II. DEMARCHE EXPERIMENTALE
II.5 Détermination des propriétés physiques
Les propriétés physiques d'un béton de sol sont pour la plupart liées à sa structure poreuse.
Certaines de ces grandeurs sont d'importants indicateurs de durabilité (porosité, perméabilité),
d'autres sont en relation avec les propriétés mécaniques (masse volumique), voire en lien avec la
microstructure (vitesse d'ondes).
II.5.1 L'air occlus
Il existe en tout trois méthodes pour déterminer la teneur en air
occlus : la méthode volumétrique, celle gravimétrique et celle
pressiométrique qui est la plus couramment utilisée en France. Dans la
présente étude, nous avons choisi d'utiliser un aéromètre (Figure II-10)
afin de quantifier l’air occlus conformément à la norme NF EN 1015-7.
Cet appareil portatif permet de déterminer le volume d’air emprisonné
pendant le malaxage du béton frais. L’essai est assez peu pratiqué en
béton de sol, pourtant, la connaissance de ce paramètre est
intéressante afin d’ajuster le protocole de remplissage des moules en
fonction de la consistance du béton.
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L’aéromètre est constitué d’un porte-échantillon de 0,75 litre et d’un couvercle rigide muni d'un
manomètre et d’une pompe. L'essai consiste à remplir à ras bord le porte échantillon avec le béton
frais, en prenant soin de nettoyer les bords afin de ne pas compromettre l'étanchéité entre les deux
éléments. L'étape suivante consiste à poser le couvercle sur le porte-échantillon et à les assembler
hermétiquement par deux attaches. L'aéromètre est ensuite incliné, les deux vannes ouvertes. L'air
compris entre l'échantillon et le couvercle est remplacé par de l'eau à l'aide d'une pipette. Lorsque
l'eau ou le béton frais ressort par la vanne opposée, les deux vannes sont immédiatement fermées.
L'air occlus contenu dans le béton frais est alors comprimé à l'aide de la pompe manuelle. Lorsque
l'on exerce une pression sur un échantillon de béton frais, son volume diminue suite à la
compression des vides d’air (le reste des constituants étant incompressible). L'aéromètre donne alors
directement la valeur de la teneur en air occlus en pourcent, grâce à la relation pression-volume.
II.5.2 La porosité à l'eau
La porosité accessible à l’eau a également été mesurée. Les essais sont effectués sur des éprouvettes
cylindriques de 40 mm de diamètre et 100 mm de hauteur. Après différents temps de maturation, les
éprouvettes sont tout d’abord séchées dans une étuve à 60 °C, jusqu’à atteindre une masse
constante (Figure II-11.a). La température de séchage est volontairement inférieure à celle
recommandée par la norme afin de limiter les contraintes d'origine thermique entrainant de la
fissuration. Une fois secs, les échantillons sont pesés puis placés sous vide dans un dessiccateur
pendant 2 heures (Figure II-11.b). La saturation en eau est ainsi facilitée et permet de remplir un
maximum de pores en faisant remonter l’eau par capillarité. Une fois immergées, les éprouvettes
sont conservées pendant 3 jours dans l’eau, puis on effectue une pesée hydrostatique (Figure II-11.c)
et une pesée de l’état saturé à l’air, afin de déterminer la valeur de la porosité conformément à la
norme NF P 18-459.
(10)
avec M(air) la masse de l'échantillon saturé en eau et séché en surface (g), M(sec) la masse de
l'échantillon sec (g) et M(eau) la masse de l'échantillon obtenue par pesée hydrostatique (g).
II.5.3 La masse volumique
La masse volumique est déterminée à l’état frais après le gâchage afin de vérifier la formulation, et à
l’état durci pour différentes échéances de mûrissement.
La masse volumique à l'état frais est déterminée expérimentalement. Suite au malaxage, un récipient
de deux litres est rempli avec du béton de sol en essayant de reproduire la même procédure que lors
du remplissage des moules (Figure II-11.e). Puis, la partie supérieure est soigneusement arasée à
l'aide d'une règle avant la pesée.
Les masses volumiques apparentes sèches ( ) sont également déterminées selon la norme NF P
18-459, à partir des mêmes données que pour la porosité à l'eau (équation 11).
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Figure II-11 Dispositif expérimental: a) séchage en étuve, b) saturation sous vide, c) pesée
hydrostatique, d) mesures dimensionnelles, et e) masse volumique à l'état frais.
À la sortie des sacs de conservation aux différentes échéances, les masses volumiques apparentes
humides ( ) sont pour leur part déterminées par pesées avec une balance (± 0,02 g) et les mesures
dimensionnelles à l’aide d’un pied à coulisse (± 0,1 mm). Les dimensions de l'éprouvette sont
mesurées une fois l'éprouvette poncé (Figure II-11.d) et juste avant les essais de compression simple.
(12)
avec M(hum) la masse de l'éprouvette à l'état humide (kg) et V(hum) le volume apparent de
l'échantillon mesuré à l'aide d'un pied à coulisse (m
3).
