Travaux Pratiques de Matériaux

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1 Université d'artois MASTER 1 GC Année Travaux Pratiques de Matériaux Responsables : E. WIRQUIN, J. PAN

2 TP1 - Détermination des propriétés des mortiers frais 1. Objet. Une des caractéristiques les plus importantes d un mortier ou d un béton est la facilité avec laquelle on peut leur faire épouser les formes les plus variées. Encore faut-il pour cela que ce mortier ou ce béton soit suffisamment plastique pour que la mise en place à l intérieur du coffrage s effectue le plus facilement possible avec une dépense d énergie minimale. Le but du TP est de caractériser la consistance de mortiers adjuvantés en présence ou non de fumée de silice. 2. Mesure de la consistance des mortiers Principe de l essai. Dans cet essai, la consistance est caractérisée par le temps que met le mortier pour s écouler sous l effet de la vibration Equipement nécessaire. Le maniabilimètre consiste en un boîtier parallélépipédique métallique, posé sur des supports en caoutchouc, équipé d un vibrateur et muni d une cloison amovible Conduite de l essai. - Le mortier est introduit dans la partie délimitée par la cloison (partie opposée au vibrateur) et mis en place par piquage en 4 couches. Piquer chaque couche de 10 coups de la tige de piquage, la tige étant tenue parallèlement à la paroi inclinée de la cloison amovible - 2 minutes après la fin du malaxage, la cloison est retirée, provoquant la mise en route du vibrateur et le déclenchement d un chronomètre. Sous l effet de la vibration, le mortier s écoule. - Le chronomètre est arrêté quand le mortier atteint le trait repère sur la paroi opposée du boîtier. - Le temps t mis par le mortier pour s écouler caractérise sa consistance. - Ce temps sera d autant plus court que le mortier sera plus fluide (ou plus maniable). 3. Fabrication des mortiers Constituants des mortiers. - Le sable utilisé est un sable roulé de classe granulaire 0/4. - Le ciment utilisé est un CEM I 52.5 R et son dosage sera pris égal à 450 g/l. - Le superplastifiant utilisé est le Chryso Fluid Premia 205 contenant 30 % d extrait sec (ρadj = 1055 g/l). 2

3 3.2. Préparation des mortiers Composition du mortier. Le mortier doit être composé en masse d une partie de ciment et de 3 parties de sable Malaxage du mortier. Il faut malaxer chaque gâchée de mortier mécaniquement au moyen du malaxeur de laboratoire. Introduire le sable et le ciment et malaxer 30 s à petite vitesse (1). Introduire l eau et le superplastifiant 30 s après le début du malaxage et malaxer 30 s à petite vitesse (1) puis 30 s à grande vitesse (2). Repos d 1 mn 30 s et raclage du fond et pourtour du bol à l aide d une spatule en caoutchouc. Malaxer 1 minute à grande vitesse (2). TRAVAIL DEMANDE. 1 ) Détermination du dosage maximum d adjuvant. L adjuvant a pour fonction de défloculer les grains de ciment, donc de fluidifier le mélange. Etude d un mortier dosé à 450 g/l et avec un rapport E/C égal à 0,51. Faire varier le dosage en adjuvant entre 0,8% et 2% en extrait sec (attention, ne pas oublier de tenir compte de l eau contenue dans le superplastifiant). A partir de la courbe du temps en fonction du dosage en adjuvant, déterminer le dosage maximum en adjuvant. Commenter l allure de la courbe et conclure. 2 ) Influence de la fumée de silice sur le dosage en adjuvant. On opérera avec un dosage en ciment C = 450 g/l, un rapport FS/C = 10% et un rapport E/L = 0,44. Déterminer de la même manière le dosage maximum en adjuvant. Expliquer. 3

