Description des propriétés des granulats

Des informations limitées sont disponibles sur la sélection des granulats pour la formulation des BAP. L’optimisation de la compacité granulaire des granulats améliore les propriétés et le coût de production du béton en réduisant la teneur en ciment requise, sans affecter sa durabilité et sa perméabilité. La forme et la texture des granulats ont un effet significatif sur la compacité granulaire des granulats individuels et par conséquent, sur le potentiel d'optimisation des granulats dans les mélanges.

2.3.1.1. Évaluation des propriétés morphologiques des granulats

Les propriétés morphologiques des granulats pourraient être classées selon différentes caractéristiques, telles que le diamètre des granulats et la distribution granulométrique. Ces caractéristiques permettent de décrire la taille, la forme (arrondi ou allongé) des granulats, la rugosité et la surface spécifique des particules, ainsi que la texture de surface (Koehler, 2007).

La description des particules peut être basée sur des mesures bidimensionnelles ou tridimensionnelles; les mesures bidimensionnelles peuvent être biaisées, en particulier pour les matériaux à faible sphéricité (Garboczi et al., 2001). Les propriétés de forme 3D des granulats peuvent affecter de manière significative l'ouvrabilité (Cepuritis et al., 2016; Erdoǧan et al., 2008; Estephane et al., 2019; Geiker et al., 2002; Hafid et al., 2016; Ostrowski et al., 2018; Sokhansefat et al., 2019; Tierrie et al., 2016; Westerholm et al., 2008; Zuo et al., 2018), les performances mécaniques (Felekoǧlu, 2007; Frazao et Sbrighi, 1980; Hong et al., 2014; Molugaram et al., 2014; Ostrowski et al., 2018; ÖZEN, 2007; Polat et al., 2013; Rocco et Elices, 2009) et la durabilité (Xiao et al., 2018; Zheng et al., 2014). Il n’est pas facile de décrire la forme 3D des éléments irréguliers comme les granulats. Par exemple, Powers définit les granulats par un facteur de forme, qui est représenté dans l’Équation 2.1 (Koehler, 2007; Powers, 1968). La forme peut également être définie en matière de lancement et d'élongation (Koehler, 2007), qui sont présentées dans les Équations 2.2 et 2.3.

Facteur de forme = 𝑳 ∗ 𝑺 𝑰𝟐 Équation 2.1 Lancement = 𝐼 𝑆 Équation 2.2 Coefficient d’allongement = 𝐿 𝐼 Équation 2.3

Où « L » est la dimension la plus longue, « S » est la dimension la plus courte et « I » la dimension intermédiaire comme montrée à la Figure 2.1.

Bien que la forme des granulats puisse être décrite comme la manière dont la particule se rapproche de la sphère ou de la surface d'une sphère équivalente, ce facteur est utilisé pour décrire les facteurs de forme tridimensionnelle. Il existe d'autres facteurs de forme décrivant la forme des granules 2D. Le rapport d'aspect est l'un de ces facteurs et il est défini comme le rapport entre la longueur la plus courte et la plus longue longueur. Le facteur de forme 2D proposé par (Cox, 1927) est la circularité. La circularité peut être calculée selon l’Équation 2.4.

∅ =

𝑃_{𝑅𝑢𝑔𝑜𝑠𝑒}2 Équation 2.4

Où Ø est la circularité, A est la surface projetée de la particule et PRugose est le périmètre de la projection. La texture des particules fait référence à la qualité de leur surface.

Il existe généralement deux types de surfaces : lisse et rugueuse. En règle générale, lorsque les granulats proviennent du broyage, ils présentent des surfaces rugueuses. Par contre, lorsqu'ils proviennent de gravières ou de sablières, ils présentent des surfaces lisses (Kamal et al., 2011). Hong a étudié l’effet de la rugosité de surface des granulats grossiers sur la force de liaison de l'interface entre les granulats grossiers et le mortier à l'aide d'un scanneur 3D

(Hong et al., 2014). Hong a conclu que pour les surfaces de granulats plus rugueuses utilisées dans le béton, les propriétés mécaniques les plus élevées étaient obtenues. L'indice de rugosité calculé selon l’Équation 2.5.

𝑅

=

𝑛

∑

|𝑟

− 𝑟̅|

𝑖=1 Équation 2.5

Où « 𝑟_𝑖 » est la distance entre le point d'échantillonnage « i » sur la surface et le centre du granulat, « 𝑟̅ » est la distance moyenne de tous les points d'échantillonnage sur la surface jusqu'au centre de l'agrégat et « n » est le nombre total de points d'échantillonnage.

Une autre méthode pour évaluer la rugosité des granulats utilisés par (Bouwman et al., 2004) : le facteur de rugosité a été calculé en fonction du périmètre mesuré avec une résolution inférieure (Plisse) et une résolution plus élevée (PRugose), comme il est montré dans l’Équation 2.6.

𝑅 = 1 −

𝑃𝑅𝑢𝑔𝑜𝑠𝑒 Équation 2.6

L’angularité exprime la forme des arêtes et des coins. C'est le rapport entre le rayon moyen « r » de courbure des coins et des arêtes d'une particule et le rayon de courbure de la sphère inscrite « R », comme montré dans l’Équation 2.7.

Angularité = 𝑟

𝑅 Équation 2.7

L'échelle proposée par (Koehler, 2007) classifie la forme du granulat. L'indice est égal à l'unité, lorsque le granulat a une forme sphérique. Au contraire, l'indice est égal à 5 pour le granulat allongé comme représenté au Tableau 2.1.

L'effet de la forme, de l'angularité et de la surface rugueuse peut être résumé dans les points suivants (Koehler, 2007) :

- Une forme de particule irrégulière conduit à un mélange homogène en améliorant la résistance à la ségrégation.

- Une forme de particule sphérique polie diminue le frottement interparticulaire, de sorte que la compacité granulaire et la maniabilité augmentent.

- Une particule brute angulaire produit un mélange stable avec une faible compacité granulaire.

- Dans le béton, la texture de surface influence également l'adhésion de la matrice de ciment au granulat. La liaison entre la matrice de ciment et les granulats naturelles est très bonne, tandis que les granulats lissés et la matrice de ciment ont une connexion faible. Dans un mélange de particules sphériques et irrégulières, la compacité granulaire des sphères n'est pas significativement dégradée par les particules irrégulières jusqu'à ce que le mélange contienne environ 10 % de particules irrégulières. Ainsi, l'addition de particules irrégulières peut ne pas nuire à la compacité granulaire des sphères, mais peut améliorer la résistance compacte en fournissant plus de frottement inter-particulaire.

Tableau 2.1 Indice de caractérisation de la sphéricité et de l'angularité des particules

(Koehler, 2007)

Visual Shape and Angularity Rating (RS.A)

Well-Shaped, Well Rounded Poorly Shaped, Highly Angular

1 2 3 4 5

Shape

Most particles near

equidimensional Modest deviation from equidimensional

Most particles not equidimensional but

also, not flat or elongated

Some flat and/or

elongated particles equidimensional; Few particles abundance of flat and/or elongated

particles

Angularity

Well-rounded Rounded Sub-angular or sub-

rounded Angular Highly angular

Examples

Most river/glacial

gravels and sands Partially crushed river/glacial gravels or some very well-shaped manufactured sands Well-shaped crushed coarse aggregate or manufactured sand with most corners >

90°

Crushed coarse aggregate or manufactured

sand with some corners

< 90°

Crushed coarse aggregate or manufactured sand with many corners ≤ 90° and large

convex areas