Chapitre 3. Méthodologie
3.2 Programme expérimental
3.2.1 Problématique spécifique à l’utilisation des granulats légers
Le gros granulat léger utilisé aux fins de l’étude est un schiste expansé fabriqué au Nord-Est des États-Unis selon le processus décrit au chapitre 2. De calibre 4,75 - 19 mm, il s’agit d’un mélange de trois granulats dont la couleur et la porosité apparente varient, comme l’illustre la figure 3-1.
Figure 3-1: Types de granulats composant le lot de granulats légers utilisés
L’obtention de ces trois types de granulat résulte du procédé de fabrication. En effet, la surface de la boule de clinker de schiste (figure 3-2) soumise aux hautes températures est le lieu d’oxydation. Cette oxydation ainsi qu’une variation des proportions des minéraux présents dans les différentes parties de la boule de clinker expliquent les différences de couleur dans les types de granulats produits. Le fait que les pores soient plus ou moins apparents dans les trois types de granulats légers vient de la dernière étape du processus de fabrication : la boule de clinker y est fragmentée jusqu’à l’obtention de particules de taille voulue. Ainsi, suivant sa localisation initiale dans la boule de clinker, le granulat peut présenter l’une ou l’autre des différentes combinaisons de caractéristiques observées.
Figure 3-2: Boule de clinker et particules de granulats légers obtenues au terme du processus de fabrication
Par ailleurs, il est nécessaire de mentionner un autre point très important concernant les granulats légers utilisés. En effet, l’absorption à vingt-quatre heures est loin de représenter la capacité d’absorption maximale des granulats. Comme le montre la figure 3-3, l’absorption des granulats légers initialement secs présente une évolution significative s’étalant sur quelques mois. Pour les granulats légers utilisés dans la présente étude, l’absorption atteint environ 9 % au bout de vingt-quatre heures, environ 20 % au bout de cinquante jours, pour se stabiliser à environ 30 % après plus d’un an.
Figure 3-3 : Évolution de l'absorption des granulats légers initialement secs immergés dans l'eau (en pourcentage de masse)
La cinétique d’absorption des granulats légers utilisés doit être prise en considération dans la formulation. Tout d’abord, il apparait préférable de ne pas fabriquer de mélange avec des granulats légers dont la teneur en eau est inférieure à 10 %. En effet, en-deçà de cette valeur, le risque que les granulats légers absorbent de l’eau de gâchage et causent ainsi une diminution de la maniabilité, est élevé. Par ailleurs, l’évaluation de l’apport en eau des granulats légers se révèle un paramètre fondamental dans la maitrise du rapport e/L effectif du mélange fabriqué. Par exemple, des granulats légers avec une teneur en eau effective (MT) de 15 % apporteront-ils à l’eau de gâchage la même quantité d’eau que des granulats avec une teneur en eau effective de 27 % ?
3.2.2 Phases expérimentales et variables étudiées
Dans le cadre de ce projet, quatre phases expérimentales en laboratoire (P1, P3, P4 et P5) et une phase expérimentale « in situ » (P2) ont été réalisées. Les phases P1 et P3 ont mis en œuvre deux approches différentes pour évaluer la quantité d’eau en provenance des
0 5 10 15 20 25 30 35 0 50 100 150 200 250 300 350 400 A b so rp ti o n (% masse) Age (jours) Holm 2003 GL du projet
granulats légers disponible pour l’hydratation. Les phases P4 et P5 ont servi à tester l’approche qui apparaissait la plus juste avec des conditions initiales différentes (teneur en eau des GL au moment de la fabrication). La figure 3-4 en présente la chronologie.
Figure 3-4: Chronologie des phases expérimentales
Au fil des phases expérimentales, les points focaux à l’étude étaient donc : la teneur en eau des granulats légers ;
la méthode d’évaluation de la quantité d’eau en provenance des granulats légers disponible pour l’hydratation.