4 TP 2 - Confection d un Béton Haute Performance 1. Objet. Formuler un BHP selon la méthode de DREUX et la formule de Féret. 2. Données de base. Le squelette granulaire est composé d un sable S 0/4 ( 47% ), d un gravier G 4/16 ( 53% ). Les masses volumiques et coefficients d absorption d eau du sable et du gravillon sont les suivants : ρ S = 2618 kg/m 3 Abs = 1 % ρ G = 2557 kg/m 3 Abg = 1 % - On désire réaliser un béton dont la résistance à la compression à 28 jours f c28 = 60 MPa et dont l'ouvrabilité lors de la mise en œuvre soit telle que son affaissement au cône d Abrams A soit égal à 18 cm. - Le ciment utilisé est un CEM I 52.5 R (prendre comme classe vraie la valeur mesurée sur mortier normal σ c28 = 59 MPa ; ρc = 3.13 kg/l). - Le dosage en ciment minimum imposé pour des conditions de durabilité est Cmin = 350 kg/m 3. - Le superplastifiant utilisé est le Chryso Fluid Premia 205 contenant 30 % d extrait sec (ρadj = 1055 g/l). TP 2 - Confection du béton (NF P ) 1. Objet. Confectionner des éprouvettes cylindriques 16 x 32 cm en béton. 2. Malaxage du béton. Les constituants sont introduits dans l'ordre suivant : graviers, liant, sable. Le mélange anhydre est malaxé 30s. Puis, ajouter l eau de gâchage et malaxer environ 60s. Enfin, introduire le superplastifiant et faire tourner le malaxeur encore 60s. 4

5 3. Essais sur le béton frais Affaissement au cône d'abrams (NF P ). Humidifier la surface d'appui et y assujettir le moule dont la paroi intérieure, bien propre, aura été légèrement huilée. Au moyen d'une pelle creuse, introduire le béton dans le moule en trois couches, chacune ayant une hauteur égale au tiers de la hauteur du cône. Piquer chaque couche 25 fois, avec la tige de piquage, en répartissant les enfoncements uniformément sur la surface du béton et en faisant pénétrer la tige dans la couche sous-jacente s'il y a lieu. A la dernière couche du compactage, ajouter le béton nécessaire afin que le moule soit juste rempli à ras bord. Araser en roulant la tige de piquage sur le bord supérieur du moule. Eviter pendant cette opération un compactage supplémentaire du béton. Démouler immédiatement en soulevant le moule avec précaution, lentement, à la verticale et sans secousses. Procéder dans la minute à la lecture de l'affaissement, en mesurant le point le plus haut du béton affaissé. Si on constate un éboulement ou un cisaillement partiel du béton, recommencer l'essai. En fonction de l'affaissement au cône d'abrams obtenu (A > 10 cm), on choisit comme mode de mise en place du béton dans les éprouvettes le piquage Mise en place des éprouvettes. Huiler les parois latérales des moules. Introduire le béton dans le moule en deux couches. Piquer chaque couche 25 fois, avec la tige de piquage, en répartissant les enfoncements uniformément sur la surface du béton et en faisant pénétrer la tige dans la couche sous-jacente s'il y a lieu. A la dernière couche du compactage, ajouter le béton nécessaire afin que le moule soit juste rempli à ras bords. Procéder à l'arasement des éprouvettes Mesure de la densité réelle du béton frais. Cet essai s'effectue juste après la mise en place des éprouvettes. 5

6 TRAVAIL DEMANDE. 1 ) Déterminer la composition du béton en utilisant la formule de Féret. 2 ) Quelle courbe avez-vous choisi? Argumenter. 3 ) Pour un béton ordinaire, le volume de pâte est de l ordre de 320 l/m 3. Comparer et expliquer cette différence. 4 ) Calculer le dosage en eau efficace E ainsi que le dosage en eau d apport Ea. 5 ) Calculer la densité théorique du béton. 6 ) Confectionner 21 litres de béton et mesurer l'affaissement au cône d'abrams. 7 ) Avez-vous le bon dosage en eau? Si vous n avez pas obtenu l affaissement désiré, quelle est la solution et quelles en seront les conséquences? 8 ) Mesurer la densité réelle du béton. Le dosage calculé fait-il un mètre cube? 9 ) Donner la correction à apporter si le dosage ne fait pas un mètre cube. 10 ) Sensibilité d une formulation. La norme ENV demande que les dosages en ciment, en eau efficace E et en granulats soient réalisés avec une précision de ± 3 %. Etudier, à partir de la composition théorique, comment de telles variations de dosages peuvent, dans le cas le plus défavorable, influer sur la résistance. 6

