Méthodes de formulation et d optimisation des mélanges de BCR

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1 Les barrages en béton compacté au rouleau Boucherville 2004 Méthodes de formulation et d optimisation des mélanges de BCR Richard Gagné

2 Plan de l exposé 1 / 2 Formulation des BCR Principes de base Matériaux Granulats Choix du liant Air entraîné Autres adjuvants Méthode du volume optimal de pâte (sans air) Principales étapes du processus de formulation Granulométrie optimale Dosage volumique de la pâte Choix du rapport E/L Exemple

3 Plan de l exposé 2 / 2 Méthode du volume optimal de pâte (avec air) Influence de l air entraîné sur les propriétés des BCR Les étapes de la formulation Dosage volumique de la pâte Choix du rapport E/L Analyse comparative : avec et sans air Validation et optimisation de la formulation Maniabilité Teneur en air Résistance à la compression Validation en chantier

4 Formulation - Les principes de base 1 / 9 Un BCR est essentiellement un béton de ciment dont le dosage volumique en pâte est maintenu volontairement faible pour produire un béton frais ayant la consistance d un sol humide non compacté La formulation d un BCR doit se faire selon une approche volumique La démarche de formulation d un BCR ressemble beaucoup à celle d un enrobé bitumineux (méthode Marshal)

5 Formulation - Les principes de base 2 / 9 La consistance très «sèche» du BCR requiert toujours l application d un effort de compactage Rapprocher les particules du granulat pour permettre à la pâte de ciment de combler les vides du squelette granulaire Un BCR bien formulé et bien compacté est en mesure de développer des propriétés mécaniques semblables à celles d un béton conventionnel fabriqué avec le même rapport E/L

6 Formulation - Les principes de base 3 / 9 Un BCR optimal devrait comporter à peu près la quantité de pâte nécessaire pour remplir les vides du squelette granulaire compacté et pour obtenir la maniabilité désirée Pas assez de pâte Faibles propriétés mécaniques, maniabilité trop faible, durabilité plus faible Trop de pâte Pas ou peu de gains de résistance, maniabilité trop élevée, dégagement thermique plus important, coût de production plus élevé

7 Formulation - Les principes de base 4 / 9 Bon remplissage du squelette granulaire Pâte de ciment Granulat Ciment Eau

8 Formulation - Les principes de base 5 / 9 Mauvais remplissage du squelette granulaire Pâte de ciment Granulat Ciment Eau

9 Formulation - Les principes de base 6 / 9 La maniabilité (temps de consolidation Vebe) est une propriété très importante du BCR La qualité du BCR en place est étroitement liée à la maniabilité du BCR frais Les techniques de mise en place exigent que le temps Vebe soit compris à l intérieur de certaines plages optimales Barrages: 10 à 20 secondes Pavages: 30 à 90 secondes

10 Formulation - Les principes de base 7 / 9 Consistance trop humide surplus de pâte Remontée d eau en surface Déformation excessive sous le poids des équipements de mise en place Consistance trop sèche déficit de pâte Risque de ségrégation Diminution de l adhérence entre les couches Surface mal «fermée»

11 Formulation - Les principes de base 8 / 9 La maniabilité peut aussi influencer les propriétés mécaniques du BCR BCR trop «sec» Volume de pâte trop faible pour enrober et combler les vides du squelette granulaire Diminution des propriétés mécaniques Augmentation de la perméabilité Diminution de l adhérence entre les couches Moins bonne durabilité

12 Formulation - Les principes de base 9 / 9 BCR trop «humide» Surplus de pâte Augmentation des coûts de production Ne permet généralement pas d augmenter les propriétés mécaniques Dégagement thermique plus important

13 Formulation Matériaux 1 / 6 Granulats (barrage) Les granulats occupent entre 80% et 85% du volume d un BCR compacté Il est très important de bien choisir la distribution granulométrique des granulats (comme dans le cas enrobés bitumineux ou des matériaux de fondation) Compacité Maniabilité du BCR frais Propriétés mécaniques Coûts de production Le choix de la courbe granulométrique du squelette granulaire est un élément clé de la formulation d un BCR

