 20
71 250
R10 32
75
280 250
125
80 300
45
38 36
100 355
45 40
106
400
250
45
112 425
355
180
140
450
355
50
150
560
R40/3
53
160 600
500
R20 56
200 710
Dimensions supplémentaires
212
800 710
R20/3
224 850
710
R40/3
Dimensions principales
5
APPENDICE
274
APPENDICE
Usure des ls Lorsqu’elles sont neuves, les toiles ont des mailles carrées formées par le croisement de ls de grosseur uniforme (voir la gure A.2, p. 271). Toutefois, après un usage prolongé des tamis, les ls s’usent en raison de l’abrasion causée par les particules qui traversent les mailles. En effet, les ls diminuent de diamètre et peuvent même se rompre, laissant ainsi passer des particules plus grosses, ce qui a pour effet de modier la granulométrie du matériau. Aux chapitres 3 et 6, nous avons expliqué que la granulométrie d’un matériau a une très grande inuence sur plusieurs facteurs qui permettent de le qualier. Il est donc très important que les résultats de l’analyse granulométrique soient exacts et ables, d’où la nécessité d’établir des normes qui limitent l’utilisation de tamis dont les toiles sont trop usées ou déformées.
Exigences et vérications des toiles métalliques La précision du tamisage de contrôle dépend essentiellement de la précision des dimensions des ouvertures des tamis. Il est donc très important que ces dimensions répondent à des exigences très strictes. Le diamètre des ls des toiles est soumis à des exigences moins rigoureuses que le diamètre des ouvertures, car son inuence est moins signicative sur les résultats du tamisage. Lors de la vérication des tamis, on calcule la dimension des mailles et des ls pour les comparer aux tolérances spéciées servant à établir leur conformité. Cette procédure peut être réalisée par le laboratoire ou par un organisme certié qui délivre un certicat d’étalonnage. Méthode de vérication La vérication des tamis se fait en comparant des mesures effectuées sur un tamis avec des mesures faites sur un tamis de référence. Le contrôle des tamis peut aussi se faire avec des billes de verres calibrées. On doit vérier minutieusement les dimensions des ouvertures, car la précision du tamisage en dépend. Pour les tamis de 20 ouvertures ou moins, il faut vérier toutes les mailles. Dans les autres cas, la vérication se fait par étapes. Elle doit commencer par un examen de l’aspect du tamis (évaluation des défauts de tissage, des plis, des rides, des corps étrangers, etc.), se poursuivre par un examen méthodique des ouvertures
individuelles à l’aide de la méthode handicap1, pour nir par la mesure des dimensions des ouvertures et du diamètre du l en vue de vérier si elles sont conformes aux tolérances. Lorsqu’un tamis ne correspond plus aux tolérances spéciées, la marque sur la plaque du bâti doit être effacée et le tamis rejeté. Tolérances sur les ouvertures Les tolérances de la dimension des ouvertures évaluées séparément dans les directions de la chaîne et de la trame se calculent à partir des équations suivantes : Aucune dimension d’ouverture ne doit dépasser la dimension nominale de plus de X, avec
L’ouverture moyenne ne doit pas s’écarter de l’ouverture nominale de ± Y avec
w étant l’ouverture de maille en µm. De même, l’écart type (σ) des dimensions des ouvertures est calculé à l’aide de la formule suivante :
N étant le nombre total d’ouvertures ; k étant un coefcient fourni par la norme. La dimension des ls (d) ne doit pas dépasser un intervalle de ± 15 % des valeurs nominales données dans la norme ISO 565. La norme ISO 3310-1 indique les limites des tolérances admissibles pour les ouvertures ainsi que les dimensions limites admissibles des ls et les valeurs maximales des écarts types. Toutes ces exigences sont reprises dans les tableaux A.4 et A.5 (voir p. 276 et 278). Exemples de calcul des tolérances Pour faciliter la compréhension des calculs nécessaires à l’établissement des tolérances données dans le tableau de la norme ISO 3310-1, nous présenterons quelques cas dans les pages qui suivent.
1. La méthode handicap consiste à examiner minutieusement et systématiquement l’aspect de toutes les ouvertures an de découvrir celles qui ont une trop grande dimension. Un observateur expérimenté peut repérer les ouvertures trop grandes dépassant de 10 % la valeur moyenne, car elles sont visibles à l’œil nu ou sur une image agrandie.
Le tamis de contrôle
1 EXEMPLE D’APPLICATION A.1
Tamis à mailles carrées de 630 µm
275
divisera ensuite par 1000 les valeurs obtenues pour connaître les tolérances en millimètres.
Soit
X = 811 µm
Calculons, à titre d’exemple, les tolérances pour un tamis à mailles carrées de 630 µm de la série R20. SOLUTION
Y = 387 µm
X = 93,5 µm
Y = 19,9 µm L’ouverture moyenne ne doit pas s’écarter de ± Y. Par conséquent, un tamis de 630 µm devra présenter une ouverture moyenne des mailles comprise entre 608 et 652 µm, puisque : 630 + Y = 630 + 19,9 = 649,9 µm et 630 − Y = 630 − 19,9 = 610,1 µm. Puisque le diamètre du l pour le tamis de 630 µm est de 400 µm et que les tolérances sont de ± 15 % ; on obtiendra des tolérances variant de :
L’ouverture moyenne ne doit pas s’écarter de ± Y. Alors, dans le cas d’un tamis à mailles carrées de 14 mm, l’ouverture moyenne devrait être comprise entre : 14 + 0,387 = 14,387 mm et 14 − 0,387 = 13,613 mm. Diamètre des ls Le diamètre des ls pour le tamis de 14 mm est de 2,8 mm. Les diamètres maximal (dmax) et minimal (dmin) admissibles sont : 2,8 × 1,15 = 3,2 mm et
400 × 1,15 = 460 µm à 400 × 0,85 = 340 µm. On comprendra qu’il est difcile de mesurer de si petites ouvertures de mailles à moins d’utiliser une broche calibrée, par exemple, ou de procéder selon la méthode handicap. 1 EXEMPLE D’APPLICATION A.2
Tamis dont les mailles sont supérieures à 1 mm Reprenons l’exemple précédent, mais cette fois avec un tamis à mailles carrées de 14 mm. Comme précédemment, on gardera la valeur w en micromètres pour obtenir une plus grande précision dans les calculs, car la valeur des exposants inue sur les résultats. On
2,8 × 0,85 = 2,4 mm.
Entretien L’entretien et le nettoyage des tamis sont très importants pour s’assurer de leur durabilité et de leur efcacité ainsi que de la délité des mesures. Les toiles des tamis doivent constamment faire l’objet de vérications : elles doivent être tendues et être exemptes de déformations ou de plis. Après chaque utilisation, les tamis doivent être nettoyés pour enlever les particules qui pourraient encore être coincées dans les mailles et affecter la performance ultérieure du tamis. À cette n, il est très important d’utiliser les brosses ou balais appropriés (voir la gure A.3, page suivante) pour chaque type de tamis. Par exemple, une brosse métallique convient pour le nettoyage d’un
APPENDICE
276
APPENDICE
FIGURE A.3 Brosse et balais pour les tamis
sufsant pour déloger toutes les matières dans les parties plus difciles d’accès. Pour ce faire, il existe un appareil qui permet le nettoyage des tamis à mailles nes. Il s’agit du bain ultrasonique ou bain à ultrasons (voir la gure A.4) qui permet de nettoyer rapidement et efcacement les tamis. La procédure de nettoyage accélérée se fait dans une cuve qui contient une solution nettoyante. La production d’ondes ultrasoniques (hautes fréquences) dans cette cuve fait en sorte que des millions de bulles microscopiques se forment. Ces bulles implosent et créent des perturbations du liquide autour de la pièce à nettoyer, ce qui déloge les particules et les impuretés coincées dans les mailles. Des entreprises spécialisées offrent le service d’entretien des tamis et certient leur travail.
tamis dont les mailles sont fabriquées avec des ls métalliques de gros diamètre, mais pas pour les tamis de toiles à mailles très nes.
FIGURE A.4 Bain à ultrasons
Il faut effectuer le nettoyage et le dégraissage du fond et de la monture des tamis à des fréquences qui dépendent de l’utilisation du tamis et de la nature des matériaux à tamiser. Les tamis à mailles visibles à l’œil sont faciles à nettoyer : un simple rinçage à l’eau et l’élimination des particules coincées sur le bâti ou entre les mailles sont sufsants. Par contre, le nettoyage des tamis à mailles très nes, comme le tamis de 80 µm d’ouverture par exemple, est plus difcile, car des particules peuvent colmater la toile. Un simple rinçage à l’eau n’est pas TABLEAU A.4 Dimensions, tolérances et diamètres (mm) Dimensions nominales des ouvertures1 Dimensions principales R20/3
Tolérances sur les ouvertures 2
Dimensions supplémentaires R20
R40/3
Tolérance sur une ouverture +
Tolérance sur la moyenne des ouvertures
Diamètres des ls2
Écart type maximal
±
σ0
Dimensions nominales recommandées nom
max
min
1
2
3
4
5
7
8
9
125
125
125
4,056
3,296
8,0
9,2
6,8
3,739
2,960
8,0
9,2
6,8
3,590
2,805
6,3
7,2
5,4
6,3
7,2
5,4
6,3
7,2
5,4
112 106 100 90
90
90
80 75 71 63
63
63
6
Dimensions limites admissibles
3,438
2,649
3,180
2,389
2,915
2,129
6,3
7,2
5,4
2,779
1,999
6,3
7,2
5,4
2,668
1,894
5,6
6,4
4,8
2,443
1,685
5,6
6,4
4,8
(
)
Le tamis de contrôle
277
TABLEAU A.4 Dimensions, tolérances et diamètres (mm) (suite) Dimensions nominales des ouvertures1 Dimensions principales
Tolérances sur les ouvertures 2
Dimensions supplémentaires
R20/3
R20
R40/3
1
2
3
56 53 50 45
45
45
40 37,5 35,5 31,5
31,5
31,5
28 26,5 25 22,4
22,4
22,4
20 19 18 16
16
16
14 13,2 12,5 11,2
11,2
11,2
10 9,5 9 8
8
8
7,1 6,7 6,3 5,6
5,6
5,6
5 4,75 4,5 4
4
4
3,55 3,35 3,15 2,8
2,8 2,5
2,8
Tolérance sur une ouverture +
Tolérance sur la moyenne des ouvertures
Diamètres des ls2
Écart type maximal
±
σ0
Dimensions nominales recommandées
Dimensions limites admissibles
nom
max
min
7
8
9
5,0
5,8
4,3
5,0
5,8
4,3
5,0
5,8
4,3
1,000
4,5
5,2
3,8
1,080
1,000
4,5
5,2
3,8
1,014
1,000
4,5
5,2
3,8
1,601
0,961
1,000
4,0
4,6
3,4
1,467
0,855
0,907
4,0
4,6
3,4
1,345
0,762
0,801
3,55
4,1
3,0
1,292
0,722
0,757
3,55
4,1
3,0
1,238
0,682
0,714
3,55
4,1
3,0
1,143
0,613
0,641
3,55
4,1
3,0
1,052
0,548
0,575
3,15
3,6
2,7
1,013
0,522
0,547
3,15
3,6
2,7
0,974
0,495
0,520
3,15
3,6
2,7
0,894
0,441
0,467
3,15
3,6
2,7
0,811
0,387
0,413
2,8
3,2
2,4
0,777
0,365
0,392
2,8
3,2
2,4
0,747
0,346
0,374
2,5
2,9
2,1
0,690
0,311
0,339
2,5
2,9
2,1
0,636
0,279
0,307
2,5
2,9
2,1
0,613
0,265
0,294
2,24
2,6
1,9
0,589
0,251
0,281
2,24
2,6
1,9
0,542
0,224
0,254
2,0
2,3
1,7
0,497
0,200
0,229
1,8
2,1
1,5
0,477
0,189
0,218
1,8
2,1
1,5
0,456
0,178
0,207
1,8
2,1
1,5
0,420
0,159
0,188
1,6
1,9
1,3
0,387
0,142
0,171
1,6
1,9
1,3
0,373
0,135
0,164
1,6
1,9
1,3
0,359
0,128
0,157
1,4
1,7
1,2
0,330
0,114
0,143
1,4
1,7
1,2
0,304
0,102
0,130
1,25
1,5
1,06
0,292
0,096
0,124
1,25
1,5
1,06
0,279
0,091
0,118
1,25
1,5
1,06
0,257
0,081
0,108
1,12
1,3
0,95
0,238
0,073
0,098
1,0
1,15
0,85
4
5
2,240
1,501
2,150
1,423
2,060
1,344
1,906
1,212
1,748 1,667
6
(
)
APPENDICE
278
APPENDICE
TABLEAU A.4 Dimensions, tolérances et diamètres (mm) (suite) Dimensions nominales des ouvertures1 Dimensions principales
Tolérances sur les ouvertures 2
Dimensions supplémentaires
R20/3
R20
R40/3
1
2
3 2,36
2,24 2
2
2
1,8 1,7 1,6 1,4
1,4
1,4
1,25 1,18 1,12 1
1
1
Tolérance sur une ouverture
Tolérance sur la moyenne des ouvertures
+
Diamètres des ls2
Écart type maximal
±
σ0
4
5
6
Dimensions nominales recommandées
Dimensions limites admissibles
nom
max
min
7
8
9
0,228
0,069
0,094
1
1,15
0,85
0,220
0,065
0,090
0,9
1,04
0,77
0,204
0,059
0,083
0,9
1,04
0,77
0,189
0,053
0,076
0,8
0,92
0,68
0,182
0,050
0,073
0,8
0,92
0,68
0,175
0,047
0,070
0,8
0,92
0,68
0,159
0,042
0,063
0,71
0,82
0,60
0,148
0,038
0,058
0,63
0,72
0,54
0,142
0,036
0,056
0,63
0,72
0,54
0,137
0,034
0,053
0,56
0,64
0,48
0,127
0,030
0,049
0,56
0,64
0,48
Note : Étant donné qu’il y a peu d’ouvertures, l’écart type n’est pas signicatif. Toutes les ouvertures s’appliquent à l’armature unie, mais l’armature croisée est admise pour les ouvertures de 45 µm et moins. Il faut toutefois que les tamis à armature unie et ceux à armature croisée aient des caractéristiques de tamisage différentes.