Le tableau 3-3 résume les principales caractéristiques des mélanges de béton léger étudiés de chacune des cinq phases expérimentales. Les méthodes d’évaluation de la quantité d’eau en provenance des bétons légers et prise en compte dans l’eau de gâchage sont décrites dans les sous-sections 3.3.4.1 et 3.3.5.3, correspondant respectivement à la méthode classique et à la méthode « Holm ». Brièvement, la méthode « Holm » a été introduite pour optimiser l’évaluation dans des cas où la teneur en eau des granulats légers est élevée (> 20 %). ID Phase expérimentale 2010 2009 juil. déc. août mai août avr. juil. févr. oct.
janv. mars juin sept. nov. janv. févr. mars avr. mai juin
1 Phase expérimentale P1
2 Phase expérimentale P2
3 Phase expérimentale P3
4 Phase expérimentale P4
Tableau 3-3: Caractéristiques des mélanges de béton léger fabriqués dans les différentes phases expérimentales
* Teneur en eau effective des granulats légers lors de la fabrication du béton.
3.2.3 Formulations des mélanges fabriqués en laboratoire
3.2.3.1 Exemple de calcul détaillé
La méthode de calcul des formulations des mélanges fabriqués en laboratoire est décrite ci-après à travers l’exemple de la formulation du mélange T13L.
D’après la norme 3101 du MTQ, la quantité minimale de liant est de 410 kg/m3. De plus, le rapport E/L et la teneur en air doivent être compris respectivement entre 0,34 et 0,38, et entre 5 et 8 %. Étant donné que l’objectif du projet concerne la fabrication d’éléments de structure à grande échelle, il apparait judicieux de limiter autant que possible la quantité de liant, puisque le coût du liant est prépondérant. De fait, le principe adopté dans la formulation des mélanges sera d’utiliser la quantité minimale de liant préconisée par la norme 3101 du MTQ.
En l’occurrence, on a donc ⁄ . De plus, on considère un rapport E/L de 0,35, valeur plus simple pour les calculs, et une teneur en air de 6,5 %, valeur moyenne de l’intervalle exigé. Les différentes étapes de la formulation sont résumées à travers les équations ci-après, les caractéristiques des matériaux figurant dans le tableau 3-4.
Phase expérimentale P1 P2 P3 P4 P5
Rapport e/L 0,35 0,45 0,35 0,35 0,45 0,35 0,35
Teneur en eau des granulats
légers (en %masse)* 13,2 15,1 15,8 20,2 21,6 26,9 15,4
Tableau 3-4: Caractéristiques des matériaux utilisés dans le calcul de formulation
Calcul du volume de pâte :
(éq. 3.1.)
(éq. 3.2.)
(éq. 3.3.)
⁄ (éq. 3.4.)
Volume des granulats
(éq. 3.5.)
Volume des adjuvants :
⁄ (éq. 3.6.)
(éq. 3.7.)
Ciment Sable GL SP AEA
Dosage par kg de ciment
(ml/kg) 1,95 0,15
Proportion de masse solide
(% masse totale) 50 10,5
Masse volumique ρ (SSS pour les granulats) (103 kg/m3)
Correction de la masse du SP :
⁄ (éq. 3.8.)
(éq. 3.9.)
⁄ (éq. 3.10.)
(éq. 3.11.)
Correction de la masse de l’AEA :
(éq. 3.12.)
(éq. 3.13.)
(éq. 3.14.)
⁄ (éq. 3.15.)
(éq. 3.16.)
Correction de la masse d’eau :
⁄ (éq. 3.17.)
Correction de la masse des granulats :
Le rapport volumique sable/gros granulat préconisé pour tous les mélanges fabriqués en laboratoire est égal à 1,0.
(éq. 3.19.)
⁄ (éq. 3.20.)
(éq. 3.21.)
Dans ce calcul, la densité des granulats légers correspond à la densité brute « SSS » des granulats après 24h d’immersion dans l’eau (initialement secs). Le terme « SSS » n’est pas approprié pour les granulats légers, puisque 24 h d’immersion ne suffisent pas pour qu’ils atteignent un état saturé. Cependant, la notation est conservée pour fins de comparaison avec les bétons ordinaires.
⁄
(éq. 3.22.) On connait ainsi les proportions massiques et volumétriques de tous les constituants entrant dans la composition du mélange. Les formulations des autres mélanges sont calculées de la même façon, en tenant compte des rapports E/L, des teneurs en liant et des teneurs en air respectives.
