LA GRANULOMÉTRIE CORRECTE DES SABLES POUR UNE QUALITÉ OPTIMALE DES BÉTONS ROUTIERS

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1 LA GRANULOMÉTRIE CORRECTE DES SABLES POUR UNE QUALITÉ OPTIMALE DES BÉTONS ROUTIERS Ir OLIVIER PILATE Account Manager SAGREX Ir CLAUDE PLOYAERT Quality Engineer District South INTERBETON Summary La qualité du sable a une influence à tout point de vue sur la qualité d un béton. Elle influence directement l ouvrabilité, la durabilité et la résistance du béton. Cette article s attarde principalement sur la granulométrie des sables et l influence de celleci sur la demande en eau. Une granulométrie optimale est proposée et celleci est comparée aux exigences des cahiers des chargestypes en vigueur. De kwaliteit van het zand heeft een grote invloed op de kwaliteit van het beton. Het beïnvloedt direct de verwerkbaarheid, de duurzaamheid en de drukweerstand van het beton. Dit artikel richt zich vooral op de korrelgrootteverdeling van zanden en de invloed daarvan op de waterbehoefte. Een optimale korrelverdelingskromme voor een betonzand wordt voorgesteld en het wordt vergeleken met de eisen van de van kracht zijnde typebestekken. 1

2 1. Définition d un bon sable à béton Un bon sable pour béton doit contenir peu de grains de dimension inférieure à 100 µm ; il doit être riche en grains moyens (0,250 à 0,500 mm) et ses grains doivent avoir la forme la plus arrondie possible. Un gros sable rond possède, en général, ces caractéristiques. Il dispose naturellement d une bonne granulométrie et il est essentiellement constitué de grains gros et surtout moyens. La proportion de grains de dimensions supérieures à 2 mm n excède pas 10 à 15 %. Un sable trop fin a une demande en eau de mouillage trop élevée (de 12 à 15 % en masse). Cette eau inutile fait naturellement augmenter le rapport E/C. Un sable trop gros présente généralement deux défauts. Il contient parfois jusqu à 30 % de grains supérieurs à 2 mm. Autrement dit, il surdose notablement le squelette pierreux du béton et il sousdose fortement la fraction sable (fraction 0,080 2 mm). La demande en eau de mouillage de ces sables est comparable avec celle d un bon sable à béton (environ 9 % en masse) mais la liquéfaction de la pâte de ciment produit une instabilité du mélange frais, elle conduit à une ségrégation et un ressuage importants. Aujourd hui, les gros sables ronds se font de plus en plus rares et sont souvent remplacés par des sables de concassage de granulométrie 0/4. Ceuxci sont également des sables dits gros mais par le caractère anguleux des grains, ils peuvent aboutir à des bétons peu ouvrables. Pour des sables de concassage à grains cubiques cependant, l ouvrabilité est améliorée. Ce caractère anguleux des grains, fortement variable d un sable de concassage à un autre, dépend de l origine de la pierre et du procédé de concassage. Bien que la demande en eau d un sable de concassage peut être comparable à celle d un bon sable rond voire même être inférieure, il faut liquéfier, ici aussi, la pâte de ciment pour obtenir l ouvrabilité souhaitée. Ceci conduit généralement à un ressuage important du béton après sa mise en œuvre. Ainsi, un bon sable pour la confection d un béton routier peut être résumée comme suit (illustration I) : sable gros : granulométrie étalée de 0 à 2 mm ; ceci se traduit par un module de finesse généralement compris entre 2,4 et 2,9 ; forme arrondie ou cubique des grains ; teneur en éléments < 0,063 mm d au maximum 3 % quantité de grains entre 0,250 et 0,500 mm supérieure à 30 %. 2