7 La formule de Féret. La formule de Féret relie la résistance à 28 jours f c28 à : la classe vraie du ciment σ c28, le squelette granulaire, la porosité de la pâte p (ou sa compacité c). fc 28 = G1 σ c28 ( 1 p )² = G1 σ c28 c² G1 = coefficient sans dimensions appelé coefficient granulaire qui dépend de la nature des granulats (de la qualité). En général G1 varie peu autour de 4,9. avec c = 1 p = 1 Ve Va Vc + Ve + + Va = Vc Vc + Ve + Va soit 1 c c = Ve Vc + Va Hypothèse : Va = 0 donc alors C E 1 c c = Vc Ve ρeve ρe = = ρcvc ρc ( 1 c c ) Va 0 En réalité, le volume d air occlus n est jamais nul. En fait, dans la formule de Féret, les volumes d air et d eau jouent le même rôle. On peut donc remplacer le volume d air Va par un même volume d eau, ce qui conduit à travailler avec un dosage en eau fictif E. D où, E' = E + Va ρe 7

8 Estimation du volume d'air occlus Va ( 0 /00) Consistance D = 16 mm D = 25 mm D = 40 mm Ferme (1 cm A 4 cm) 29 ± ± ± 9 Plastique (5 cm A 9 cm) 19 ± ± 7 9 ± 5 Très plastique (10 cm A 15 cm) 16 ± 9 12 ± 7 7 ± 4 Fluide (16 cm A 21 cm) 10 ± 8 8 ± 6 5 ± 3 Le dosage en eau et en ciment. On peut sélectionner la famille de courbes correspondant au type de béton à confectionner. Dans la famille choisie, on sélectionne à priori une des courbes qui correspond au dosage optimum en ciment pour le dosage en adjuvant considéré. Soit Cmin et Cmax les bornes extrêmes de ce dosage en ciment. On peut donc lire sur l abaque le dosage en eau E correspondant. La connaissance de E /C permet de déduire C. Si Cmin < C < Cmax, les dosages E et C sont satisfaisants. Si C > Cmax, le dosage en eau est trop important (on doit utiliser une courbe correspondant à un dosage en ciment supérieur). Si C < Cmin, le dosage en eau est trop faible pour le dosage en ciment choisi (on doit travailler avec un dosage en ciment plus faible). 8

9 TP 3 - Mesure de la résistance à la compression du béton (NF P ) 1. Objet. Déterminer la résistance à la compression et le module d'élasticité d'un Béton Haute Performance 2. Eprouvettes. Les éprouvettes utilisées sont des cylindres 16 x 32 cm (2 éprouvettes). 3. Détermination de la masse volumique des éprouvettes. Calculer leur masse volumique, en divisant la masse par le volume correspondant et la comparer à celle déterminée dans le TP précédent. 4. Surfaçage des éprouvettes. Les surfaces des éprouvettes cylindriques ne sont jamais planes, et pour bien repartir les efforts, les éprouvettes doivent être rectifiées par surfaçage au soufre. On utilise un mélange de 60% massique de fleur de soufre et 40% de sable fin (D 0,5 mm) que l'on chauffe dans un récipient approprié (durant cette opération, mettre la hotte en marche car il y a dégagement d'odeurs désagréables). Le dispositif de surfaçage est simple à utiliser : huiler le fond de l'appareil, verser une louche de mélange fondu dans la coupelle, descendre aussitôt l'éprouvette sur le mélange tout en appuyant sur les guides pour qu'elle soit verticale, la maintenir quelques instants jusqu'au durcissement du mélange; faire la même opération pour la deuxième face. 5. Conduite de l'essai de compression simple. Mettre en place et bien centrer l'éprouvette sur le plateau de la presse. Appliquer la charge de manière continue à une vitesse de 600 kn/mn, jusqu'à la rupture. Retenir pour charge de rupture la charge maximale enregistrée au cours de l'essai et calculer à 0,5 MPa près, la résistance correspondante f c en MPa. f c = F S max où Fmax est la charge maximale en kn, et S la section de l'éprouvette. 9