1. Selon les tableaux A.2 et A.3 (voir p. 272 et 273) tirés de la norme ISO 565. 2. Tiré de la norme ISO 3310-1.
TABLEAU A.5 Dimensions, tolérances et diamètres (μm) Dimensions nominales des ouvertures1 Dimensions principales
Tolérances sur les ouvertures 2
Dimensions supplémentaires
R20/3
R20
R40/3
1
2
3
900 850 800 710
710
710
630 600 560 500
500
500
450 425 400
Tolérance sur une ouverture +
Tolérance sur la moyenne des ouvertures ±
Diamètres des ls2
Écart type maximal σ0
Dimensions nominales recommandées
Dimensions limites admissibles
nom
max
min
4
5
6
7
8
9
118,3
27,6
45,5
500
580
430
113,9
26,2
43,6
500
580
430
109,4
24,8
41,8
450
520
380
101,1
22,2
38,4
450
520
380
93,5
19,9
35,2
400
460
340
90,6
19,0
34,0
400
460
340
86,6
17,9
32,4
355
410
300
80,5
16,2
30,0
315
360
270
75,2
14,7
27,9
280
320
240
72,5
14,0
26,8
280
320
240
69,8
13,3
25,7
250
290
210
279
Le tamis de contrôle
TABLEAU A.5 Dimensions, tolérances et diamètres (μm) (suite) Dimensions nominales des ouvertures1 Dimensions principales
Tolérances sur les ouvertures 2
Dimensions supplémentaires
R20/3
R20
R40/3
1
2
3
355
355
355
315 300 280 250
250
250
224 212 200 180
180
180
160 150 140 125
125
125
112 106 100 90
90
90
80 75 71 63
63
63
56 53 50 45
45
45
Tolérance sur une ouverture +
Tolérance sur la moyenne des ouvertures ±
Diamètres des ls2
Écart type maximal σ0
4
5
6
Dimensions nominales recommandées
Dimensions limites admissibles
nom
max
min
7
8
9
64,7
12,0
23,7
224
260
190
60,0
10,8
21,9
200
230
170
58,2
10,4
21,2
200
230
170
55,8
9,8
20,3
180
210
150
52,0
8,9
18,8
160
190
130
48,7
8,1
17,5
160
190
130
47,1
7,8
16,9
140
170
120
45,4
7,4
16,3
140
170
120
42,7
6,8
15,3
125
150
106
39,8
6,3
14,2
112
130
95
38,3
6,0
13,7
100
115
85
36,8
5,7
13,1
100
115
85
34,5
5,2
12,2
90
104
77
32,4
4,8
11,5
80
92
68
31,4
4,7
11,1
71
82
60
30,4
4,5
10,8
71
82
60
28,6
4,2
10,1
63
72
54
26,8
3,9
9,5
56
64
48
25,9
3,7
9,1
50
58
43
25,1
3,6
8,9
50
58
43
23,6
3,4
8,3
45
52
38
22,1
3,2
7,8
40
46
34
21,5
3,1
7,6
36
41
31
20,9
3,0
7,3
36
41
31
19,7
2,8
6,9
32
37
27
18,6
2,7
6,5
32
37
27
18,1
2,6
6,4
30
35
24
17,6
2,6
6,2
30
35
24
32
16,6
2,4
5,9
28
33
23
25
14,8
2,2
5,2
25
29
21
20
13,3
2,1
4,7
20
23
17
40 38 36 R10
Note : Étant donné qu’il y a peu d’ouvertures, l’écart type n’est pas signicatif. Toutes les ouvertures s’appliquent à l’armature unie, mais l’armature croisée est admise pour les ouvertures de 45 µm et moins. Il faut toutefois que les tamis à armature unie et ceux à armature croisée aient des caractéristiques de tamisage différentes.
1. Selon les tableaux A.2 et A.3 (voir p. 272 et 273) tirés de la norme ISO 565. 2. Tiré de la norme ISO 3310-1.
SOLUTION DES PROBLÈMES
CHAPITRE
3
1 a) La masse des particules retenues sur le tamis de 2,5 mm est de 239,1 g. Elle dépasse la valeur maximale de 200 g par tamis. Bien qu’elle soit conforme à la masse minimale requise, la prise d’essai était trop volumineuse pour un tamisage efcace. Les résultats manquent de précision. Pour améliorer l’efcacité de la procédure, le tamisage aurait dû être effectué en deux étapes.
b) Calcul de la granularité
Solution des problèmes
c) Courbe granulométrique
281
282
CHAPITRE 3
2 a) Granularité et module de nesse du sable
Solution des problèmes
b) Courbe granulométrique du sable
283
284
CHAPITRE 3
3 a) Granularité du granulat n
Solution des problèmes
b) Perte au tamisage 100 × (595,3 − 594,2) / 595,3 = 0,18 % c) Courbe granulométrique du matériau
d) Coefcients d’uniformité et de courbure Cu = D60/D10 = 0,9/0,17 = 5,3 Cc = (D30)2/(D60 × D10) = (0,375)2/0,9 × 0,17 = 0,9
285
286
CHAPITRE 3
4 a) Granularité de la criblure
b) Perte au tamisage
Solution des problèmes
c) Courbe granulométrique du matériau
d) Le sable analysé au problème n° 3 est plus n pour les particules dont la taille est supérieure à 315 µm. La criblure contient plus de particules nes et de ller. mm Tamis
µm
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
Sable (n° 3)
100
97
92
72
47
24
9
3,8
Criblure (n° 4)
100
96
66
45
31
22
14
10,2
287
288
CHAPITRE 3
5 a) Granularité du matériau
b) Module de nesse
Solution des problèmes
c) Courbe granulométrique
d) Il s’agit d’un sable n à granulométrie serrée et mal graduée. e) Il s’agit d’un sable n, la masse minimale de prise d’essai requise est de 100 g. (0,5 + 1,5 + 5,1 + 21,4 + 64,1 + 92,9) / 100 = 1,86 f) Non, le sable est trop n (mf = 1,86) pour constituer, tel qu’il est, un bon sable à béton. 6 a) Granularités de la partie grossière et de la partie ne du gravier
289
290
CHAPITRE 3
b) Granularité du gravier c) Coefcient d’uniformité et coefcient de courbure du gravier
d) Description de la courbe granulométrique : gravier à granulométrie étalée et mal graduée.
Solution des problèmes
7 a) Granularité de la pierre concassée
mm Tamis
20
14
10
5
2,5
Tamisats cumulés (%)
100
88
42
2
0
b) La granularité est très serrée, mais elle est à la limite du très serré et du serré. De plus, elle est mal graduée, car la valeur du coefcient d’uniformité est de 2,0 et celle du coefcient de courbure est de 1,0 8 a) Courbe granulométrique du granulat utilisé pour le béton
b) Comme on peut le voir sur la courbe granulométrique, il existe un palier entre les tamis de 5 mm et 10 mm. Il s’agit d’un granulat dont la granulométrie est étalée, mal graduée et discontinue. De plus, il manque des particules dont le diamètre est compris entre 5 et 10 mm.
291
292
CHAPITRE 3
9 a) Courbe granulométrique du matériau de fondation
b) Comme on peut le voir sur la courbe granulométrique, il s’agit d’un granulat à granulométrie étalée, continue et mal graduée. 10 Fuseau granulométrique et granularité moyenne de la criblure mm
11
µm
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
Fuseau granulométrique
100
77-95
43-69
28-46
21-31
15-24
10-15
6,2-10,3
Granularité moyenne
100
88
56
36
25
18
13
9,2
Solution des problèmes
a) Module de nesse : (20 + 30 + 40 + 56 + 82 + 93)/100 = 3,21 b) La granularité du sable en réserve est trop grossière (voir la colonne « Exigences » dans le formulaire ci-dessus). Il faut réduire le module de nesse en enlevant la fraction de particules dont la dimension est supérieure à 5 mm. Le passant au tamis de 5 mm totalise 100 % et les passants aux autres tamis sont divisés par 80 % (voir la colonne « Granularité corrigée » dans le formulaire ci-dessus). Le nouveau module de nesse sera de 2,50. Calcul du module de nesse après correction de la granulométrie : (0 + 12 + 25 + 45 + 77 + 91)/100 = 2,50
293
294
CHAPITRE 3
c) Quantité de sable à peser : 710 / 0,80 = 887,5 kg d) Masse de pierre 10-5 mm à soustraire : (887,5 − 710) × 15 / 20 = 133,1 kg e) Masse de pierre 14-10 mm : (887,5 − 710) × 5 / 20 = 44,4 kg (vérication : 44,4 + 133,1 = 177,5 kg) 12 a) La grosseur maximale est de 28 mm, car c’est le plus petit tamis sur lequel on retrouve un passant de 100 %.
b) La grosseur nominale maximale est de 20 mm, car c’est la dimension du plus petit tamis de la série normalisée qui est supérieure au premier tamis dont le retenu est supérieur à 10 %. c) Le tamisage effectué au-dessus des trémies à chaud revient théoriquement à découper la courbe granulométrique du combiné en trois parties par trois verticales correspondant aux diamètres précités. On a recueilli 53 % du combiné dans la trémie à chaud n° 1 (lecture directe de la courbe granulométrique) et 25 % (78 % − 53 %) dans la trémie à chaud n° 2, puisque 78 % du combiné a un diamètre inférieur à 14 mm et 53 % a un diamètre inférieur à 6,3 mm. Dans la trémie à chaud n° 3, on a recueilli 22 % (100 % − 78 %) du combiné total. On obtient la granularité des granulats de la trémie à chaud n° 1 en appliquant la règle suivante : % des tamisats cumulés sur le tamis < 6,3 mm = Par exemple, dans le cas du tamis de 5 mm où 47 % du granulat total traverse ce tamis, on aura dans la trémie à chaud n°1 : % des tamisats cumulés sur le tamis de 5 mm = Pour le tamis 2,5 mm, on aura : On obtient ainsi la granularité du granulat de la trémie à chaud n° 1. mm
Tamisats cumulés (%)
µm
6,3
5
2,5
1,25
630
315
160
80
100
89
66
53
40
26
17
9,4
Dans la trémie à chaud n° 2, tous les granulats traversent le tamis de 14 mm, mais sont retenus sur le tamis de 6,3 mm. Le pourcentage des tamisats cumulés (% TC) sur le tamis de 10 mm du granulat recueilli dans la trémie à chaud n° 2 s’obtient de la façon suivante :
Soit entre les tamis : On obtient ainsi la granularité du granulat de la trémie à chaud n° 2. mm
Tamisats cumulés (%)
14
10
6,3
100
48
0
Dans la trémie à chaud n° 3, tout le matériau passe le tamis de 28 mm, mais il est retenu sur le tamis de 14 mm.
Solution des problèmes
Le tableau ci-dessous indique les granularités et la gure présente les courbes granulométriques correspondantes.
µm
mm
Tamis
Trémies à chaud n° 1
n° 2
n° 3
28
100
100
100
20
100
100
86
14
100
100
0
10
100
48
6,3
100
0
5
89
2,5
66
1,25
53
630
40
315
26
160
17
80
9,4
295
296
CHAPITRE 4
CHAPITRE
4
1
Masse humide : 527 kg 2
Masse sèche : 1000 kg 3
Volume de la gâchée d’essai de béton : 0,038 m3 4 Sachant que
V = volume total du matériau granulaire Vs = volume solide des particules Vv = volume des vides on a, par dénition, Or,
et
, avec la relation , donc
, soit
,
d’où l’on tire les deux relations en isolant n et e :
soit
puisque n est exprimé en pourcentage.
5
Porosité du sable siliceux = 41 % 6 Le volume de la première pierre est égal à
La masse de la nouvelle pierre sera 0,364 × 2,700 × 1000 = 983 kg.
Solution des problèmes
7 À partir des formules de la norme LC (voir le laboratoire 4, p. 205), la densité et l’absorption
combinées sont
abs = 11 % × 1,01 % + 26 % × 0,98 % + 45 % × 0,62 % + 18 % × 0,49 % = 0,73 % Densité brute du combiné : 2,659
Absorption du combiné : 0,73 %
8 On détermine d’abord la masse du granulat en soustrayant la masse du moule à la masse du moule + granulat.
Masse du granulat : 5745 – 174 = 5571 g On fait ensuite les calculs suivants : 1. Calcul de la masse volumique :
2. Calcul de la teneur en eau (pourcentage) :
3. Calcul de la masse du granulat sec :
4. Calcul de la masse volumique sèche :
5. Calcul du degré d’absorption : 6. Calcul de la densité sèche et de la densité SSS :
7. Calcul de la masse SSS : Calcul de la masse volumique SSS :
Calcul de la porosité :
297
298
CHAPITRE 4
8. Calcul de l’indice des vides : On peut maintenant remplir le tableau des propriétés. Propriétés ρ
Masse volumique
1971
kg/m3
ρd
Masse volumique sèche
1843
kg/m3
dB
Densité sèche
2,665
dsss
Densité SSS
2,682
abs
Absorption
0,61
%
ω
Teneur en eau
6,9
%
n
Porosité
31
%
e
Indice des vides
0,45
9 On commence par remplir le côté massique du diagramme. La masse humide ou encore la masse totale (Mt) obtenue en laboratoire est égale à 4485,8 g.
Avec la teneur en eau de 4,5 % obtenue en laboratoire, on peut trouver la masse sèche (Ms) :
Sachant que la masse totale est la somme de la masse des solides et de la masse d’eau, Mt = Ms + Mw, la masse d’eau est égale à :
Du côté volumique du diagramme, comme 1 litre est égal à 1000 cm3, le volume total (Vt) du contenant utilisé est égal à 2831,0 cm3 : En sachant que la masse volumique de l’eau est égale à 1 g/cm3, que la masse volumique des solides est égale à
et que
on peut trouver le volume des solides (Vs) : La masse volumique de l’eau étant de 1 g/cm3, on peut trouver le volume d’eau (Vw) :
Finalement, le volume total est la somme du volume des solides et du volume des vides Vt = Vs + Vv et le volume des vides est la somme du volume d’eau et du volume d’air. Le volume des vides est donc égal à : Le volume d’air est égal à :
Solution des problèmes
a) Diagramme des différentes phases
b) Calcul de la masse volumique totale :
Calcul de la masse volumique sèche :
Calcul de la masse volumique des solides :
c) Calculs de l’indice des vides : Calcul de la porosité : 10 a) Note : Seule la démarche pour le procédé par pelletage est montrée ici. Calcul de la masse volumique du granulat humide :
Calcul de la masse du granulat sec :
Calcul de la masse volumique du granulat sec : Calcul de la masse volumique des solides du granulat : puisque 1 cm 3 d’eau a une masse de 1 g. Calcul du volume des solides :
299
300
CHAPITRE 4
Calcul du volume des vides :
.