3 Ceci dit, les sables sont ce qu ils sont. Ainsi, en pratique, la granulométrie du sable est généralement corrigée par l apport d un autre sable tel que ce dernier comble les lacunes du premier en grains de dimensions données. Illustration 1 : courbe granulométrique et caractéristiques optimale d un sable pour la confection d un béton routier 2. Exemples de teneur en eau des sables Les société SAGREX et INTERBETON ont mis au point une méthode d essai afin de déterminer la demande en eau des sables produits et/ou utilisés par ces sociétés. Cette méthode est inspirée de la méthode MBE (mortierbéton équivalent) et est basée sur le fait qu il existe une corrélation reliant les propriétés rhéologiques d un béton au mortier qui le compose. Les propriétés rhéologiques sont mesurées par la mesure d affaissement d un mortier au minicône dont les dimensions sont celles du cône d abrams divisées par 2 (voir illustration 2). La demande en eau du sable testé est exprimée en % de la masse sèche du sable. Un mortier est fabriqué en y ajoutant de l eau jusqu à une ouvrabilité souhaitée. Connaissant la quantité d eau totale du mortier, la demande en eau du ciment utilisé et l absorption d eau du sable, la demande en eau du sable peut être calculée. Quelques exemples de résultats sont donnés ciaprès. 3

4 Illustration 2 : mesure de l affaissement d un mortier au minicône 2.1. Cas d un sable gros de rivière 0/4 La courbe granulométrique du sable est donnée à l illustration 3. Ce sable est légèrement plus gros que le sable idéal mentionné au 1, son module de finesse est de 2,9. La demande en eau mesurée pour ce sable est de 8,7 %. Ce sable de rivière convient parfaitement Illustration 3 : courbe granulométrique d un sable de rivière 0/4 4

5 2.2. Cas d un sable rond fin La courbe granulométrique du sable est donnée à l illustration 4. Ce sable est dit fin et son module de finesse est égal à 1,7. Sa demande en eau est de 12,8 %. Il est évident que ce sable, utilisé seul, ne peut convenir pour la fabrication d un béton devant présenter une bonne ouvrabilité. Illustration 4 : courbe granulométrique d un sable de fin de mer 0/ Cas d un sable de concassage 0/4 La courbe granulométrique d un sable de concassage calcaire 0/4 est donnée à l illustration 5. Ce sable à grains anguleux est un sable présentant une granulométrie étalée de 0 à 4 mm. il s agit donc d un sable gros, son module de finesse est de 2,5. Néanmoins, il présente également une teneur en éléments plus fins (< 0,250 mm) assez importante. Malgré ces caractéristiques théoriquement défavorables, la demande en eau de ce sable est de 7,9 %. Celleci est donc plus faible que celle du sable gros de rivière présenté ciavant. Ceci vient du fait que ce sable contient une grande partie de grains gros (45 % de grains > 1 mm). 5

6 Illustration 5 : courbe granulométrique d un sable de concassage calcaire 0/ Cas de mélange de sables Les courbes granulométriques de différents mélanges des sables présentés ciavant sont données aux illustrations 6 et 7. Le mélange présenté à l illustration 6 présente un mélange de 80 % de sable de rivière 0/4 avec 20 % de sable fin 0/1 tandis que l illustration 7 présente le mélange de 70 % de sable de concassage 0/4 avec 30 % du même sable fin 0/1. Les résultats de demande en eau sont donné au tableau 1 suivant. Sable Module de finesse Demande en eau (%) Sable de rivière 0/4 2,9 8,7 Sable rond 0/1 1,7 12,8 Sable de concassage calcaire 0/4 2,5 7,9 Mélange 80 % sable de rivière 0/ % sable rond 0/1 2,6 8,3 Mélange 70 % sable de concassage calcaire 0/ % 2,5 8,7 sable rond 0/1 Tableau 1 : modules de finesse et demande en eau des sables 6

7 Illustration 6 : mélange du sable de rivière 0/4 avec le sable rond 0/1 (proportions %) Illustration 7 : mélange du sable de concassage calcaire 0/4 avec le sable rond 0/1 (proportions %) 7