3.2.3.2 Formulations théoriques des mélanges fabriqués en laboratoire
Les formulations théoriques des mélanges fabriqués sont présentées dans le tableau 3-5.
Tableau 3-5: Formulation théorique des différents types de mélanges fabriqués. Mélange T5T T5L T13T T13L Rapport e/L 0,45 0,45 0,35 0,35 Liant (kg/m3) 365 365 410 410 Eau (kg/m3) 163,3 163,3 143 143 Sable (kg/m3) 880,1 880,1 888 888 Pierre 5-14 (kg/m3) 863,5 871,3 Granulats légers 5-20 (kg/m3) 508,2 512,8 SP, solide (kg/m3) 0,39 0,39 0,44 0,44 SP, liquide (kg/m3) 0,39 0,39 0,44 0,44 AEA, solide (kg/m3) 0,0058 0,0058 0,0065 0,0065 AEA, liquide (kg/m3) 0,49 0,49 0,0554 0,0554 Masse totale (kg/m3) 2273,2 1917,4 2313,2 1954,8 3.2.3.3 Procédure de malaxage
La séquence de malaxage observée est celle préconisée au laboratoire du CRIB (Centre de Recherche sur les Infrastructures en Béton) et se déroule comme suit :
incorporer tous les matériaux secs dans le malaxeur ; malaxer les matériaux secs pendant 1 minute ; ajouter l’eau et les adjuvants ;
malaxer le mélange pendant 3 minutes ;
attendre 3 minutes en recouvrant le béton afin de minimiser l’évaporation de l’eau du mélange ;
3.2.3.4 Liant
Le liant utilisé est un ciment hydraulique ternaire, composé de ciment Portland (HE type 30), de laitier et de fumée de silice, dont les proportions massiques nominales sont respectivement de 73 %, 22 % et 5 %. Ce liant a fait l’objet d’une analyse chimique par un laboratoire externe. Cette analyse a été effectuée séparément sur les trois composés avant qu’ils ne soient broyés ensemble. Les résultats, comprenant la composition chimique, la densité et des mesures de Blaine selon la norme ASTM C-204-00, sont présentés dans le tableau 3-6. La granulométrie du ciment ternaire utilisé est également illustrée sur la figure 3-5.
Tableau 3-6: Résultats de l’analyse chimique des composants du liant utilisé dans les trois phases expérimentales effectuées au laboratoire, exprimés en pourcentage massique
Composant du liant Ciment Portland Laitier Fumée de Silice
SiO2 20,0 36,13 88,94 Al2O3 5 9,58 0,71 Fe2O3 2,4 0,52 3,18 MgO 2,6 12,49 0,51 CaO 62,5 36,47 2,05 Na2O 0,22 K2O 0,93 SO3 4,2 3,61 0,03 TiO2 0,79 0,02 Autres composants 2,15 0,41 4,56 Perte au feu 1,8 Densité (g/cm3) 2,98
Figure 3-5: Granulométrie du ciment ternaire utilisé dans les phases expérimentales en laboratoire
3.2.3.1 Adjuvants
Un superplastifiant (SP), agent réducteur d’eau à base de polycarboxylate, et un agent entraineur d’air (AEA), solution liquide d’acides gras sulfonés, ont été utilisés dans les phases expérimentales en laboratoire. Leurs caractéristiques sont présentées dans le tableau 3-7.
Tableau 3-7: Caractéristiques des adjuvants utilisés dans les phases expérimentales en laboratoire Adjuvants SP AEA Densité relative (25 °C) 1,10 1,007 % masse solide 50 10,5 0 1 2 3 4 5 6 0,01 0,1 1 10 100 P ro p o rt io n (% )
Taille des particules (µm)
3.2.3.2 Granulats fins
Le granulat fin utilisé est un sable siliceux naturel et tamisé provenant d’une sablière à St-Joachim au Québec. Différents lots ont été utilisés au fil des phases expérimentales. Un premier lot a été utilisé dans les phases P1 et P3, un deuxième dans les phases P4 et P5 et un troisième dans la phase P2. Les résultats des essais granulométriques effectués sur des échantillons prélevés au laboratoire sont présentés dans le tableau 3-8 et sur la figure 3-6.