Finalement, l’indice des vides est égal à :
Caractéristiques (paramètres)
Valeurs État lâche – procédé par pelletage
État tassé – procédé par pilonnage 25 coups/couche
État tassé – procédé par pilonnage 56 coups/couche
1678,5
1720,0
1769,7
Masse volumique du granulat humide (g/cm3)
1,793
1,838
1,891
Masse du granulat sec (g)
1552,7
1591,1
1637,1
Masse volumique du granulat sec (g/cm3)
1,659
1,700
1,749
Masse volumique des solides du granulat (g/cm3)
2,730
2,730
2,730
Volume des solides (cm3)
568,8
582,8
599,7
Volume des vides (cm3)
367,2
353,2
336,3
Indice des vides
0,65
0,61
0,56
Masse du granulat humide (g)
L’indice des vides diminue en fonction du nombre de coups/couche utilisés pour remplir le moule. b) Pour une même teneur en eau, si on veut atteindre une masse volumique plus élevée et un indice des vides plus faible, l’énergie de compaction doit être plus élevée. Le volume des vides est ainsi diminué en étant remplacé par des particules. Il en résulte donc un arrangement plus serré des particules, ce qui confère une plus grande résistance au cisaillement, compte tenu du frottement et de l’enchevêtrement plus important à l’intérieur du granulat. 11 a) Calcul du volume total : largeur × longueur × épaisseur ⇒ 3,6 × 1000 × 0,3 = 1080 m3
= 2430 tonnes (t) La masse de matériau à l’état sec requis est de 2 430 000 kg, soit 2430 t. b) Calcul de la masse de matériau à transporter :
= 2513 t La masse de matériau à transporter est de 2 512 620 kg, soit 2513 t.
Solution des problèmes
c) Il faut élever la teneur en eau de 5,2 % – 3,4 % = 1,8 % :
Il faut ajouter 43 740 kg, soit 44 tonnes d’eau pour élever la teneur en eau à celle spéciée au devis. 12 a) On doit d’abord trouver la masse sèche des deux granulats :
Pierre :
Masse sèche : 104,3 kg Sable :
Masse sèche : 75,4 kg On peut ensuite trouver la masse d’eau libre des deux granulats : Pierre : Masse d’eau libre : 0,1 kg Sable : Masse d’eau libre : 2,0 kg Masse totale d’eau libre : 12 kg + 0,1 kg + 2,0 kg = 14,1 kg b) On doit d’abord trouver les masses volumiques de chaque matériau : Eau : ρw = dw × 1000 ⇒ ρw = 1 × 1000 = 1000 kg/m 3 Ciment : ρciment = dciment × 1000 ⇒ ρciment = 3,15 × 1000 = 3150 kg/m3 Pierre : ρpierre sss = dsss × 1000 ⇒ ρpierre sss = 2,69 × 1000 = 2690 kg/m3 Sable : ρsable sss = dsss × 1000 ⇒ ρsable sss = 2,64 × 1000 = 2640 kg/m3 On peut ensuite trouver le volume de chaque constituant : Eau :
301
302
CHAPITRE 5
Ciment :
Pierre :
Sable :
Air : 5,6 % Volume total de la gâchée :
c) La teneur en eau du sable augmente de 2,5 %. On veut savoir combien d’eau cela représente.
Pour garder les mêmes caractéristiques du béton, on doit enlever 1,89 kg d’eau à 12 kg d’eau. Il faudrait donc utiliser 10,11 kg d’eau en plus de la quantité d’eau à adapter selon la condition de la pierre.
CHAPITRE
5
1 La perte se dénit ainsi :
Comme la perte au tamis de 1,70 mm est de 1000 g, on conclut que la masse refusée sur ce même tamis est de 4000 g.
Le pourcentage de perte est de 20 %, et comme la norme NQ 2560-114, Travaux de génie civil – Granulats, limite à 50 % le pourcentage de perte dans le cas des granulats routiers, ce granulat est acceptable pour construire la fondation d’une chaussée. Évidemment, l’acceptabilité de ce matériau dépend de l’acceptabilité des autres caractéristiques (intrinsèques, de fabrication et complémentaires).
Solution des problèmes
2 Comme l’indice colorimétrique est supérieur à 3, le sable n’est pas acceptable pour la fabrication du béton. Par contre, si les cubes de mortier fabriqués à partir de ce même sable sont acceptables selon la norme CSA A23.2-8A, on peut accepter ce sable dans la fabrication des bétons. 3 Le gros granulat calcaire dont il est question ici contient trop de particules traversant le tamis de 80 µm (exigences pour béton de ciment ≤ 1,0 %). Cependant, avant de rejeter un tel granulat, il est nécessaire d’effectuer une étude minéralogique sur ces particules qui traversent le tamis de 80 µm. Si l’examen pétrographique montre que les nes particules qui sont contenues dans le gros granulat sont des particules de calcaire saines, on pourra alors utiliser le gros granulat tel quel et compenser en utilisant un granulat n contenant peu de particules passant le tamis de 80 µm. Si l’examen au microscope montre qu’il s’agit de particules de calcaire altérées, d’argile, de shale ou contenant des minéraux susceptibles de réagir avec les alcalis du ciment, il faudra absolument laver ce gros granulat. 4 La norme CSA A23.1-14 spécie un maximum de 1,0 % de particules friables pour le granulat n utilisé dans la fabrication du béton de ciment. De son côté, la norme NQ 2560-114 spécie un maximum de 2,0 % pour la fabrication des enrobés bitumineux. Un granulat n contenant 1,5 % de telles particules n’est donc pas acceptable pour la fabrication de bétons de ciment, mais il est acceptable pour la fabrication d’enrobés bitumineux. 5 Le grade d’essai est le grade C selon la norme LC 21-400, puisque les fractions qui prédominent sont le passant 10,0 mm-retenu 6,3 mm ainsi que le passant 10,0 mm-retenu 5,0 mm avec un pourcentage d’environ 25 % de retenu sur la plus petite fraction chacun.
Les masses à insérer dans l’appareil sont 2500 ± 10 g de granulats de dimension 10,06,3 mm et 2500 ± 10 g de granulats de dimension 6,3-5,0 mm. La masse de la prise d’essai est de 5000 ± 10 g, et la masse de la charge abrasive est de 3330 ± 20 g avec 8 boulets.
CHAPITRE
6
1 Si a est la longueur d’un côté du cube et a/2 est le rayon des sphères aux quatre coins
du système, la diagonale d’un côté est de : On veut maintenant calculer la diagonale qui passe par deux sommets opposés du cube. Pour ce faire, on prend un triangle de hauteur a et de longueur . La diagonale du cube est donc de :
Le diamètre maximal de la sphère incluse au centre d’un système cubique simple est donc cette diagonale de laquelle on soustrait le rayon des deux sphères opposées :
303
304
CHAPITRE 6
2 Si le rayon des sphères est r, et l’arête du cube est a, la diagonale du cube a pour
longueur
.
Or, cette diagonale est aussi égale à r + 2r + r = 4r, d’où Le nombre de sphères compris dans le cube est égal à Le volume solide est donc La porosité de l’assemblage cubique centré est :
En divisant numérateur et dénominateur par a3, on obtient
Cette porosité est comprise entre celle du système cubique à face centrée et celle du système cubique simple. 3 La porosité d’un mélange de granulats dépend de la diversité de la taille des grains, de la forme des grains ainsi que de l’arrangement de ceux-ci. Dans la gure 6.4 (voir p. 94), la granulométrie n’est pas un facteur à considérer puisque les deux graphiques utilisent les mêmes distributions de dimension des grains. Le pourcentage de vide plus élevé du granite concassé est expliqué par le fait qu’en général, le granite donne des granulats plus cubiques que le gravier. Ainsi, les vides dans le granulat constitué de granite sont plus gros et les particules ne sont pas aussi serrées que dans un gravier. 4 Calcul de la perméabilité du matériau :
D10 = 80 µm ou 80 × 10 –4 cm, soit 8 × 10 –3 cm k = 100(D10)2 = 100 × 64 × 10 –6 cm/s k = 6,4 × 10 –3 cm/s 5 Calcul de la variation de la perméabilité :
D10 = d : k = 100(d)2 = 100d2 D10 = 2d : k = 100(2d)2 = 400d2 La perméabilité est quatre fois supérieure. 6 Calcul de la hauteur d’ascension capillaire :
Solution des problèmes
7 Le sol est gélif. En traçant la courbe du sol sur la gure 6.15 (voir p. 102), on constate que plus de 60 % du sol se situe dans cette zone. Il s’agit d’un sable graveleux avec 30 % de particules nes. L’action du gel sur ce sol est donc considérée comme modérée. 8 Le sol est fortement gélif. En traçant la courbe du sol sur la gure 6.15 (voir p. 102), on constate que 50 % du sol se situe dans cette zone. Nous sommes en présence d’un sable avec 50 % de particules nes (sable et silt). L’action du gel sur ce sol est donc très importante. 9 Le sol est moyennement gélif. En traçant la courbe du sol sur la gure 6.15 (voir p. 102), on constate que le sol se situe dans cette zone. Comme le sol est composé de silt et d’argile, l’action du gel sur ce sol est modérée. 10
CHAPITRE
7
1 a) Le matériau appartient à la classe granulaire 0/5.
b) Selon les caractéristiques intrinsèques, le matériau est de catégorie 1. 2 Selon les caractéristiques intrinsèques, le matériau est de catégorie 3 ; la qualité minimale exigée est la catégorie 5e. Le pourcentage de matières organiques est inférieur à 0,8, tandis que la valeur de bleu est inférieure à l’exigence de 0,20.
Il est possible d’utiliser le matériau comme fondation s’il contient 50 % et plus de particules fracturées, soit l’exigence minimale pour l’appartenance à la catégorie e selon les caracté ristiques de fabrication. 3 Le matériau de désignation MG 20 est de catégorie 3a, alors que la qualité minimale exigée est la catégorie 5e. De plus, le nombre pétrographique de 150 indique un matériau de bonne qualité.
Ce granulat calcaire de désignation MG 20 peut être utilisé comme fondation.
305
306
CHAPITRE 7
4
Si on trace, sur un même graphique, la courbe granulométrique du sable et le fuseau granulométrique correspondant à la désignation BC 80 µm-5, qui est recommandée pour les sables pour béton, on s’aperçoit que la courbe granulométrique du sable est presque entièrement contenue dans le fuseau recommandé. Il n’y a qu’au niveau du tamis de 5 mm que la courbe granulométrique du sable déborde légèrement du fuseau. En effet, le sable contient un peu trop de particules grossières d’un diamètre compris entre 5 et 10 mm. Note : Cela se produit souvent dans le cas des sables naturels. En effet, comme il est difcile de cribler des sables humides sur des cribles ayant des mailles de 5 mm, les producteurs de sable se voient obligés de cribler leur sable sur des tamis avec des mailles de 7 à 8 mm. Ainsi, dans certains cas, le refus sur le tamis de 5 mm dépasse légèrement le maximum de 5 % permis. Doit-on pour autant refuser un tel sable dont la majeure partie de la courbe granulométrique est comprise dans le fuseau BC 80 µm-5 ? Avant de refuser un tel sable, il faut effectuer une coupure au niveau du tamis de 5 mm an de vérier si le tamisat correspondant est encore compris dans le fuseau BC 80 µm-5. Si tel est le cas, il suft alors d’assimiler le refus sur le tamis de 5 mm à du gros granulat et de corriger en conséquence le dosage en sable et en gros granulat. Dans le cas du sable qui nous intéresse, on peut vérier si le tamisat au niveau du tamis de 5 mm, qui représente 90 % de la masse totale du sable, est bien compris dans le fuseau BC 80 µm-5. Il suft de diviser par les différents tamisats pour obtenir ceux du sable corrigé. Si, pour fabriquer 1 m3 de béton, il faut utiliser 700 kg de sable SSS de calibre BC 80 µm-5, on calcule :
de sable SSS brut pour être sûr d’avoir 700 kg de sable entièrement
contenu dans le fuseau BC 80 µm-5. Dans ce cas, il ne faut pas oublier de peser 80 kg de pierre 10-5 mm de moins par mètre cube de béton pour compenser la présence des particules de sable retenues sur le tamis de 5 mm.
Solution des problèmes
5 Selon les exigences dénies dans la norme NQ 2560-114, pour un gros granulat destiné à la fabrication des enrobés bitumineux prévus pour les surfaces de roulement des autoroutes, la catégorie minimale exigée est 3c. Les caractéristiques intrinsèques et de fabrication de ce gravier concassé indiquent qu’il est de catégorie 2b, soit une qualité supérieure à celle de la catégorie 3c.
Le granulat ne doit pas contenir plus de 1,0 % de particules de dimension inférieure à 80 et le coefcient de polissage par projection doit être d’au moins 0,45. Le gravier analysé répond à ces exigences. De plus, le nombre pétrographique de 135 indique un matériau de bonne qualité. On peut donc utiliser ce gravier comme gros granulat pour fabriquer l’enrobé bitumineux. 6 Ce matériau recyclé est de catégorie MR-4. Il peut être utilisé comme couche de roulement granulaire de routes non revêtues, mais aussi comme matériau de sous-fondation et transition, de coussin, d’enrobage de conduite et de couche anticontaminante. Il peut aussi être utilisé comme matériau pour accotement et remblai.
On peut aussi l’employer comme matériau de fondation routière, mais sous réserve de la vérication de l’épaisseur de l’enrobé bitumineux qui pourrait nécessiter une augmentation. 7 Oui, le matériau peut entrer dans la composition d’un enrobé à chaud utilisé en couche de base, car il est de catégorie 1 (exigence minimale : catégorie 2). Il contient 1,2 % de mottes d’argile, alors que cette caractéristique peut atteindre 2,0 %. Le coefcient d’écoulement est de 100 et le matériau contient 2,5 % de particules inférieures à 5 µm, en comparaison à des valeurs spéciées respectives de 80 au minimum et de 5 % au maximum.