10 6. Le module d'élasticité instantané du béton. Sur une des trois éprouvettes, nous allons mesurer le module d'élasticité instantané du béton à l'aide d'un extensomètre à béton. Les trois capteurs de l'extensomètre vont nous permettre de suivre l'évolution de la déformation longitudinale de l'éprouvette sur une base de mesure de 11 cm. Nous déterminons le module d'élasticité E en traçant la courbe σ = f ( ε l ), pour σ variant de 0 à 0,5 c f, E étant le coefficient de la tangente à la courbe. Pour cet essai, la vitesse de chargement sera de 0.3 mm/mn. TP 3 - Mesure de la résistance à la traction par fendage du béton (NF P ) 1. Objet. Déterminer la résistance au fendage du béton. 2. Eprouvette L'éprouvette utilisée est un cylindre 16 x 32 cm (1 éprouvette). 3. Détermination de la masse volumique de l'éprouvette. 4. Conduite de l'essai. Placer l'éprouvette et les bandes de chargement entre les plateaux de la presse (horizontalement). Appliquer la charge d'une manière continue et sans chocs. La vitesse de chargement doit être constante pendant toute la durée de l'essai et égale à 240 kn/mn. Retenir pour charge de rupture la charge maximale enregistrée au cours de l'essai et calculer à 0,1 MPa près la résistance correspondante f t en MPa. f t = 20 F πdh max où Fmax est la charge maximale en kn, d le diamètre de l'éprouvette en cm h la hauteur de l'éprouvette en cm. 10

11 Travail demandé. 1 ) Déterminer la masse volumique du béton durci et la comparer à celle du béton frais. 2 ) Calculer la résistance à la compression du béton. Décrire la rupture de l'éprouvette. 3 ) Vérifier le critère de conformité pour la résistance en compression de ce béton, en supposant que 3 éprouvettes ont été testées. 4 ) Lors de l'élaboration de ce béton, on avait prévu une résistance à la compression de 60 MPa. Quel changement pourrait-on apporter au nouveau dosage en ciment suivant la résistance réelle obtenue? 5 ) A partir de la courbe de la résistance à la compression en fonction de la déformation longitudinale du béton, déterminer le module d'élasticité instantané du béton. 6 ) Le module d'élasticité instantané Ei d'un béton peut être évalué par la relation suivante (BAEL) : E = i f cj où f cj est exprimé en MPa. Calculer Ei et le comparer avec celui mesuré. 7 ) Déterminer la résistance à la traction par fendage f t et décrire la forme de rupture de l'éprouvette. 8 ) Le BAEL définit la résistance à la traction à partir de la résistance à la compression à j jours (pour j 28 jours) par les formules suivantes : tj 2 / 3 0,3 fcj f = pour des bétons < C 50/60 f =,12 ln(1 + ( f /10)) pour des bétons > C 50/60 tj 2 cj Calculer la résistance à la traction et la comparer à celle mesurée. Nota : vous pouvez évaluer la résistance à la compression à j jours par la formule suivante : j f c j = 4,76 + 0,83 j f c 28 11

12 Contrôle de conformité de la résistance en compression - Soit f cm la moyenne arithmétique des résistances à la compression obtenues sur n résultats d essais (critère 1) - Soit f ci le résultat individuel de résistance à la compression d un essai (critère 2) - Soit f ck la résistance caractéristique d'un béton Plan d échantillonnage et d essais Fréquence minimale d échantillonnage Production Initiale (jusqu à ce que 35 résultats d essai au moins aient été obtenus) Continue (une fois que 35 résultats d essai au moins ont été obtenus) 50 premiers m 3 de la production 3 échantillons Au-delà des 50 premiers m 3 de production Béton avec certification du contrôle de production 1 échantillon tous les 200 m 3 ou 2 échantillons par semaine de production 1 échantillon tous les 400 m 3 ou 1 échantillon par semaine de production Béton sans certification du contrôle de production 1 échantillon tous les 150 m 3 ou 1 échantillon par jour de production Critère de conformité La conformité de la résistance en compression du béton est évaluée pour : des groupes de «n» résultats d essais consécutifs f cm chaque résultat individuel d essai f ci La conformité est confirmée si les 2 critères donnés pour la production initiale ou continue sont satisfaits : Production Nombre «n» de résultats d essai de résistance dans le groupe Critère 1 Critère 2 Moyenne de n résultats (f cm ) en MPa Chaque résultat individuel d essai (f ci ) en MPa Initiale 3 f ck + 4 f ck - 4 Continue 15 f ck σ f ck