II.5.4 Stabilité dimensionnelle
Des essais de retrait et de gonflement ont été réalisés selon la norme NF P 15-433 pour les mortiers
hydrauliques. Les moules utilisés sont des moules 4×4×16 cm percés aux extrémités afin de fixer des
plots métalliques pendant la phase de durcissement. Les éprouvettes sont démoulées après 3 jours
de maturation. Pour les essais de retrait, les échantillons sont placés dans une chambre climatique à
20 °C et 50 % d’humidité relative. L’espacement de 1 cm minimum préconisé dans la norme est
respecté. Pour les essais de gonflement, des échantillons sont placés dans de l’eau à 20 °C et sortis
15 min avant l’essai. La mesure est alors effectuée à l’aide d’un bâti métallique muni d’un
comparateur (Figure II-12). Pour ce faire, les éprouvettes sont placées entre les deux palpeurs de
l’appareil munis de billes, les goujons métalliques venant s’y emboîter et donc assurant un bon
positionnement. Le zéro est effectué à l’aide d’une tige métallique de 160 mm de longueur. Au final,
ce dispositif permet de mesurer les variations dimensionnelles suite à une exposition à l’air (retrait)
ou à l’eau (gonflement) des éprouvettes.
a)
)
b)
)
c)
)
d)
)
e)
)
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Figure II-12 Mesures de variations dimensionnelles : a) appareil de mesure, b) dimensions des
goujons.
II.5.5 La perméabilité à l'eau
Pour la mesure de k, le protocole mis en place au laboratoire est inspiré des travaux de recherche de
Åhnberg (Åhnberg, 2006). Le dispositif expérimental est présenté sur la Figure II-13.a. Dans la
littérature, la hauteur des échantillons testés varie de 2 à 10 cm suivant le type d'expérimentation
(Åhnberg, 2006), (Grisolia 2012a), (Kitazume et Terashi 2013). Dans la présente étude, la hauteur de
l’échantillon testé est fixée par rapport aux mélanges sol-ciment les moins perméables afin de limiter
la durée de l’essai à 24 heures environ. L’éprouvette cylindrique (Ø = 50 mm et h = 100 mm) de
béton de sol est tout d’abord découpée et poncée de manière à obtenir une hauteur d'échantillon de
25 mm, puis saturé sous vide. Une fois la phase de saturation terminée, l’échantillon est placé dans la
cellule de confinement entre 2 pierres poreuses. Ce dispositif permet de répartir uniformément les
pressions d'eau au niveau des surfaces supérieure et inférieure de l’échantillon, et donc d’éviter de
localiser l’écoulement de l’eau (Figure II-13.b). Des papiers filtres sont placés à chaque extrémité de
l’échantillon testé afin d’éviter la migration de particules dans les contrôleurs. L’étanchéité entre
l’échantillon et l’eau de la chambre de confinement est assurée par une membrane en latex et 2
joints toriques à chaque extrémité. Enfin, avant l’essai, les 3 contrôleurs sont remplis avec de l’eau
déminéralisée et désaérée.
L’essai commence par la mesure du coefficient de Skempton β qui correspond à l'augmentation de la
pression des pores au niveau de la vanne inférieure (la vanne supérieure étant fermée) divisé par le
gradient de la pression de confinement appliqué à l'échantillon. La mesure de ce coefficient jusqu’à
stabilisation permet de s’assurer de la saturation totale de l’échantillon avant de lancer l’essai de
perméabilité (Head, 1998). Lorsque β est égal à 1, le matériau est considéré comme saturé et
incompressible, mais plus β est inférieur à 1, plus le matériau est compressible. Le coefficient de
Skempton est déterminé par incrément de pression 100 kPa (jusqu'à 500 kPa). Après chaque palier
de mesure, une pression de 10 kPa inférieure à la pression de confinement est appliquée. La nouvelle
mesure de β, est effectuée une fois que la pression des pores est proche de la pression appliquée au
niveau de la vanne supérieure (à 2 kPa près), dont le volume correspondant doit être stabilisé.
La mesure de la perméabilité est réalisée en utilisant un gradient hydraulique de 100, ce qui est
supérieur aux valeurs normalement recommandées (ASTM D 5058-90, 1997). Ce choix est pourtant
justifié puisque l’application d’un trop faible gradient de pression pourrait, au vu de la précision de
l’appareillage (± 2 kPa), affecter l’exactitude des mesures. Une série d’essais préliminaires a
a)
)
b)
)
79
également permis de vérifier que la perméabilité ne variait pas en fonction du gradient hydraulique
mais plutôt en fonction de la pression effective. Dans une étude menée sur une argile stabilisée au
ciment, Yongfeng Deng fait ainsi varier le gradient hydraulique suivant la teneur en ciment du
mélange sans a priori modifier la valeur de la mesure de la perméabilité (Deng et al., 2015). Lorsque
l’on utilise de l’eau pour mesurer la perméabilité, en négligeant la compressibilité de l’eau, il est
possible de calculer la conductivité hydraulique à partir de la relation suivante :