Bien qu’il soit acceptable selon ses caractéristiques intrinsèques, de fabrication et complémentaires, en le comparant aux exigences granulométriques des enrobés de couche de base GB-20 et ESG-14, ce matériau ne serait pas acceptable. 8 Selon ses caractéristiques granulométriques, le matériau est de désignation MG 20 ou MG 31,5. Selon ses caractéristiques intrinsèques et de fabrication, et s’il provient d’une carrière, situation où toutes les faces des particules sont fracturées, il est de catégorie 3a et conviendrait pour la couche de fondation.
Le matériau ne contient pas sufsamment de particules nes pour être utilisé tel quel comme couche de roulement ou comme accotement. 9 La catégorie du matériau est conforme, mais la granulométrie ne répond pas aux exigences dénies dans la norme 4301 pour les matériaux utilisables comme couche de base d’un traitement de surface multicouche (TS6, TS1 et TS2).
La granularité et la catégorie sont conformes aux exigences pour un traitement de surface monocouche (TS5), mais la granulométrie n’est pas conforme à l’exigence du TS3. 10 Le matériau est conforme aux exigences granulométriques d’un matériau de désignation MG 112, et selon les caractéristiques intrinsèques disponibles, il est de catégorie 5e. L’utilisation qui a été faite est adéquate puisqu’elle requiert un matériau de catégorie 6 qui ne comporte pas d’exigences sur le pourcentage de particules fracturées ni sur le pourcentage de particules plates et allongées.
307
308
CHAPITRE 8
CHAPITRE
8
1 Granularité du combiné (3A + B) mm
µm
10
5
2,5
1,25
630
315
160
Sable A
100
100
100
90
65
35
10
Sable B
100
95
80
50
25
10
2
75 % sable A (3A)
75
75
75
68
49
26
8
25 % sable B (B)
25
24
20
13
6
3
1
100
99
95
80
55
29
8
Combiné (3A + B)
2 Granularité du combiné mm
µm
28
20
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
80 % gravier
80
70
62
56
42
28
20
12
7
4
1,6
20 % criblure
20
20
20
20
20
14
11
8
6
5
2,6
100
90
82
76
62
42
31
20
13
9
4,2
Combiné
3 Pour toutes les combinaisons possibles des deux granulats, le pourcentage passant maximal qu’il est possible d’obtenir au tamis de 630 µm est de 39. On ne peut donc pas combiner ces granulats pour atteindre la valeur de 40 %. Comme le montre le graphique, la ligne de combinaison qui passe par 40 % au tamis de 630 µm est à l’extérieur du carré représentant les granulats.
4 La plus grande différence qu’on observe entre les pourcentages des tamisats cumulés pour les deux sables de base est 50 % sur le tamis de 1,25 mm. Pour satisfaire à cette exigence, il
faudra une proportion de sable n égale à
.
Solution des problèmes
Calcul de la granularité du combiné ainsi déni mm
µm
10
5
2,5
1,25
630
315
160
60 % n
60
60
60
54
39
24
9
40 % grossier
40
36
32
16
8
1
0
Combiné
100
96
92
70
47
25
9
Granularité visée
100
98
90
70
45
23
6
0
−2
+2
0
+2
+2
+3
Différence
Le plus grand écart observé est +3 % sur le tamis de 160 µm. Étant donné que la majorité des différences sont positives, on peut conclure que le combiné est un peu trop n, donc trop riche en sable n. On peut essayer un mélange composé de 55 % de sable n et de 45 % de sable grossier. mm
µm
10
5
2,5
1,25
630
315
160
55 % n
55
55
55
50
36
22
8
45 % grossier
45
41
36
18
9
1
0
Combiné
100
96
91
68
45
23
8
Granularité visée
100
98
90
70
45
23
6
0
−2
+1
−2
0
0
+2
Différence
On obtient le module de nesse du sable en additionnant les pourcentages des refus cumulés et en divisant le total par 100. mm
Refus cumulés (%)
µm
5
2,5
1,25
630
315
160
4
9
32
55
77
92
mf = 2,69
5 Granularité du combiné mm
µm
28
20
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
65 % trémie n° 1
65
65
65
65
65
45
33
20
14
9
3,9
20 % trémie n° 2
20
20
20
14
0
15 % trémie n° 3
15
5
0
100
90
85
79
65
45
33
20
14
9
3,9
Combiné
309
310
CHAPITRE 8
6
Il faut choisir la ligne de combinaison correspondant à 15 % de sable et 85 % du combiné intermédiaire (combiné 1) qui correspond à 24 % de pierre et 61 % de criblure.
Résultat de ce combiné mm 14
µm
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
%
Sable
15
15
15
15
14
12
7
2
0,8
15
Criblure
61
61
57
41
25
18
13
10
7,2
61
Pierre
24
21
1
0
0
Combiné
100
97
74
56
40
30
20
12
8,0
Fuseau imposé
100
94-100
66-78
45-65
30-50
20-40
14-29
7-18
4,0-10,0
Médiane du fuseau
100
97
72
55
40
30
22
13
7,0
0
0
+2
+1
0
0
−2
−1
+1,0
Différence
24
Le combiné répond aux exigences granulométriques et la différence entre les valeurs obtenues et la médiane sont faibles. Cependant, le pourcentage passant le tamis de 80 µm est élevé et si l’utilisation de ce combiné ne requiert pas l’imperméabilité, il y a lieu de rendre le mélange moins n en diminuant la proportion de la criblure. Par exemple, le combiné constitué de 30 % de pierre, de 55 % de criblure et de 15 % de sable donne la granularité suivante :
100
Solution des problèmes
mm
µm
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
%
Sable
15
15
15
15
14
12
7
2
0,8
15
Criblure
55
55
52
37
23
17
12
9
6,5
55
Pierre
30
27
2
1
1
Combiné
100
97
69
53
37
29
19
11
7,3
Fuseau imposé
100
94-100
66-78
45-65
30-50
20-40
14-29
7-18
4,0-10,0
Médiane du fuseau
100
97
72
55
40
30
22
13
7,0
Différence
0
0
−3
−2
−3
−1
−3
−2
+0,3
30 100
On peut réduire davantage le passant au tamis de 80 µm. Par exemple, avec les proportions respectives de 30-40-30, on obtiendrait un pourcentage passant au tamis de 80 µm de 6,3 %. On peut aussi s’approcher plus de la médiane en modiant la première combinaison comme dans la solution suivante où les écarts combiné-médiane sont très faibles par rapport à la combinaison précédente. mm
µm
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
%
Sable
16
16
16
16
15
13
7
2
0,8
16
Criblure
58
58
55
39
24
17
13
9
6,8
58
Pierre
26
23
2
1
1
Combiné
100
97
72
55
40
30
20
11
7,7
Fuseau imposé
100
94-100
66-78
45-65
30-50
20-40
14-29
7-18
4,0-10,0
Médiane du fuseau
100
97
72
55
40
30
22
13
7,0
Différence
0
0
0
0
0
0
−2
−2
+0,7
26 100
En dénitive, les conditions propres aux travaux à réaliser et les dispositions prévues dans les devis dicteront le choix d’une combinaison plutôt qu’une autre. 7 Granularité du combiné mm
µm
28
20
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
40 % sable
40
40
40
39
34
30
26
19
9
4
2,8
50 % gravier concassé
50
50
42
36
21
15
10
7
6
5
3,5
10 % pierre
10
6
0
Combiné
100
96
82
75
55
45
36
26
15
9
6,3
Granularité visée
100
95-100
65-88
48-78
34-55
24-45
16-39
9-31
6-23
4-15
3,0-8,0
311
312
CHAPITRE 8
Le combiné est compris dans le fuseau imposé. Cependant, on constate qu’il est à la limite inférieure pour le tamis de 20 mm et à la limite supérieure pour les tamis de 5 mm et 2,5 mm ; il peut donc être amélioré. 8
En choisissant comme tamis limites 630 µm pour le n et 5 mm pour le moyen, les trois granulats et le milieu du fuseau se composent ainsi. Gros
Moyen
Fin
I
0
100 − 55 = 45
55
II
100 − 52 = 48
52 − 5 = 47
5
III
100 − 3 = 97
3−1=2
1
100 − 65 = 35
65 − 25 = 40
25
Combiné
On doit vérier si le combiné entre bien dans le fuseau. mm
µm
20
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
41 % de I
41
41
41
41
40
29
23
17
12
6,2
46 % de II
46
46
41
24
16
8
2
2
1
0,9
13 % de III
13
10
2
0
0
0
0
Combiné
100
97
84
65
56
37
25
19
13
7,1
Milieu du fuseau
100
90
80
65
43
25
14
7,0
0
+7
+4
0
−6
0
−1
+0,1
Différence
Solution des problèmes
Il n’y a pas lieu de retoucher le combiné, car il s’écarte également du milieu du fuseau sur les tamis de 14 mm et de 1,25 mm. 9 Puisqu’il y a quatre granulats à mélanger, on choisit la méthode mathématique. La première équation s’écrit :
X1 + X2 + X3 + X4 = 1 (équation 1) En choisissant les tamis de 14 mm, 5 mm et 630 µm pour dénir les autres équations, et en visant la médiane du fuseau, on aura : tamis de 14 mm : X1 + X2 + X3 + 0,35X4 = 0,765 (équation 2) tamis de 5 mm : X1 + 0,78X2 + 0,02X3 + 0,01X4 = 0,445 (équation 3) tamis de 630 µm : 0,91X1 + 0,18X2 = 0,200 (équation 4) où X1, X2, X3 et X4 représentent respectivement les proportions de chacun des granulats 1, 2, 3 et 4. La résolution du système de 4 équations à 4 inconnues, à l’aide d’un tableur électronique, donne les résultats suivants : granulat 1 (X1) = 15 % granulat 3 (X3) = 12 %
granulat 2 (X2) = 38 % granulat 4 (X4) = 35 %
Il faut vérier si ce combiné entre bien dans le fuseau : mm 28
µm
20
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
15 % granulat 1
15
15
15
15
15
15
14
14
9
3
0,5
38 % granulat 2
38
38
38
38
30
20
12
7
4
3
2,7
12 % granulat 3
12
12
12
8
0
35 % granulat 4
35
28
12
1
0
Combiné
100
93
77
62
45
35
26
21
13
6
3,2
Fuseau imposé
100
95-100
65-88
48-78
34-55
24-45
16-39
9-31
6-23
4-15
3,0-8,0
Médiane du fuseau
100
98
77
63
45
35
28
20
15
10
5,5
Différence
0
−5
0
−1
0
0
−2
+1
−2
−4
−2,3
Le combiné n’entre pas dans le fuseau au tamis de 20 mm et toutes les différences par rapport à la médiane du fuseau sont négatives, il y a donc lieu d’augmenter la teneur en granulat n du combiné. Pour ce faire, on augmente la proportion du granulat 3 et on réduit d’autant celle du granulat 4. Après quelques essais (2 ou 3 sufsent) effectués à l’aide d’un tableur électronique, on a retenu les proportions suivantes : granulat 1 (X1) = 15 % ; granulat 2 (X2) = 38 % ; granulat 3 (X3) = 20 % ; granulat 4 (X4) = 27 %.
313
314
CHAPITRE 8
Le combiné correspondant est : mm 28
µm
20
14
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
15 % granulat 1
15
15
15
15
15
15
14
14
9
3
0,5
38 % granulat 2
38
38
38
38
30
20
12
7
4
3
2,7
20 % granulat 3
20
20
20
13
0
27 % granulat 4
27
22
9
1
0
Combiné
100
95
82
67
45
35
26
21
13
6
3,2
Fuseau imposé
100
95-100
65-88
48-78
34-55
24-45
16-39
9-31
6-23
4-15
3,0-8,0
Médiane du fuseau
100
98
77
63
45
35
28
20
15
10
5,5
Différence
0
−3
+5
+4
0
0
−2
+1
−2
−4
−2,3
Notez qu’il existe plusieurs autres solutions. Par exemple, la combinaison 15-35-25-25 est intéressante, mais on ne la retient pas pour la seule raison que la somme des écarts combinémédiane au carré est plus élevée, soit 111, alors qu’elle est de 83 pour la combinaison retenue. 10 Après quelques essais, à l’aide d’un tableur électronique, la combinaison suivante a été retenue.
sable naturel (X1) = 10 % sable manufacturé (X2) = 20 % criblure (X3) = 35 % pierre 5-10 (X4) = 35 % Il ne s’agit que d’une solution parmi tant d’autres. Le combiné correspondant est : mm 14
µm
10
5
2,5
1,25
630
315
160
80
10 % sable naturel
10
10
10
10
10
8
5
1
0,5
20 % sable manufacturé
20
20
19
13
9
5
3
2
1,0
35 % criblure
35
33
24
17
14
11
9
6
4,3
35 % pierre
35
30
2
1
Combiné
100
93
55
41
33
24
17
9
5,8
Fuseau imposé
100
92-100
50-65
27-50
18-42
12-35
8-26
5-17
4,0-10,0
Médiane du fuseau
100
96
58
39
30
24
17
11
7,0
Différence
0
−3
−3
+2
+3
0
0
−2
−1,2
GLOSSAIRE
A
Abrasif : Matériau granulaire étendu sur les routes et les trottoirs verglacés pour améliorer l’adhérence des véhicules ou des piétons an d’assurer la viabilité hivernale.
Boues de lavage : Particules solides très nes recueillies après sédimentation ou centrifugation à l’issue du traitement des eaux de lavage d’une centrale à béton, puis transportées vers des sites agréés pour être éliminées.
Abrasion : Usure par frottement.
C
Absorption : Quantité d’eau absorbée par une particule ou par un granulat. Elle s’exprime sous forme de pourcentage de la masse sèche de la particule ou du granulat.
Calcite : Une des formes cristallisées du carbonate de calcium.