8 Il peut être constaté que la correction granulométrique du sable de rivière 0/4 avec 20 % de sable fin 0/1 permet d obtenir un sable se rapprochant de la courbe granulométrique. Le sable obtenu présente ainsi une demande en eau légèrement plus faible, 8,3 % au lieu de 8,7 %. L ajout de 30 % de ce même sable fin au sable de concassage 0/4 permet d obtenir un sable présentant la même demande en eau que le sable de rivière 0/4. Bien que le sable résultant présente une teneur en grains anguleux assez importante, le mortier est caractérisé par un bon comportement rhéologique. Ceci est partiellement dû à la teneur en fines assez importante du mélange obtenu. 3. Exigences des Cahiers des Charges Types en termes de granulométrie des sables pour revêtements en béton 3.1. Exigences du CCT Qualiroutes de la Région wallonne Le CCT Qualiroutes exige que les sables soient des sables ronds dont la teneur en fines ( 0,063 mm) est limitée à maximum 3 %. En terme granulométrique, des sables 0/4, 0/2 et 0/1 sont autorisés. Les exigences granulométriques de ces sables sont extraites de la norme NBN EN Elles sont données ciaprès au tableau 2. Toutefois, le sable,ou le mélange de sables, réellement utilisé dans le béton doit avoir un module de finesse de catégorie CF selon la norme NBN EN c estàdire un module compris entre 2,4 et 4,0. Dimensions de tamis Pourcentage en masse de passant (mm) 0/4 0/2 0/1 8 5,6 4 2,8 2 1, à à à à à à 99 Tableau 2 : exigences du CCT Qualiroutes en termes de caractéristiques générales de granularité pour les sables destinés aux bétons de revêtements Sur base des quelques exemple de demande en eau donnés ciavant, il pourrait être proposé de modifier ou de compléter ces prescriptions. En effet, des prescriptions générales ne permettent pas de s assurer d une granulométrie optimale d un sable présentant une demande en eau faible. 8

9 3.2. Exigences du SB 250 de la Région flamande Le SB 250 reprend exactement les mêmes exigences que celles du CCT Qualiroutes décrites au 3.1. Elles sont toutefois complétées comme suit : les sables de concassage sont autorisés ; la courbe granulométrique de la fraction 0,063/2 mm du sable doit être comprise dans les limites du fuseau donnés à l illustration 8. Illustration 8 : limite du fuseau de la fraction 0,063/2 mm des sables pour bétons de revêtements selon le SB 250 L illustration 8 reprend également la courbe granulométrique de la fraction 0,063/2 mm du sable idéal présenté au 1. Le fuseau prescrit par le SB 250 entoure parfaitement la courbe granulométrique idéale. A noter que les limites supérieures et inférieures de ce fuseau correspondent respectivement aux modules de finesses de 1,7 et 2,9. La limite supérieure autorise donc un sable trop fin. Il faut toutefois noter que ce fuseau est également d application pour les sables des bétons entrant dans les barrières de sécurité. Ces éléments nécessitent l utilisation d une plus grande quantité de sable fin. Le SB 250 autorise les sables de concassage. Ces sables sont à utiliser avec parcimonie et beaucoup d attention pour les bétons posés à la machine à coffrages glissants. Toutefois, des mesures de demande en eau de ces sables ainsi qu en mélange avec d autres sables ont montré que ceuxci peuvent valablement être utilisés pour certains travaux. 9

10 3.3. Exigences du CCT 2011 de la Région de BruxellesCapitale Les exigences du CCT 2011 sont totalement identiques à celles du CCT Qualiroutes. Les mêmes réserves peuvent donc être dictées à leur sujet. 4. Conclusion Nous retiendrons que les caractéristiques d un sable, à savoir la courbe granulométrique, la teneur en fines et la forme des grains, sont déterminantes pour la demande en eau totale d un béton. Nous avons pu constater qu un mélange de sables peut présenter une demande en eau plus faible que des sables habituellement utilisés pour les bétons routiers et ce, même si un sable de concassage (à grains cubiques) est utilisé dans le mélange. A ce titre, il serait intéressant d envisager à l avenir dans les CCT ce type de mélanges. Enfin, une adaptation des prescriptions s avère être indispensable afin de mieux circonscrire cette problématique. 5. Références bibliographiques NBN EN Granulats pour béton, CCT Qualiroutes Cahier des Charges type Qualiroutes. Service public de Wallonie, 2012 SB 250 Standaardbestek 250 voor de wegenbouw, versie 2.2.Ministerie van de Vlaamse Gemeenschap, Agentschap Wegen en Verkeer, 2010 (+ Errata en Aanvullingen 2012). CCT 2011 Cahier des Charges type Ministère de la Région de Bruxelles Capitales, Administration de l Equipement et des Déplacements, * * * 10