Figure 3-6:Distribution granulométrique des lots de sable
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,01 0,1 1 10 T a m is a t ( % ) Tamis (mm) Fuseau Sable P1 et P3 Sable P4 et P5 Sable P2
Tableau 3-8: Distribution granulométrique et caractéristiques des lots de sable
Tamis (mm)
Tamisat (%) Exigences
(CSA A23, 2-2 A) Sable P1 et P3 Sable P4 et P5 Sable P2
10 100 100 100 100 5 95-100 99 99 99 2,5 80-100 96 95 87 1,25 50-90 88 85 72 0,63 25-65 58 55 50 0,315 10-25 24 22 26 0,16 02-10 6 5 9 0,08 2 1 3 Module de finesse 2,29 2,39 2,60
Densité relative brute SSS 2,710 2,701 2,449
Absorption (%) 0,56 0,50 0,56
3.2.3.3 Gros granulats
Le gros granulat ordinaire utilisé est une pierre calcaire concassée provenant d’une carrière se trouvant à St-Marc-des-Carrières au Québec. De calibre 5 - 14 mm, les granulats sont durs et d’apparence peu poreuse. Deux lots distincts ont été utilisés au cours des phases P1 et P3. Le tableau 3-9 et la figure 3-7 présentent les résultats des essais granulométriques effectués par un laboratoire externe. Tel que mentionné précédemment, le granulat léger est un schiste expansé fabriqué au Nord-Est des États-Unis, de calibre 4,75 – 19 mm.
Figure 3-7: Distribution granulométrique des gros granulats utilisés dans les phases expérimentales
Tableau 3-9: Distribution granulométrique et caractéristiques des gros granulats
Tamis (mm)
Tamisat (%) Exigences Pierre
(CSA A23, 2-2 A) Pierre P1 Pierre P3 (CSA A23, 2-2 A) Exigences GL GL
28 100 20 100 100 100 85-100 99 14 90-100 90 96 50-90 68 10 45-75 27 46 25-60 33 5 0-15 2 2 0-10 1 2,5 0-5 1 2 0-5 1 Module de finesse 1,97 1,96 1,98
Densité relative brute SSS 2,677 2,682 1,580*
Absorption (%) 0,59 0,44 9,05
En ce qui concerne les GL, il convient de préciser comment ces derniers sont préparés avant la fabrication du béton. En effet, afin d’éviter qu’ils absorbent une partie de l’eau de gâchage et nuisent à la maniabilité du béton, les GL sont immergés dans l’eau avant d’être utilisés pour fabriquer les mélanges de béton léger. La durée d’immersion est d’autant plus grande que la teneur en eau souhaitée des GL est élevée. Avant d’être immergés, les GL sont totalement secs. Trois heures avant le contact eau/liant et le début du malaxage, un échantillon des GL est prélevé afin d’en déterminer la teneur en eau. Cet échantillon est laissé à l’air libre pendant trente minutes pour que les GL s’égouttent. Il est à noter que cette opération est également pratiquée avant que les GL ne soient introduits dans le malaxeur. Le dispositif d’égouttage est présenté sur la figure 3-8.
Figure 3-8: Dispositif d'égouttage des GL
La teneur en eau des GL est donc mesurée après 30 minutes d’égouttage de l’échantillon prélevé trois heures avant la gâchée. Après cette période d’égouttage, environ 1 kg de GL est placé dans un récipient. Après en avoir déterminé la masse précisément (mesure m1, utilisée dans la détermination de MT), l’échantillon est séché dans une
serviette, puis replacé dans le récipient sec. Dès lors, une deuxième mesure de masse est effectuée (mesure m2, utilisée pour déterminer MAB). Finalement, l’échantillon est séché sur une plaque électrique pendant deux heures. La masse sèche ms est finalement mesurée. Il est à noter que les GL sont maintenus sur la plaque électrique pendant une durée additionnelle de six heures pour s’assurer que la totalité de l’eau est bien évaporée et que la valeur ms est conforme (ce qui a été le cas à chaque fois).
Cette procédure permet de calculer les deux paramètres suivants des GL au moment de la fabrication du béton :
Teneur en eau effective des GL : (éq. 3.23.)