Accotement : Espace aménagé entre le revêtement et la crête intérieure d’un fossé ou la crête extérieure d’un remblai. Adsorption : Phénomène par lequel un gaz ou un liquide est retenu à la surface d’un solide. Alcali : Nom générique des bases (soude, potasse, etc.). Anneau de broyage (ou bol) : Dans un concasseur giratoire, cuve xe dans laquelle les blocs de roche sont broyés par la noix qui est animée d’un mouvement giratoire. Ascension capillaire : Ascension de l’eau dans un sol sous l’effet de forces capillaires. Assise : Ensemble des éléments constituant la structure de la route et comprenant le revêtement, la fondation et la sous-fondation. Attrition : Production de particules nes par frottement entre les granulats. Autoroute : Voie de communication à chaussées séparées, exclusivement réservée à la circulation rapide, ne comportant aucun croisement à niveau et accessible seulement à partir de points aménagés à cet effet. B
Ballast : Granulat grossier assez uniforme utilisé dans la construction des voies ferrées. Ballastière : Dépôt meuble d’où l’on extrait des matériaux granulaires divers. Banc d’emprunt : Lieu où l’on fait des emprunts granulaires. Bande transporteuse : Bande de caoutchouc qui se déplace sur des rouleaux et qu’on utilise pour transporter des granulats.
Calibre d’un granulat : Enveloppe granulométrique d’un granulat. Capillarité : Phénomène par lequel un sol ou un granulat est capable de retenir ou de faire monter de l’eau plus ou moins facilement dans les espaces interparticulaires, à l’encontre des lois de la gravité. Caractéristiques complémentaires : Caractéristiques dues en partie à la fabrication, à la composition ou à la provenance d’un matériau granulaire et qui constituent des critères d’acceptation additionnels. Servent à vérier la durabilité des granulats. Caractéristiques de fabrication : Caractéristiques d’un granulat découlant du processus de sa fabrication. Caractéristiques intrinsèques : Caractéristiques propres au granulat ou aux particules. Carotte : Échantillon cylindrique tiré d’un terrain au moyen d’un carottier. Carrière : Endroit où l’on extrait des produits minéraux qui ne sont ni un minerai métallique ni du charbon, mais plutôt des roches utilisées dans l’industrie de la construction. Cendre volante : Ensemble des particules récupérées par les systèmes de dépoussiérage des centrales thermiques au charbon ; proviennent des impuretés contenues dans le charbon pulvérisé utilisé comme combustible. Sont fondues dans la amme des brûleurs et se condensent sous forme de très petites sphères sans structure cristalline. Chaussée : Surface de roulement des véhicules comportant une ou plusieurs voies de circulation dont les dimensions varient selon les besoins. Classe granulaire (d/D ; 0/D) : Écart entre le plus petit diamètre représentatif d’un granulat et son plus grand diamètre représentatif. Sert à dénir les limites granulométriques d’un granulat.
316
Glossaire
Clinkérisation : Processus par lequel les matières premières entrant dans la fabrication du ciment portland sont chauffées à très haute température pour devenir le clinker.
Criblage : Fractionnement par grosseurs différentes des particules d’un granulat à l’aide d’un crible. Crible à barreaux : voir Scalpeur.
Clivage : Propriété d’un minéral de se déliter suivant des plans ayant des liaisons atomiques faibles.
Criblure de pierre (criblure) : Fraction la plus ne recueillie lors du concassage d’une pierre et dont 100 % des particules sont fracturées.
Coefcient d’uniformité : Coefcient servant à caractériser l’uniformité de la granulométrie d’un granulat.
Critères de gélivité : Ensemble de critères permettant d’établir si un sol est a priori gélif ou non gélif.
Coefcient de courbure : Coefcient servant à caractériser la forme de la courbe granulométrique d’un granulat. Combiné granulométrique : Granulat obtenu en mélangeant deux ou plusieurs granulats. Compacité : Notion qui traduit l’importance du volume des particules solides par rapport au volume des vides dans un matériau granulaire. Contamination : Mélange accidentel de deux granulats ayant des granulométries différentes ou introduction de matière indésirable dans un matériau granulaire sain. Couche anticontaminante : Couche de matériaux granulaires servant à prévenir la contamination entre deux couches de granularité différente. Couche de roulement : Surface d’enrobé bitumineux lisse et unie sur laquelle se déplacent les véhicules. Couche de roulement granulaire : Couche de granulats placée à la surface des accotements et des routes non revêtus. Couche ltrante : Couche de matériaux granulaires servant à prévenir la contamination et à assurer l’écoulement vers les matériaux adjacents. Courbe granulométrique creuse : Courbe granulo métrique dont la concavité est tournée vers le haut. Courbe granulométrique médiane : Courbe granulométrique obtenue en faisant la moyenne des deux courbes limites du fuseau granulométrique. Courbe granulométrique moyenne : Courbe granulométrique obtenue en faisant la moyenne des pourcentages passants sur chacun des tamis pour un ensemble d’échantillons. Courbe granulométrique pleine : Courbe granulo métrique dont la concavité est tournée vers le bas. Coussin : Couche de matériaux granulaires utilisée sous les structures, les bâtiments, les ponceaux et les conduites.
Cryosuccion : Phénomène thermodynamique qui fait remonter l’eau contenue dans un sol jusqu’au niveau du front de gel par l’aspiration de l’eau liquide par les cristaux de glace. Est à l’origine de la formation des lentilles de glace quand le front de gel se stabilise à un niveau donné dans un sol gélif. Cubique : Se dit d’une particule concassée ayant une forme plutôt ramassée. D
Débiteur : Nom qu’on donne quelquefois au concasseur primaire dans une carrière de pierre. Débourbage : Lavage d’un granulat naturel pour en ôter la boue. Décohésionnement : Technique de retraitement des chaussées d’enrobé bitumineux effectuée sur place et qui consiste à concasser le revêtement pour le réutiliser en place comme granulats avec ou sans liant. Découverte : Mise à nu du site d’une carrière par suite de l’enlèvement des sols organiques et du mort terrain recouvrant la formation rocheuse qu’on a l’intention d’exploiter. Densité : Rapport entre la masse d’un certain volume de matériau et la masse du même volume d’eau à la même température. Dépôt consolidé : Roche mère de cohésion plus ou moins grande nécessitant un dynamitage avant son exploitation. Dépôt deltaïque : Accumulation de sédiments qui se sont déposés dans les deltas de cours d’eau. Dépôt éolien : Accumulation de sédiments transportés sous l’action du vent. Dépôt uviatile : Accumulation de sédiments transportés par les cours d’eau. Dépôt lacustre : Accumulation de sédiments déposés au fond d’un lac. Dépôt meuble : Amoncellement de granulats naturels non consolidés (exempts de cohésion).
Glossaire
317
Développement durable : Gestion à long terme des ressources naturelles qui fait en sorte que leur développement demeure équitable socialement, viable économiquement et respectueux de l’environnement dans lequel se trouvent ces ressources.
État sec : État où tous les pores ouverts sur le milieu extérieur et le pourtour des particules ne contiennent pas d’eau.
Diamètre effectif : Diamètre caractéristique servant à calculer des propriétés spéciques des courbes granulométriques.
F
État SSS : voir État saturé superciellement sec (SSS).
Feldspath : Silicate double d’aluminium et d’un métal alcalin ou alcalino-terreux.
Durabilité : Caractéristique associée à la pérennité des matériaux en présence d’environnements agressifs.
Filler : Matière minérale en poudre dont les dimensions sont comprises entre 0 et 315 μm ; utilisée dans certains enrobés bitumineux ou dans les ciments composés.
E
Fines : Partie du granulat dont les particules sont de dimensions comprises entre 0 et 80 μm.
Eaux de lavage : Dans une centrale à béton, eaux provenant notamment du lavage des cuves des camions ou des différentes aires de travail. Doivent être traitées pour être décontaminées avant d’être réutilisées ou rejetées dans l’égout. Échantillon : Fraction d’un lot qui, prise globalement, est représentative des propriétés de ce lot. Effet baignoire : Expression caractérisant la forme du front de gel lors du dégel. Emprunt granulaire : Matériau granulaire prélevé à l’extérieur de l’emprise d’une chaussée. Enrobage : Couche de matériaux granulaires utilisée autour des structures, des ponceaux, des conduites et des câbles. Enrobé à chaud : Mélange de granulat et de bitume préparé à chaud dans une centrale d’enrobé et destiné à être posé à chaud. Enrobé à froid : Mélange de granulat et de liant bitumineux, fabriqué habituellement à chaud dans une centrale et destiné à être posé à froid. Épaufrure : Éclatement des arêtes et des extrémités des particules d’un granulat. Essais : Épreuves auxquelles on soumet les matériaux et les ouvrages pour vérier leur conformité aux normes et aux exigences des plans et devis.
Fondation : Couche de granulat qui sert à reprendre les charges dans une assise de chaussée, placée entre la sous-fondation et le revêtement ; parfois séparée en deux couches distinctes : la fondation supérieure et la fondation inférieure. Foreuse mécanique : Appareil motorisé utilisé pour percer le roc ou prélever des échantillons de granulat, de sol ou de roc. Fourniture des matériaux : Ensemble des opérations touchant l’achat, le transport au site des travaux, la manutention et l’entreposage des matériaux, ainsi que toutes dépenses accessoires. Fraction ne : Partie d’un granulat traversant un tamis de 5 mm. Fraction grossière : Partie d’un granulat retenue sur un tamis de 5 mm. Front de gel : Ligne délimitant la partie gelée et non gelée dans un sol. Front de taille : Face rocheuse dynamitée dans une carrière. Fuseau granulométrique : Enveloppe des courbes granulométriques d’un matériau ; par extension, courbes granulométriques limites entre lesquelles peut varier la granulométrie d’un matériau utilisé pour un besoin précis. G
Étang de sédimentation : Étang dans lequel on laisse les eaux de lavage d’une installation de lavage des granulats se débarrasser de toutes les particules nes qu’elles ont pu entraîner.
Gabion : Panier fait de ls de fer dans lequel on place des galets ou des pierres. Sert à retenir de la terre, du gravier ou du sable comme le ferait un mur de soutènement.
État humide : État où l’on retrouve l’état SSS avec en plus un lm d’eau autour de la particule.
Gélivité : Propriété relative au comportement d’un sol ou d’un matériau granulaire sous l’effet du gel.
État saturé superciellement sec (SSS) : État où tous les pores ouverts sur le milieu extérieur présentent un ménisque à la surface de la particule.
Gisement à face ouverte : Carrière de pierre, de gravier ou de sable déjà exploitée, et permettant d’observer la stratigraphie du dépôt.
318
Glossaire
Granularité : Répartition dimensionnelle des particules d’un granulat. Granulat : Ensemble de particules de matière solide provenant de roches meubles ou consolidées ou de matériaux recyclés. Granulat bitumineux récupéré (GBR) : Granulat issu du concassage d’un enrobé bitumineux pour remplacer une partie des granulats vierges dans un nouvel enrobé. Granulat concassé : Granulat obtenu par concassage. Granulat de béton recyclé (GBR) : Granulat issu du concassage d’un béton de ciment pour remplacer une partie des granulats vierges dans un nouveau béton. Granulat n : Portion d’un granulat traversant un tamis de 5 mm ; par extension, ce terme sert aussi à désigner le tamisat sur le tamis de 5 mm d’un granulat à granulométrie étalée. Granulat humide : Granulat où, dans toutes les particules, tous les pores ouverts sur le milieu extérieur sont remplis d’eau, et où les espaces intergranulaires retiennent aussi une certaine quantité d’eau. Granulat routier : Granulat utilisé dans la construction de routes. Granulat saturé : État d’un granulat où, dans toutes les particules, tous les pores ouverts sur le milieu extérieur sont remplis d’eau, et où les espaces intergranulaires sont aussi entièrement remplis d’eau. Granulat saturé superciellement sec (SSS) : Granulat où, dans toutes les particules, tous les pores ouverts sur le milieu extérieur sont remplis d’eau, mais où il n’y a pas d’eau retenue dans les espaces intergranulaires. Granulat sec : Granulat où, dans chacune des particules, tous les pores ouverts sur le milieu extérieur ne contiennent pas d’eau, et où il n’y a pas d’eau retenue dans les espaces intergranulaires. Granulométrie : Mesure des dimensions des particules d’un granulat, donnée par des tamis de contrôle à mailles carrées. Granulométrie continue : Granularité dans laquelle il ne manque pas de particules de diamètre intermédiaire. Granulométrie discontinue : Granularité caractérisée par l’absence de particules de diamètre intermédiaire. Granulométrie étalée : Granularité caractérisée par la présence de particules au diamètre très variable.
Granulométrie uniforme : Granularité caractérisée par la présence de particules ayant presque toutes le même diamètre. Grave : Mélange de sable et de gravillon de granularité continue et dont les dimensions sont comprises entre 0 et une dimension maximale comprise entre 5 mm et 80 mm. Gravier concassé : Matériau obtenu par concassage d’un dépôt meuble avec un certain pourcentage de particules concassées. Gravière : Dépôt meuble d’où l’on extrait du gravier. Gros granulat : Ensemble de particules dont le diamètre est supérieur à 5 mm ; par extension, terme servant aussi à désigner le refus sur le tamis de 5 mm d’un granulat à granulométrie étalée. Grosseur maximale : Dimension du tamis à mailles carrées le plus petit à travers lequel passent 100 % des particules d’un granulat. Gypse : Sulfate de calcium hydraté provenant de la décomposition de la pyrite ou de la pyrrhotite et dont la formule chimique est CaSO4• 2H2O. H
Humidité : Différence entre la teneur en eau totale et l’absorption d’un granulat ; désigne donc l’eau supercielle des particules et intergranulaire d’un matériau. I
Indice des vides : Rapport entre le volume des vides et le volume solide d’un matériau ; s’exprime en valeur décimale. Infrastructure d’une chaussée : Ensemble des terrassements qui supportent la chaussée et ses accotements, et dont la limite supérieure est appelée « ligne d’infrastructure ». L
Laitier de haut fourneau : Sous-produit de la fabrication de la fonte contenant toutes les impuretés du minerai de fer et du coke métallurgique ; leur composition chimique varie dans des limites étroites grâce à l’addition de fondants dans la charge du haut fourneau. Lentilles de glace : Accumulation de glace dans un sol sous l’action du gel au niveau du front de gel. Ligne de combinaison : Droite qui joint les tamisats de deux granulats donnés lorsqu’on les combine selon la méthode graphique dite « du carré ».
