Chapitre 2 – Méthodologies
1. Mesure de la compacité du mélange granulaire
1.3. Mesures de compacité sur presse à blocs
k+1൰ (Eq 28)
Avec :
· k : l’indice de serrage de l’essai LCPC, soit 9 ;
· b : la compacité résiduelle de la taille de grain ;
· F : la compacité réelle de l’échantillon en milieu infini, calculée à l’aide de l’équation de Ben Aim. En effet, l’effet de paroi du cylindre utilisé permet une précision suffisante du calcul [15] ;
F = j
1-Vp
Vt ൫1- 11 16ൗ ൯ (Eq 29)
· j : la compacité mesurée à l’aide de l’essai LCPC ;
· Vp : le volume perturbé dans le volume total Vt.
L’essai LCPC permet ainsi de déterminer la compacité résiduelle des matériaux utilisés pour la formulation des bétons secs. Cette donnée est ensuite utilisée dans le modèle d’empilement compressible pour simuler et optimiser la compacité des mélanges granulaires étudiés.
1.3. Mesures de compacité sur presse à blocs
Les mesures de compacité sur presse vibrante (figure 43) permettent de réaliser plusieurs objectifs :
· déterminer l’indice de serrage d’une fabrication sur presse vibrante. Notamment, l’influence des paramètres de vibration (fréquence, force, durée) sur l’énergie de la mise en place est étudiée ;
· évaluer l’effet de paroi induit par un moule de bloc. Les influences de la géométrie du moule et du diamètre des grains sont étudiées ;
· vérifier la précision du modèle d’empilement
compressible obtenu à l’aide des résultats précédents ;
· estimer l’influence de la teneur en eau sur la compacité du mélange granulaire.
1.3.1. Détermination de l’indice de serrage
Pour déterminer l’indice de serrage d’une mise en place, il faut utiliser l’équation Eq 28 et une distribution monodimensionnelle. Par ailleurs, l’usage de sphères permet de connaitre précisément la compacité résiduelle, 0,74 correspondant à un empilement cubique face centrée.
Toutefois, le chapitre 1 a montré que pour des volumes perturbés importants (supérieurs à 40 % du volume total), Eq 29 pouvait ne plus simuler précisément l’effet de paroi. C’est pourquoi, les essais réalisés pour la détermination de l’indice de serrage de la presse vibrante sont réalisés à l’aide d’un moule de pavé dont la géométrie est décrite sur la figure 44. En effet, la figure 45 montre que le volume perturbé créé est inférieur à la limite de la simulation (figure 26 – chapitre 1 – p. 46).
Figure 44 : Plan du moule de pavé
Figure 45 : Volume perturbé dans le pavé en fonction de la taille des grains
L’énergie de la mise en place sur presse vibrante dépend des paramètres de vibration utilisés : fréquence et force. C’est pourquoi l’indice de serrage est déterminé pour différentes valeurs de ces facteurs, comprises dans la gamme d’utilisation usuelle d’après le retour des industriels et présentées dans le tableau 12. L’ensemble des combinaisons possibles est réalisé. De plus, l’indice de serrage dépend également de la durée de la vibration. C’est pourquoi des mesures de compacité sont réalisées toutes les secondes.
Paramètre Valeur 1 Valeur 2 Valeur 3
Fréquence (tr/min) 3 352 3 700 4 200
Force (daN) 8 500 9 800 11 236
Tableau 12 : Paramètres de vibration étudiés
À partir des informations précédentes, le protocole suivant a été établi et utilisé pour la mesure de la compacité de mélanges monodimensionnels de billes sur presse vibrante :
· mesure de la profondeur à vide du moule et de la hauteur du pilon ;
· introduction par versement manuel dans le moule de bordure d’un échantillon monodimensionnel de billes dont la masse est connue précisément et vaut environ 2 kg ;
· descente du pilon sur les billes ;
0 % 10 % 20 % 30 % 40 % 0 5 10 Vp / Vt d (mm)
Pavé Limite de la simulation
98
198 60
· lancement du cycle de vibration et mesure de la profondeur du pilon après une seconde de vibration ;
· l’étape précédente est répétée jusqu’à obtention d’une profondeur de pilon constante ;
· réalisation de l’essai sur deux éprouvettes.
Pour chaque mesure de profondeur du pilon, il est possible de calculer le volume apparent de l’échantillon, sa masse volumique apparente, sa compacité réelle dans la bordure et en milieu infini et ainsi l’indice de serrage de la mise en place.
1.3.2. Évaluation de l’effet de paroi
Les essais précédents permettent l’évaluation de l’indice de serrage d’une mise en place sur presse vibrante. Dans le cas d’un bloc, il s’agit également de déterminer l’effet de paroi du moule. En effet, le volume perturbé étant supérieur à 40 % du volume total à partir d’un diamètre de grain de 6,3 mm, les équations existantes ne semblent pas adaptées. Par ailleurs, l’effet de paroi va dépendre de la géométrie des moules utilisés et l’état de l’art a mis en avant la grande diversité existante. De même, la perte de compacité est influencée par le rapport de taille entre le moule et les granulats. Afin de répondre à l’objectif, la compacité réelle en milieu
infini d’un mélange monodimensionnel de billes est calculée à l’aide de l’équation Eq 28 et des indices de serrage déterminés précédemment.
Figure 46 : Billes utilisées
Elle est ensuite comparée à la compacité réelle dans le bloc mesurée pour différents diamètres de billes (figure 46) et deux géométries de moule (figure 47).
Le protocole suivant est utilisé :
· mesure de la profondeur à vide du moule et de la hauteur du pilon ;
· introduction par versement manuel dans le moule de bloc d’un échantillon de billes
monodimensionnel dont la masse est connue précisément et vaut environ 20 kg ;
· lancement du cycle de vibration puis mesure de la profondeur du pilon après mise en place en deux points symétriques.
L’essai est réalisé deux fois par échantillon. Ces mesures permettent de mesurer l’influence du diamètre des grains et de la géométrie du moule sur l’écart entre les compacités réelles dans le bloc et en milieu infini. Il est alors possible d’évaluer l’effet de paroi développé.
1.3.3. Précision du modèle
Les essais précédents permettent d’adapter le modèle d’empilement compressible à une mise en place dans un bloc avec une presse vibrante. Il est alors possible de l’utiliser pour optimiser l’empilement sec et diminuer le volume de ciment. Afin de déterminer la précision de ce modèle pour estimer la compacité d’un mélange granulaire de bloc, les valeurs théoriques sont comparées à des mesures expérimentales obtenues à partir du protocole suivant :
· introduction par versement manuel dans le moule de bloc d’un mélange granulaire dont la masse est connue précisément et vaut environ 20 kg ;
· lancement d’un cycle de vibration dont l’indice de serrage est connu ;
· mesure de la profondeur du pilon après mise en place en deux points symétriques.
L’essai est réalisé sur deux éprouvettes. La compacité mesurée est comparée à la valeur théorique obtenue à partir du modèle d’empilement compressible adapté. La précision du modèle est déduite de l’écart entre ces deux valeurs.
Les mélanges granulaires étudiés sont représentatifs de la formulation des blocs. Toutefois, la nature et la forme des grains, ainsi que les proportions en sable et gravillon varient afin d’étudier leur influence sur la compacité réelle dans un bloc.