Teneur en eau des GL, surface séchée : 2
(éq. 3.24.)
2 Remarque : Le paramètre M
AB n’est employé qu’à partir de la deuxième phase expérimentale
3.2.4 Procédures d’essai
L’ensemble des essais réalisés en laboratoire au cours des phases expérimentales est présenté dans cette section. De plus, s’il y a lieu, les spécificités des essais pour une phase particulière seront précisées dans la section qui lui est consacrée.
3.2.4.1 Essais sur le béton frais
Les essais de caractérisation des propriétés du béton frais ont été effectués selon les normes suivantes :
masse volumique : CSA A23.2-3C ; affaissement : CSA A23.2-5C ;
teneur en air : méthode pressiomètrique (ASTM C231) méthode volumétrique (ASTM C173).
3.2.4.2 Essais pour la détermination des propriétés mécaniques.
Les essais pour la détermination des propriétés mécaniques (résistance en compression (ASTM C495), résistance en traction par fendage brésilien (ASTM C496) et module élastique (ASTM C469)) ont été réalisés sur des éprouvettes cylindriques de 100 mm de diamètre et 200 mm de hauteur. Les éprouvettes sont démoulées 24 heures après leur fabrication et protégées contre toute perte d’humidité à l’aide d’une toile de jute humide. Elles sont ensuite placées en conditions de mûrissement à 23 °C et 100 % d’humidité relative jusqu’aux échéances prévues à 1, 3, 7 et 28 jours. De plus, des cures à 23 °C et 50 % d’humidité relative ont été réalisées sur une autre série d’éprouvettes à partir de 3 jours, avec des échéances d’essai à 7 et 28 jours. Avant les essais, les surfaces inférieure et supérieure des cylindres sont polies à l’aide d’une surfaceuse rotative. Les essais sont réalisés au moyen d’une presse hydraulique en respectant les taux de chargement normalisés applicables qui varient selon les dimensions de l’éprouvette. Pour des éprouvettes cylindriques de 100200 mm, le taux de chargement est de 0,25 MPa par
seconde dans les essais de compression et de module élastique, et de 1 MPa par minute dans l’essai de fendage.
3.2.4.3 Essai de retrait de séchage
L’essai de retrait de séchage (ASTM C157) est effectué sur des éprouvettes prismatiques de 7575285 mm ayant subi un murissement de 2 jours en chambre humide à 23 °C et 100 % HR, après 24 h dans leurs moules recouverts d’une jute humide. Des mesures ont été prises toutes les demi-heures pendant les deux premières heures de l’essai, puis chaque jour pendant la première semaine. Par la suite l’espacement des mesures variait suivant l’ampleur de l’évolution des mesures. Les valeurs de la température et de l’humidité relative de la chambre étaient en moyenne de 22.3 °C et 53.4 % sur la période de mesure.
3.2.4.4 Essai de retrait restreint annulaire
Le dispositif d’essai est composé d’un anneau d’acier (dont le module élastique est connu) autour duquel une éprouvette annulaire de béton est mise en place (Figure 3.9) [MOD, 2010]. Cette dernière commence à se contracter dès qu’elle est exposée au séchage. La contraction est partiellement gênée par l’anneau d’acier, mais le béton parvient tout de même à déformer l’anneau métallique. Cette déformation engendrée par la contraction de l’échantillon annulaire de béton peut être mesurée en installant des jauges de déformations sur la face intérieure de l’anneau d’acier. Les déformations enregistrées à intervalles de temps réguliers permettent de déterminer l’évolution des contraintes de traction du béton dans le temps et de déterminer le moment d’apparition de la fissuration.