Glossaire
M
Masse volumique : Masse de l’unité de volume d’un matériau. Matériau (granulaire) : Toute matière ou tout produit (manufacturé ou non) entrant dans la construction d’un ouvrage. Matériau recyclé (MR) : Mélange composé, dans des proportions variables, de particules d’enrobés bitumineux, de béton, de brique de béton et de brique d’argile qui proviennent de la démolition d’infrastructures routières ou de bâtiments et qui sont ou non mélangés avec des granulats naturels. Matière délétère : Matière minérale ou organique pouvant affecter la qualité d’un granulat. Mica : Minéral à structure feuilletée formé de silico-aluminates. Mise en œuvre : Exécution des travaux par l’entrepreneur ; comprend la fourniture des matériaux, du matériel et des ouvrages temporaires nécessaires pour réaliser les ouvrages prévus dans les plans et devis. Module de nesse : Coefcient qui sert à caractériser la nesse d’un sable pour béton. Mort-terrain : Terrain recouvrant un gisement minéral ou une carrière et qui ne sera pas exploité commercialement. N
Noix de broyage : Pilon central d’un concasseur giratoire servant à broyer les blocs de roche et à en réduire la dimension. P
Particule : Fragment de matière solide minérale. Particule allongée : Particule d’un granulat dont la longueur est supérieure aux 9/5 de la dimension moyenne1. Particule fragmentée (caillou fragmenté) : Matériau comportant au moins une face fracturée par concassage et dont la surface représente au minimum le quart de la surface totale. Particule friable : Particule d’un granulat qui se désagrège sous la pression qu’on peut exercer entre le pouce et l’index.
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Particule légère : Particule d’un granulat dont la densité est inférieure à 2,0. Particule plate : Particule d’un granulat dont l’épaisseur est inférieure aux 3/5 de la dimension moyenne1. Particule plate et allongée : Particule d’un granulat dont l’épaisseur et la longueur correspondent à la fois aux dénitions de particule plate et de particule allongée. Perméabilité : Mesure de la facilité avec laquelle un matériau se laisse traverser par un uide, de l’eau en général. Pierre concassée : Matériau obtenu par concassage d’une roche mère provenant d’un matériau consolidé et dont les particules ont 100 % de leurs faces fracturées. Pierre nette : Granulat contenant très peu de nes et dont les particules ont une granulométrie uniforme. Porosité : Rapport en pourcentage entre le volume des vides et le volume apparent d’un matériau solide. Précribleur : Crible constitué de barres d’acier ayant un écartement xe, qu’on place en général à l’entrée des concasseurs primaires ou secondaires pour éliminer les particules les plus nes. Prélèvement : Quantité de matière prélevée en une seule fois dans une quantité de matière plus importante. Prise d’essai : Quantité de matériau utilisée pour réaliser un essai. Produits d’abattage : Ensemble de fragments de rocher obtenus par dynamitage dans une carrière. Pycnomètre : Petit acon utilisé pour mesurer la densité d’une poudre ou d’un liquide. Pyrite : Sulfure de fer (FeS) cristallisé (surnommé « or des fous ») présent dans certains calcaires et schistes du Québec sous forme de petits cubes brillants. Dans les remblais, cause des soulèvements dans des soussols de la Rive-Sud, dans la région de Montréal. Pyrrhotite : Sulfure de fer Fe1 – xS plutôt instable dans un environnement riche en oxygène et en eau, présent dans certaines roches du Québec. Dans des granulats pour béton, source des dommages considérables dans des sous-sols de maisons de la région de Trois-Rivières.
1. La dimension moyenne est la valeur moyenne entre l’ouverture du plus petit tamis à travers lequel passe la particule et celle du tamis sur lequel elle est refusée.
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Glossaire
Q
Quartage : Réduction de volume d’un échantillon sans modication de sa représentativité. Quartz : Une des formes cristallisées de la silice, appelée communément « cristal de roche ». R
Réaction alcalis-granulats : Réaction chimique entre les alcalis du ciment et certains granulats ; les réactions alcalis-granulats peuvent se produire après plusieurs années. Redan : Partie horizontale d’une pile de réserve à plusieurs couches. Refus : Partie de la charge retenue sur un tamis. Remblai : Matériau granulaire entassé au-dessus du sol naturel pour construire une route ou une digue. Retour de béton : Béton non utilisé sur le chantier et rapporté par le camion-malaxeur à la centrale à béton. S
Sable de concassage ou de broyage (sable manufacturé) : Granulat n provenant du concassage de gros granulat. Sable naturel : Granulat n qui n’a pas subi de concassage. Sablière : Dépôt meuble d’où l’on extrait du sable. Sauterelle : Bande transporteuse inclinée dont l’extrémité élevée peut être xe ou mobile. Utilisée pour constituer des réserves de granulat. Scalpeur : Crible de grosse dimension constitué de barres espacées (et non de mailles) servant à séparer les plus gros blocs de roches et les impuretés lors des opérations de fabrication des granulats. Peuvent servir de protection des cribles souvent plus petits et donc plus fragiles. Aussi appelé « crible à barreaux » ou « grizzly ». Scorie : Résidu minéral récupéré lors de l’afnage de certains minerais métalliques et dont la structure est généralement très poreuse. Les scories volcaniques sont des roches très poreuses résultant de la solidication des laves projetées par les volcans en éruption.
Ségrégation : Séparation naturelle ou accidentelle des particules nes et grosses dans un granulat à granulométrie étalée. Sol gélif : Sol qui se déforme sous l’action des effets du gel ou de cycles de gel et de dégel. Sous-fondation : Couche de granulat qui sert à éliminer les eaux de ruissellement dans une assise de chaussée ; placée entre la fondation et le terrain naturel ou l’infrastructure. Stratigraphie : Domaine de la géologie qui étudie la succession des dépôts sédimentaires généralement arrangés en couches. T
Tamisat : Partie de la charge passée à travers un tamis. Tarière : Outil en forme de vrille, manuel ou motorisé, utilisé pour faire des trous dans le sol. Teneur en eau totale : Quantité d’eau qu’il est possible de faire évaporer d’un granulat en le séchant dans une étuve à 110 °C ou dans un four à microondes, ou avec toute autre source de chaleur. Traitement de surface : Procédé consistant à appliquer une émulsion de bitume immédiatement suivi de l’épandage, puis du compactage des granulats à l’aide d’un rouleau compresseur. Trémie : Sorte de réservoir en forme de pyramide quadrangulaire tronquée et renversée. Trommel : Tube cylindrique perforé dans lequel on lave des granulats sales. U
Usine d’élaboration : Ensemble des installations de concassage et de criblage situées en aval du concasseur primaire. V
Valeur au bleu (VB) : Quantité de bleu de méthylène adsorbée pour 100 g de sol. Utilisée pour détecter la présence de minéraux argileux dans les granulats routiers. Vis débourbeuse : Vis sans n servant à nettoyer des granulats ns sales dans un bac ad hoc.
SOURCES ICONOGRAPHIQUES
Couverture : (gauche) : Sonic_S / Shutterstock.com ; (droite, haut) : Westend61 GmbH / Media Bakery ; (droite, bas) : danishkhan / iStockphoto. Ouverture des chapitres : (gauche) : OgnjenO / iStockphoto ; (droite) : Sieboldianus / iStockphoto. Bandeaux : Jonathan Snow / Shutterstock.com. Chapitre 1 : p. 2 gure 1.1 (a, b), p. 3 gures 1.2 et 1.3 (a, b), p. 5 gure 1.4 et p. 6 gure 1.7 : © PierreClaude Aïtcin ; p. 9 gure 1.10 : © Marc Tellier. Chapitre 2 : p. 18 gure 2.1 : © Pierre-Claude Aïtcin ; p. 20 gure 2.2 (a, b, c, d, e, f, g, h), p. 24 gures 2.5, 2.6 et 2.7 (a, b) et p. 25 gure 2.7 (c, d) : © Frédéric Généreux. Chapitre 3 : p. 51 gure 3.19 (a) : © Pierre-Claude Aïtcin ; gure 3.19 (b, c) : © Frédéric Généreux. Chapitre 4 : p. 66 gure 4.5 (a, b, c) et p. 68 gure 4.9 : © Frédéric Généreux. Chapitre 5 : p. 83 gure 5.1 (a, b, c, d) : © PierreClaude Aïtcin ; p. 85 gure 5.2 (a, b) : © Arezki Tagnit-Hamou / Université de Sherbrooke ; p. 86 gure 5.5 (a, b, c) : Association des consommateurs pour la qualité dans la construction © Albanie Morin ; p. 87 gures 5.6 et 5.7 (a, b) : © Benoît Fournier / Université Laval. Chapitre 6 : p. 100 gure 6.10 : © Pierre-Claude Aïtcin ; p. 101 gure 6.11 : © Yves Savard / Gracieuseté du MTQ ; gure 6.12 : © Michel Dysli ; p. 104 gure 6.19 : (a, b) © Pierre-Claude Aïtcin. Chapitre 9 : p. 158 gures 9.3, 9.4, 9.5 et 9.6 : Courtoisie de la sablière Lagacé ; p. 159 gures 9.7, 9.8 (a, b, c) et 9.9 et p. 160 gures 9.10, 9.11, 9.12, 9.13, 9.14 et 9.15 : Courtoisie de DJL ; p. 161 gures 9.16, 9.17, 9.18, 9.19 et 9.20 et p. 162 gure 9.21 : Courtoisie de Les carrières de SaintDominique ; gure 9.22 : Courtoisie de François Routhier ; gures 9.23 et p. 164 gure 9.24 : Courtoisie de Les carrières de Saint-Dominique ; p. 164 gures 9.26 et 9.27 et p. 165 gures 9.28, 9.29 et 9.30 : © Marc Tellier ; p. 166 gure 9.31 : Courtoisie de DJL ; p. 167 gure 9.32 : © Marc Tellier ; gure 9.33 (a, b) : Courtoisie de DJL et François Routhier ; p. 169 gure 9.36 : © Marc Tellier ; p. 170 gures 9.38 et 9.39, p. 171 gure 9.41, p. 172 gures 9.42, 9.43 et 9.44 et p. 173 gures 9.45, 9.46 et 9.47 : Courtoisie de Les carrières de Saint-Dominique ; p. 177 gure 9.48 : © Elena Elisseeva / Shutterstock.com ; gure 9.49 :
© Groupe CSL inc. : © Alain Boily / Boily Photo ; gure 9.50 : © V J Matthew, / Shutterstock ; gure 9.51 : © Radoslav Elimov / Exxon Mobil Corporation. Chapitre 10 : p. 182 gure 10.2 : IStock 482854769 ; p. 183 gures 10.3, 10.4 et 10.5 : © Pierre-Claude Aïtcin ; p. 184 gure 10.6 : © Frédéric Généreux ; p. 185 gure 10.7 : © David Petit ; gure 10.8 : © Frédéric Généreux ; p. 186 gures 10.9, 10.10, 10.11 et 10.12 : © Pierre-Claude Aïtcin ; p. 187 gure 10.13 : © Frédéric Généreux. Laboratoires (ouverture) ; p. 190 (gauche) : thevinman / iStockphoto ; (droite) : Sieboldianus / iStockphoto ; p. 191 (gauche) : Sieboldianus / iStockphoto ; (droite) : Jonathan Snow / Shutterstock.com. Laboratoire 1 : p. 193 gures L1.1, L1.2, L1.3 et L1.4, p. 194 gures L1.5, L1.6, L1.7 et L1.8, p. 195 gures L1.9 et L1.10 et p. 196 gures L1.11 et L1.12 : © Frédéric Généreux. Laboratoire 2 : p. 197 gures L2.1 et L.2.2 et p. 198 gure L2.3 (a, b, c, d) : © Frédéric Généreux. Laboratoire 3 : p. 200 gures L3.1 et L3.2, p. 201 gure L3.3 et p. 202 gure L3.4 : © Frédéric Généreux. Laboratoire 4 : p. 205 gure L4.1, p. 206 gure L4.2 (a, b, c), p. 207 gures L4.3 et L4.4 et p. 210 gure L4.5 : © Frédéric Généreux. Laboratoire 5 : p. 212 gure L5.1 : © Jean-Louis Bastien ; gure L5.2 : © Guy Jolicoeur ; p. 213 gure L5.4 : © Frédéric Généreux. Laboratoire 6 : p. 216 gure L6.1 et p. 217 gures L6.2 et L6.3 : © Frédéric Généreux. Laboratoire 7 : p. 220 gure L17.1 : © Frédéric Généreux. Laboratoire 8 : p. 222 gure L8.1 : © Guy Jolicoeur ; p. 223 gure L8.2 : © Frédéric Généreux. Laboratoire 9 : p. 225 gure L9.1 et p. 226 gures L9.2 et L9.3 : © Claude Robert, MTQ. Laboratoire 10 : p. 228 gure L10.1 et p. 229 gure L10.2 : © Maryse Martin / Gracieuseté de Exp Laval ; gures L10.3 et L10.4 : © Frédéric Généreux ; p. 230 gures L10.5 et L10.6 : © Maryse Martin / Gracieuseté de Exp Laval.
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Sources Iconographiques
Laboratoires 11 et 14 : p. 233, gure L11.1 : © Frédéric Généreux ; gure L11.2, p. 234 gure L11.3 : © Guy Jolicoeur.
Laboratoire 18 : p. 255 gure L18.1 : © Frédéric Généreux ; p. 256 gure L18.2 (a, b, c) : © MTQ.
Laboratoire 12 : p. 241 gure L12.1, p. 242 gure L12.4 et p. 243 gures L12.5 et L12.6 : © Frédéric Généreux.
Laboratoire 19 : p. 258 gure L.19.1 : © Frédéric Généreux.
Laboratoire 15 : p. 248 gure L15.1 et p. 249 gures L15.2 et L15.3 : © Frédéric Généreux.
Laboratoire 20 : p. 261 gures L20.1, L20.2, p. 262 gures L20.3 et L.24 et p. 263 gure L20.5 : © Frédéric Généreux.
Laboratoire 16 : p. 252 gures L16.1 et L16.2 et p. 253 gure L16.3 : © Frédéric Généreux.
Laboratoire 23 : p. 269 gure L23.1 : © Frédéric Généreux.
Laboratoire 17 : p. 254 gure L17.1 : © Frédéric Généreux ; gure L.17.2 (a, b) : © Liliana Mucha.
Appendice : p. 271 gures A.1 et A.2 et p. 276 gures A.3 et A.4 : © Frédéric Généreux.
INDEX
A Abrasif 129 dénition 110, 315 Abrasion dénition 315 résistance 11, 76, 222 Absorption (absorptivité) 7, 61, 64, 65 dénition 315 détermination 205 granulat n 65 Accotement dénition 315 Adsorption 10 dénition 315 Alcalis 11 dénition 315 Analyse granulométrique 28, 233 appareillage 233 calculs 32 d’un gravier naturel 239 d’un sable (granulat n) 36 d’un sable naturel 236 échantillon 28, 233 essai de tamisage 28 exemples de calculs 36 ller (méthode ASTM D546) 32 formulaire de présentation 33 mélange de granulats 30, 40 par lavage sur un tamis 29, 38 présentation dans un graphique 33 présentation dans un tableau 32 présentation des résultats 32, 33 principe général 29 prises d’essai 233 propreté 233 série normalisée de tamis 28 Analyse pétrographique 115, 227, 228 Angularité des particules 6 Anneau de broyage 164 dénition 315 Appareillage (échantillonnage) 193 Appareil Los Angeles 222 Appareil micro-Deval 216 Appareil Speedy 213 Appareils de manutention 167 Appartenance à une classe granulaire 113 Argile 43 Ascension capillaire 98 dénition 315 Assemblage cubique à faces centrées 92 cubique simple 92
de sphères dans l’espace 92 naturel de sphères uniformes 93 Assise dénition 110, 315 Attrition 77, 216 dénition 315 Autoroute dénition 110, 315
B Ballast 4 dénition 315 Ballastière 156 dénition 315 Banc Côté 158 Banc d’emprunt 18 abandonné 19 dénition 315 en cours d’exploitation 18 Bande transporteuse 19, 167 dénition 315 Bassin pour l’immersion 262 Bétons de ciment recyclage 184 Bleu de méthylène essai 255 Blocs 43 Bol 164 Boues de lavage 167 dénition 315 Broyeur à marteaux 165
C Cahier des charges et devis généraux 17, 110 Cailloux 43 Calcite 5 dénition 315 Calibre d’un granulat dénition 110, 315 Capacité portante perte 99, 104 Capillarité 98, 99, 100, 101, 102 dénition 315 Caractéristiques complémentaires dénition 315 Caractéristiques de fabrication dénition 315 Caractéristiques intrinsèques dénition 315 Carottes 19 dénition 315 Carrières 2
de Saint-Dominique 170 dénition 315 exploitation 160 CCDG 17, 110 Cendres volantes 4 dénition 315 Chaussée dénition 110, 315 représentation schématique 118 Classe granulaire critères 113 dénition 110, 113, 315 dimensions 113 Classes granulométriques 43 Classication des granulats 51, 113 caractéristiques complémentaires 52 caractéristiques de fabrication 52 caractéristiques intrinsèques 52 granulats ns 52, 114 granulats routiers 118 gros granulats 52, 114 matériaux recyclés 52, 130 Classication des sols 43 Clinkérisation 82 dénition 316 Clivage 4 dénition 316 Coefcient d’écoulement des granulats ns 258 Coefcient de courbure 44 dénition 316 Coefcient de perméabilité k 96 Coefcient de polissage par projection (CPP) 78 Coefcient d’uniformité 44 dénition 316 Coefcient d’usure 216 Combiné granulométrique 137, 138 dénition 316 proportion 147 Compacité 7, 95, 96, 105 dénition 316 Compaction 63, 64, 68 Composition des particules 2 Composition d’un matériau recyclé essai 269 Concassage 172 Concasseurs 162 à mâchoires 163 à percussion 165 à rouleaux 165 choix 165 coniques 164, 172
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Index
giratoires 164 primaire 172 quaternaire 173 secondaire 172 tertiaire 173 types 163 Conditionnement du granulat 206 Contamination 16 dénition 316 Contrôle de la qualité dénition 12 Correction excédent de pierre 47 module de nesse 47 Couche anticontaminante 120 dénition 316 Couche de granulats 19 Couche de roulement dénition 316 Couche de roulement granulaire 120 dénition 316 Couche ltrante 120 dénition 316 Couleur des particules 5 Courbe granulométrique 48 creuse 95, 316 médiane 48, 316 moyenne 48, 316 pleine 95, 316 Coussin 120 dénition 316 Criblage 2 dénition 316 Crible à barreaux voir Scalpeur Cribles 166 Criblure 50 Criblure de pierre 50 dénition 110, 316 lavage 173 Critères de gélivité 102 dénition 316 Croquis de lieu d’exploitation 23 Cryosuccion 101 dénition 316 Cubique dénition 316
D Débiteur 155 dénition 316 Débourbage 156 dénition 316 Déchets de construction recyclage 183 Déchets recyclables 187
Décohésionnement 187 dénition 316 Découverte 156 dénition 316 Dégel 99, 100, 104 Dénomination des granulats 169 Densité des granulats 10, 63, 65 dénition 316 détermination 205 granulat n 68 gros granulat 65, 66, 67 Dépôt consolidé 17 dénition 316 Dépôt deltaïque dénition 316 Dépôt éolien dénition 316 Dépôt uviatile dénition 316 Dépôt lacustre dénition 316 Dépôt meuble 17 dénition 316 exploitation 156 Désignation des granulats 50, 52 matériaux recyclés 52 selon la classe granulaire 51 selon utilisation 51 Destruction du béton des solages de maison 87 Développement durable 182 dénition 317 Diamètre effectif 43 dénition 317 Dimension des particules 5 Documents de référence des granulats 11,12 Dommages causés par les sulfures de fer 85 Durabilité 11, 76 dénition 317 Durabilité des granulats 11, 76 dénition 317 caractéristiques intrinsèques 76 conditions climatiques 78 présence de matières délétères 79 Dureté des particules 4 Dureté Mohs 230, 231 Dynamitage du front de taille 171
E Eaux de lavage 157 dénition 317 Échantillon 16 dénition 317
prélèvement avec outillage mécanique 195 prélèvement par la méthode manuelle 196 prélèvements 16, 193 réduction 21, 197 Échantillonnage 16, 192 à l’aide d’une chargeuse 20 à la source 194 à partir d’un chargement 19, 196 appareillage 193 conjoint 17 dans les carrières 194 dans les gravières 195 dans les sablières 195 dans une installation de production 19 d’un banc de gravier 19 d’un banc d’emprunt 18, 19 d’un matériau naturel 18 d’un roc 19 d’un sol 18 d’une réserve de granulats 19 d’une réserve (dépôt en tas) 195 en cours de production 195 matériel et outils manuels 194 outils mécanisés 194 pour analyse environnementale 192 prélèvement avec outillage mécanique 195 prélèvement par la méthode manuelle 196 prélèvements 16, 193 rapport 21 sur bande transporteuse 19, 195 sur la chaussée 21, 196 Échelle de Mohs 4 Effet baignoire 104 dénition 317 Emprunt granulaire dénition 110, 317 Enrobage 120 dénition 317 Enrobés à chaud 127, 128, 129 dénition 317 Enrobés à froid 127 dénition 317 Enrobés bitumineux 127 recyclage 187 Enrobés pour chaussées 125 Épaufrures 95 dénition 317 Essais au bleu de méthylène 255 au sulfate de magnésium 78 colorimétrique 80, 254
Index
d’analyse granulométrique 233 d’écoulement des granulats ns 258 d’ignition 80 d’oxydation 80 d’usure 78, 216 de caractérisation 190 de composition d’un matériau recyclé 269 de friabilité 77, 220 de présence de matières organiques 254 de résistance à la désagrégation 261 de résistance au gel, dégel de gros granulats non connés 79, 265 de résistance au polissage 77, 78, 225 de teneur en impuretés 265 de teneur en particules légères 252 dénition 12, 110, 317 difcultés 79 du pourcentage de mottes d’argile dans les granulats naturels 248 du pourcentage de particules fracturées d’un gros granulat 246 du pourcentage de particules plates et allongées 241 Los Angeles 76, 222 méthodes 111 micro-Deval 77, 216 Essais d’usure 216 justication 78 Étalonnage d’une étuve 212 des récipients 200 du cône 260 Étang de sédimentation 159 dénition 317 État humide dénition 317 État saturé superciellement sec voir État SSS État sec dénition 317 État SSS 7, 68 dénition 317 Étuve 212 Exigences dénition 12 en matière de granulat 111 Exploitation des carrières 160 des dépôts meubles 156 Exploration d’un dépôt 195
F Feldspaths 87 dénition 317
Filler 32, 50 dénition 110, 317 Fines 50 dénition 110, 317 Flot d’écoulement 171 Fondation (matériau) 114 Foreuse mécanique dénition 317 Forme des particules 5 dénition 317 Fourniture des matériaux dénition 110, 317 Fraction ne 30 dénition 317 Fraction grossière 30 dénition 317 Friabilité détermination du pourcentage 220 Front de gel 100 dénition 317 inuence du prol 103 Front de taille 161 dénition 317 dynamitage 171 Fuseaux granulométriques 47, 114 de fabrication 50 de régularité 49 de spécication 49 dénition 317 imposé 143 pour les traitements de surface 127
G Gabion 156 dénition 317 Gel 99, 100 Gélivité 99, 102, 103 critères 102 dénition 317 Gisement à face ouverte dénition 317 Granularité dénition 7, 110, 318 paramètres d’interprétation 42 Granulat 2, 318 abrasifs 129 absorption (absorptivité) 10, 61, 64 articiel 3 béton recyclé 110, 184, 318 bitumineux récupéré (GBR) 110, 318 calibre 110 carrières 2 catégories 3 classication 51 compacité 7
325
concassé 318 conditionnement 206 couche 19 couleur 5 critères d’utilisation 109 dénition 2, 110, 318 densité 10, 63 désignation 50, 52 durabilité 11 n 7, 65, 68, 110, 115, 124, 318 forme 5 granularité 7 gros 8 humide, 318 humidité 62, 64 lavage 156 masse volumique 10, 63, 68 matières délétères 11, 76 ménisque 7 mise en réserve 168 porosité 7, 60 pour abrasifs 129 pour béton de ciment portland 121 pour enrobés bitumineux 127 production 155, 156 propreté 80 propriétés 7, 60 réactivité 11 recyclés 184 représentations schématiques 8 résistance à l’abrasion 11 rinçage 157 routes 175 routier 318 saturé 318 saturé superciellement sec (SSS) 318 sec 318 source 2 stabilité chimique 11 surface spécique 8 teneur en eau 10, 61, 64 transport 175 voie maritime 176 volume des vides 68 Granulat articiel 3 Granulat bitumineux récupéré dénition 110 Granulat concassé dénition 110, 318 Granulat de béton recyclé 184 dénition 110, 318 Granulat n 7, 68 absorption 65 catégories 115
326
Index
dénition 110, 318 exigences 124 Granulat humide 60 dénition 318 Granulat naturel 2 Granulat recyclé 2 Granulat routier 4 classication 118 dénition 318 exigences 119 exigences granulométriques 120 naturels 119 Granulat saturé 60 dénition 318 Granulat saturé superciellement sec (SSS) 60 Granulat sec 60 dénition 318 Granulométrie 42 coefcient de perméabilité 96 continue 42, 95, 318 courbes 95 d’un mélange donné 142 dénition 110, 318 discontinue 42, 95, 318 étalée 42, 146, 318 inuence d’un matériau sur sa gélivité 99 inuence d’un sol sur sa capillarité 98 inuence sur compacité des sols 95 inuence sur perméabilité 96 mélanges composés (2 granulats) 138 mélanges composés (3 granulats) 143 uniforme 42, 318 Grave dénition 110, 318 Gravier 43 Gravier concassé dénition 110, 318 Gravières 3 dénition 110, 318 Gros granulat 7, 65 caractéristiques 115 catégories 115 dénition 111 exigences 121, 122, 123, 124 Grosseur maximale dénition 111, 318 Gypse 85, 318
H Hibernia 177 Homogénéité des matériaux 102 Humidité d’un granulat 62, 64 dénition 318 Hydratation 76
I Imperméabilité 98 Indice colorimétrique 254 des vides 64, 69, 318 pétrographique du potentiel de gonement (IPPG) 78, 86, 87 Infrastructure d’une chaussée dénition 111, 318 IPPG 78, 86, 87
J Justication essais d’usure 78
L Laitiers de haut fourneau 4 dénition 318 Lac de sédimentation 171 Lavage de l’équipement de prélèvements 193 Lavage de la criblure 173 Lavage des granulats 156 par vis débourbeuse 157 sur trommel 157 Lentilles de glace 99 dénition 318 formation 100 Ligne de combinaison 142 dénition 318 Liquide de référence 252 Loi de Darcy 96
M Masse volumique des granulats 10, 63, 68 dénition 319 détermination 200 essai 200 étalonnage des récipients 200 non tassée 201 tassée 201 Matériau (granulaire) 2 dénition 111, 319 Matériau recyclé (MR) 130 classication 130 dénition 111, 319 liste 182 utilisation dans chaussée 131, 132 utilisation pour infrastructures routières 184 Matériaux d’ajout 168 Matériaux pour coussin, enrobage, couche anticontaminante et couche ltrante 119
Matériaux pour fondation, sousfondation, couche de roulement et accotement 118 Matières contaminantes 76 Matières délétères 11, 76 dénition 319 durabilité des granulats 79 Matières organiques 80 dans les sols et granulats 80 détermination 254 présence dans un sable pour béton 80, 254 Mélanges composés 138 choix des granulats 138 de plus de trois granulats 149 deux granulats 138 granulométrie 138 trois granulats 143 Ménisque 7 Méthode du triangle 144, 145 Méthode graphique deux granulats 142 trois granulats 143 Méthode mathématique 149 Méthode par approximations successives 140 Méthode par chocs 201 Méthode par pilonnage 201 Méthode par remplissage à la pelle 201 Méthode trilinéaire 144, 145 Micas 87 dénition 319 Mise en œuvre dénition 111, 319 Mise en réserve 168 Mise en tas 169 Module de nesse 44 correction 47 dénition 319 Mort-terrain 161 dénition 319 Mottes d’argile 81