Figure 3-9- Configuration du dispositif de l’essai de retrait restreint annulaire selon la norme AASHTO PP-34-99 (R0=139,7 mm; R1=152,4 mm ; R2=228,6 mm; H=152,4 mm) [MOD, 2010]
Le dispositif utilisé pour cet essai est celui de la norme AASHTO (The American Association of State Highway and Transportation Officials) dont les paramètres géométriques sont présentés sur la figure 3.9. Deux éprouvettes annulaires sont fabriquées par mélange afin de s’assurer de la reproductibilité des essais. Toutes les éprouvettes subissent un mûrissement humide (à l’eau) de 3 jours au moyen d’une membrane de géotextile imbibée d’eau posée sur la surface supérieure de l’anneau de béton. Un couvercle en polystyrène recouvre l’ensemble du dispositif (anneau de béton, anneau d’acier et le moule) afin d’éviter toute perte d’humidité. À la fin de la période de mûrissement, les éprouvettes annulaires sont démoulées et exposées aux conditions d’essais à 23°C et 50 % H.R. La séquence de saisie et d’acquisition des données commence dès la mise en place du béton et se poursuit tout au long des périodes de cure et de séchage jusqu’à la fissuration de l’éprouvette annulaire. R 2 R 1 R 0 H Jauge de déformation
Anneau d’acier Béton
R2
R1 R0
H
3.2.4.5 Essai de fluage en flexion
L’essai de fluage en flexion [MOD, 2010] consiste à appliquer un chargement gravitaire en flexion 4 points (P1=P2=P) sur une poutrelle prismatique des dimensions suivantes : 125010050 mm (figure 3-10). Le dispositif de mesure, un comparateur instrumenté avec un extensomètre numérique, permet d’enregistrer l’évolution de la flèche dans le temps au centre de la poutrelle par rapport aux deux points d’appui de référence (lmesure = 762 mm) situés entre les points d’application des deux charges gravitaires (lflexion = 800 mm).
Figure 3-10- Montage de l’essai de fluage en flexion et le dispositif de mesure [MOD, 2010]
Vingt-quatre heures après la fabrication des poutrelles, celles-ci sont démoulées et des plots métalliques permettant la prise de mesures sont collés au centre et aux points d’appui de référence. Une fois que l’opération de collage de plots est terminée, les poutrelles sont placées dans la chambre de mûrissement à 23 °C et 100 % HR. Une période de mûrissement de 2 jours est ensuite pratiquée pour les séries de poutrelles chargées à des contraintes maximales 1,0 MPa (P = 20 kg). Juste avant le lancement de l’essai, les poutrelles sont scellées sur les quatre faces latérales à l’aide d’un scellant chimique (résine polyuréthane mono-composant) et de papier d’aluminium autocollant. Les valeurs de la température et de l’humidité relative de la chambre étaient en moyenne de 22.3 °C et 53.4 % sur la période de mesure.
225 2 5 0 225 800 225 100 Comparateur doté d’un extensomètre Charge gravitaire de 10 ou 20 kg 50
Au moment du lancement de l’essai, trois cycles de chargement-déchargement sont appliqués aux poutrelles et la flèche au centre est mesurée après chaque cycle. Ce procédé permet de calculer le module élastique des éprouvettes avant de commencer l’essai. L’essai commence en chargeant les poutrelles après les 3 cycles de chargement-déchargement. Les mesures de flèche sont ensuite enregistrées selon les intervalles de temps présentés dans le tableau 3.10.
Tableau 3-10: Séquence des mesures dans l’essai de fluage en flexion
Temps après le lancement de l’essai Intervalle de temps entre les mesures
1ère heure 15 minutes
2e et 3e heure 1 heure
1ère semaine 1 jour
2e, 3e et 4e semaine 1 semaine
Après le 1er mois 1 mois
Le coefficient de fluage est calculé à partir de l’évolution dans le temps de la flèche au centre de la poutrelle, de la manière suivante :
flexion
t
t
0 t
0 (éq. 3.25.)où (t) est la flèche mesurée à l’instant t et (t0) est la flèche initiale au centre de la poutrelle.
3.2.4.6 Essais de durabilité au gel
Les essais de résistance au gel-dégel et à l’écaillage sont effectués respectivement sur des prismes de 75x75x305 mm et des petites dalles rectangulaires de 200x300x75 mm, conformément aux normes ASTM C666 et C672. Il est à noter que l’essai de gel-dégel est fait selon la procédure B de la norme ASTM C666. Pour les mélanges de béton léger, des cures différentes de celles prévues dans les normes ont été adoptées. En effet, des essais préliminaires réalisés au MTQ semblaient montrer qu’une cure telle qu’indiquée dans les normes ASTM pour des bétons ordinaires n’était pas appropriée (dégradation importante