N Noix de broyage 164 dénition 319 Nombre pétrographique 115, 227 calcul 230 Norme NQ 2560-500/2003 Normes de référence 111 Normes du ministère de l’Environnement 174 Normes d’essai dénition 12 Nucléodensimètre 212
Index
P Particule fragmentée (caillou fragmenté) dénition 111, 319 Particules 4 absorption (absorptivité) 7 allongées 166, 241, 319 angularité 6 calcaire 2 composition 2 couleur 5 cubiques 5 dimension 5 dureté 4 ller 50 nes 50 forme 5 fragmentées 319 friables 81, 248, 319 granite 2 grossières 44, 157 humides 60 légères 82, 156, 319 plates 164, 166, 241, 319 propriétés 4 sèches 60 sphéricité 5 SSS 60 surface 7 ténacité 5 Perméabilité 96, 97, 98 coefcient k 96 dénition 319 inuence de la granulométrie 96 matériaux usuels 98 Perte de capacité portante 104 Pierre 43 Pierre concassée dénition 111, 319 Pierre nette dénition 111, 319 Pilonnage 69 Plateforme pétrolière Hibernia 177 Pont de la Confédération 176, 177 Porosité dénition 319 Porosité des granulats 7, 60, 64, 69 naturels 94 Potentiel de ségrégation 103 Pourcentage de friabilité des granulats ns 220 Pourcentage de mottes d’argile et de particules friables 81, 248 Pourcentage de particules fracturées d’un gros granulat 246 Pourcentage de particules plates et allongées 241
Pourcentage de vide 94, détermination 202 étalonnage des récipients 200 Précribleur 166 dénition 319 Prélèvements 16, 193 avec outillage mécanique 195 dénition 319 lavage de l’équipement 193 par la méthode manuelle 196 Principe d’Archimède 65, 66, 67 dénition 59 Principe général de l’essai de tamisage 28 Prise d’essai 28 dénition 319 Production des granulats 155, 156 Produits commerciaux 173 Produits d’abattage 160 dénition 319 Projection des granulats 225 Propreté des granulats 80 de fondation (valeur au bleu) 81 pour béton de ciment portland et enrobés bitumineux 80 Propriétés délétères 82 Propriétés des granulats 60 état humide 60 état saturé superciellement sec (SSS) 60 état sec états selon teneur en eau 60 porosité 60 Pycnomètre 68, 207 dénition 319 Pyrite 85 dénition 319 Pyrrhotite 85 dénition 319
Q Qualité dénition 12 Quantité de particules légères 252 Quartage 24, 25 dénition 320 Quartz 83 dénition 320
R Rapport d’échantillonnage 21 feuille 22 Réaction alcalis-granulats 82, 115 conditions essentielles 82 dénition 320
327
prévention 84 types 83 Réactivité des granulats 11 aux alcalis du ciment portland 82 établissement 84 Récupération déchets de construction 183 Recyclage des bétons de ciment 184 des déchets de construction 183 des enrobés bitumineux 187 Redan 169 dénition 320 Réduction des échantillons 21, 24, 197 appareillage 197 au séparateur mécanique 197, 198 méthode de référence 197 par quartage 198 par réserve miniature 198 procédures 197 Refus 29 dénition 320 Remblais 86, 155, 162 dénition 320 utilisation 86 Représentations schématiques d’un granulat 8 Réserve 21 Résistance à l’abrasion 11, 76, 222 à l’attrition 77 à l’écrasement 77 à la désagrégation 78, 261 au gel et dégel de gros granulats non connés 79, 265 au polissage 77, 225 Retours de béton 184 dénition 320 recyclage 185 Retraitement en place des chaussées 187 Rétrocaveuse 194 Rinçage des granulats 157 Roches potentiellement réactives 83 Routes (transport des granulats) 175
S Sable 43, 50 Sable de concassage ou de broyage (sable manufacturé) dénition 111, 320 Sable naturel dénition 111, 320 Sablière Lagacé de L’Avenir 158 Sablières 3 dénition 320
328
Index
Sauterelle 167 dénition 320 Scalpeur 158 dénition 320 Scories 4 dénition 320 Séchage à l’étuve 213 au four 213 Ségrégation 17 dénition 320 Série normalisée de tamis 28 Shaper 166 Silt 43 Sol gélif 103 dénition 320 prévention des soulèvement 103 soulèvement 99 Sols capacité portante 104 organiques 43 Solution au sulfate de magnésium 261 Soulèvement des sols gélifs 99 prévention 103 Sous-fondations 115 dénition 320 Spécication dénition 12 Sphères assemblage 92 non uniformes 93 uniformes 92 Sphéricité des particules dénition 5 Stabilité chimique des granulats 11
Stratigraphie 18 dénition 320 Sulfate de magnésium 261 Sulfures de fer 85 Surfaçage 166 Surface d’une particule 7 Surface spécique des granulats 8 Système de shaper 166 Systèmes de criblage 166
T Table de hasard 18 Tamis 28, 29, 30, 32, 233 classication 271 de 80 μm 29 de contrôle 271 ouvertures 274 série normalisée 28 toiles métalliques 274 usure 274 Tamisage 28, 29, 233 à sec à hautes fréquences 166 principe général de l’analyse granulométrique 29 principe général de l’essai 28 Tamisat 29 dénition 320 Tarière 18, 194 dénition 320 Techniques de stockage à proscrire selon les normes CSA 170 acceptables selon le comité ACI 169 recommandables 168 Ténacité des particules 5
Teneur en eau des granulats 10, 60, 64, 212 dénition 320 détermination 212 Teneur en eau totale d’un granulat 61, 64 Teneur en impuretés essai 267 Teneur en particules légères 82, 252 Traitements de surface 127 dénition 320 Transport des granulats 175 Trémie 155 dénition 320 Trommel 157 dénition 320 Types granulométriques 42
U Unité de dépoussiérage 173 Usine d’élaboration 155 dénition 320 Utilisation de remblais 86
V Valeur au bleu de méthylène 81 dénition 320 détermination 255 Valeur CPP 78 Vis débourbeuse 157 dénition 320 Voies maritimes (transport des granulats) 176 Volume des vides d’un granulat 68
TERMES, SYMBOLES ET UNITÉS SI RECOMMANDÉS EN TECHNOLOGIE DES GRANULATS
Généralités Le terme « tonne (t) » désigne la tonne métrique de 1000 kilogrammes. La tonne métrique diffère de la tonne impériale qui pèse 2000 livres, soit 205 livres de moins que la tonne métrique. Le terme « masse » est utilisé pour représenter la quantité de matière contenue dans un objet matériel, indépendamment de sa position dans l’Univers (unité : kilogramme (kg)). Le terme « masse volumique » se rapporte à la masse par unité de volume (kg/m3). Le terme « poids » est utilisé pour représenter la force gravitationnelle agissant sur un objet en un endroit donné. Cette force varie généralement lorsque l’objet change d’endroit (unité : newton (N)). La gravité normalisée au niveau de la mer est de 9,806 650 m/s2. On arrondit souvent cette valeur à 9,81 dans les calculs pratiques.
employé pour exprimer les résultats des mesures de volumes de haute précision. Le mot « millilitre » ne doit pas être utilisé et doit être remplacé par le terme « centimètre cube ». Note : On ne doit pas confondre certains termes anglais et français qui ne signient pas la même chose. Le meilleur exemple est sans doute le terme « masse volumique » qui se traduit par density en anglais. En français, la masse volumique et la densité ne désignent pas la même propriété. Propriétés physiques Terme Absorption Densité1
Symbole
Unités recommandées
abs
%
d
Le terme « poids volumique » est utilisé pour exprimer la force gravitationnelle par unité de volume (N/m3).
Densité à l’état saturé superciellement sec
dsss
Les contraintes et les pressions sont exprimées en unités de force par unité de surface (N/m2 = Pa), ou à l’aide de multiples (kPa et MPa).
Densité apparente
dA
Densité brute (sèche)
dB
Les volumes sont exprimés en mètres cubes (m3), en centimètres cubes (cm3) ou en millimètres cubes (mm3). Le mot « litre » peut être utilisé, mais il ne doit pas être
Densité des particules solides
ds
Densité effective du granulat
Dge
Termes généraux
Humidité du granulat
h
Symboles
Unités recommandées
Indice des vides
e
g
9,81 m/s2
Masse volumique
ρ
t/m3, kg/m3, g/cm3
d, D
m, cm, mm, µm, nm
Masse volumique de l’eau
ρw
t/m3, kg/m3, g/cm3
Masse
M
t, kg, g
Masse volumique des particules solides
ρs
t/m3, kg/m3, g/cm3
Masse volumique
ρ
t/m3, kg/m3, g/cm3
Masse volumique d’un matériau saturé superciellement sec
ρ sss
t/m3, kg/m3, g/cm3
Masse volumique d’un matériau sec
ρd
t/m3, kg/m3, g/cm3
Porosité
n
%
Teneur en eau
ω
%
Terme Accélération gravitationnelle Diamètre
Pression, contrainte
P, p, σ
MPa, kPa
Température
T
°C, K
Temps1
t
d, h, min, s
Volume
V
m3, cm3, mm3
1. La seconde (s) est la seule unité SI ; le jour (d), l’heure (h) et la minute (min) sont des unités tolérées.
%
1. La densité est une grandeur sans dimension. Il n’existe donc pas d’unité de densité.
330
Termes, symboles et unités SI recommandés en technologie des granulats
Granularité et autres caractéristiques
Compactage Symbole
Unités recommandées
Degré de compactage
Dc
%
Cu
Indice de densité relative
ID
%
Coefcient de courbure
Cc
Indice des vides à l’état le plus dense
emin
Diamètre à « n » pour cent passant
Dn
mm, µm
Indice des vides à l’état le plus lâche
e max
Diamètre des grains
d, D
mm, µm
ρ max
Diamètre maximal
Dmax
mm, µm
Masse volumique humide maximale1
t/m3, kg/m3, g/cm3
Masse volumique humide minimale
ρ min
t/m3, kg/m3, g/cm3
Masse volumique sèche maximale1
ρ dmax
t/m3, kg/m3, g/cm3
Terme
Symbole
Coefcient d’écoulement
Ce
Coefcient d’uniformité
Unités recommandées
Terme
Diamètre nominal maximal
D nom
Module de nesse
mf
Potentiel de ségrégation
SP
mm2/°C jour
Masse volumique sèche minimale
ρ dmin
t/m3, kg/m3, g/cm3
Pourcentage de particules légères
L
%
Teneur en eau optimale
ω opt
%
Surface spécique
S
m2/kg, m2/m3
mm, µm
·
1. Telle qu’elle est dénie par les essais normalisés de mesure de la relation teneur en eau et masse volumique des sols.
Propriétés hydrauliques Symbole
Unités recommandées
Charge hydraulique ou potentiel hydraulique
h
m, mm
Coefcient de perméabilité (conductivité hydraulique)
k
m/s, cm/s
Gradient hydraulique
i
Hauteur d’ascension capillaire
hc
m, mm
Tension supercielle
Ts
N/cm
Viscosité dynamique de l’eau
µ
Pa s
Vitesse d’écoulement
v
m/s
Terme
·
La mise à jour attendue de
Les ouvrages de génie civil présentent différents types de granulats utilisés sous une forme ou une autre. Ces granulats sont naturels lorsqu’ils proviennent de sablières, de gravières, de ballastières ou de carrières ; ils sont articiels lorsqu’ils sont fabriqués ou transformés à partir de certains sous-produits industriels comme les résidus miniers, les laitiers ou les scories ; et ils sont de plus en plus recyclés, notamment lorsqu’ils proviennent du concassage de béton, de démolition ou de vieux enrobés bitumineux. Tout le monde souhaite que les granulats, une fois mis en place, remplissent longtemps et de manière sécuritaire la fonction qui leur a été assignée au moment de la conception et de la construction d’un ouvrage de génie civil. Pour respecter ce standard, il est indispensable de s’assurer que les granulats possèdent bien toutes les caractéristiques exigées dans les cahiers des charges et devis en procédant à des essais normalisés sur des échantillons représentatifs. Tel est l’objet du présent manuel qui constitue un ouvrage de référence en la matière. Méticuleusement actualisée, cette 4e édition de Technologie des granulats fournit aux étudiants en génie civil ainsi qu’aux gens de métier l’outil complet et à jour qui permet de lier théorie et pratique au moyen d’exemples concrets puisés dans l’industrie. • Une toute nouvelle maquette
Pierre-Claude Aïtcin est titulaire d’un doctorat du Laboratoire de minéralogie de l’Université de Toulouse, en France. En 1967, il s’est joint au Département de génie civil de l’Université de Sherbrooke, où il a enseigné la technologie des matériaux et du béton jusqu’en 2002. Professeur émérite retraité de ce même Département, il est également membre de l’Académie de génie du Canada, membre honoraire de l’American Concrete Institute et docteur honoris causa de l’Université de Monterrey, au Mexique. Frédéric Généreux est titulaire d’un baccalauréat en génie civil et d’une maîtrise en sciences appliquées de Polytechnique Montréal. Son mémoire de maîtrise a été réalisé en collaboration avec le ministère des Transports du Québec. Il a aussi fait un séjour d’étude en géotechnique d’un an à Polytech’Grenoble, en France. Il enseigne depuis 2007 au Cégep régional de Lanaudière, à Joliette. Guy Jolicoeur a fait des études d’ingénieur à l’Université de Sherbrooke. Aujourd’hui retraité, il a enseigné au Département de génie civil du Cégep de Sherbrooke de 1967 à 2004. Il a par la suite fait de la recherche sur des projets relatifs à la durabilité du béton de dix barrages d’HydroQuébec. Yolette Maurice est titulaire d’un baccalauréat en sciences appliquées en génie civil et d’une maîtrise en ingénierie en transport de Polytechnique Montréal, de même que d’une maîtrise en administration des affaires de HEC Montréal. Elle a enseigné de 1978 à 2013 au Cégep régional de Lanaudière, à Joliette.
• Des données entièrement mises à jour • Des gures redessinées et des photos actualisées • De nombreux problèmes et exemples faciles à repérer • Des laboratoires bien identiés
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