14 Formulation Matériaux 2 / 6 Granulats (barrage) Diamètre maximal de 40 mm ou moins 25 mm dans certains barrages Augmentation du diamètre maximal: Risque de ségrégation augmente Diminution du dosage en liant Un contenu élevé en fines (< 80 µm) peut avoir des effets favorables (3 à 8% du total granulaire) Gain de maniabilité Diminution du dosage en liant

15 Formulation Matériaux 3 / 6 Liant Le choix du liant est surtout gouverné par les exigences concernant le dégagement thermique et les propriétés mécaniques En général: Type 20M, Type 20BA (anciennes dénominations) Liants contenant de 40% à 60% de cendres volantes Ciment ternaire (cendres volantes et FS) ROLAC Le choix du liant est aussi basé sur des critères économiques Disponibilité et coûts des ajouts Coûts de transport, etc.

16 Formulation Matériaux 4 / 6 Air entraîné La fameuse question : BCR avec ou sans air entraîné? Ma réponse : Avec air entraîné Justificatif (barrage) Peu de problèmes de production d air (drum mixer) Durabilité au gel (requis jusqu à preuve du contraire) Améliore la maniabilité Moins de ségrégation Diminution du dosage en liant Trois projets réels ont déjà été réalisés L inconnu Efficacité avec un malaxeur de type pugmil?

17 Formulation Matériaux 5 / 6 Air entraîné On peut mesurer la teneur en air dans les BCR frais Procédure «pressiomètre» adaptée au BCR Certaines familles d entraîneurs d air sont nettement plus efficaces (BCR) Hydrocarbures sulfonatés 200 à 400 ml / 100 kg de liant Dosages plus élevés que dans les bétons conventionnels (5 à 10 fois) Peu d eau, faible dosage volumique de pâte Interactions AEA - cendres volantes

18 Formulation Matériaux 6 / 6 Autres adjuvants Essentiellement des réducteurs d eau Couramment utilisés dans les BCR Meilleure dispersion des grains de ciment Effet retardateur Typiquement : Acides hydrocarboxiliques 200 ml à 300 ml / 100 kg de liant

19 Formulation - Méthode du volume optimal de pâte Méthode du volume optimal de pâte Procédure simple Requiert relativement peu d essais en laboratoire Un BCR optimal devrait contenir tout juste assez de pâte pour combler les vides du squelette granulaire compacté Approche de formulation volumique

20 Formulation - Méthode du volume optimal de pâte Démarche en 3 étapes 1. Choix d une granulométrie optimale du squelette granulaire 2. Choix du dosage volumique en pâte pour obtenir la maniabilité souhaitée 3. Choix du rapport E/L de la pâte pour atteindre les caractéristiques mécaniques et la durabilité requises Analogie avec la méthode Marshal (enrobés) 1. Granulométrie optimale (courbe de compacité maximale) 2. Dosage optimal en bitume 3. Choix de la classe de bitume (viscosité, indice de pénétration)

21 Formulation 1. Granulométrie optimale 1 / 7 Choix d une courbe granulométrique continue permettant de produire un squelette granulaire le plus dense possible La courbe de Fuller-Thompson constitue généralement un bon départ p = (d/d) 0,45 D: diamètre maximal du granulat (mm) d: ouverture d un tamis (mm) p: pourcentage passant le tamis d ouverture d (mm)

22 Formulation 1. Granulométrie optimale 2 / 7 Passant (%) Dimension maximale du granulat (mm) 0,01 0, Ouverture du tamis (mm)

23 Formulation 1. Granulométrie optimale 3 / 7 Il est généralement plus facile d obtenir un mélange granulaire compact lorsqu on dispose d un sable naturel et d au moins deux calibres de gros granulats Optimisation: Déterminer les proportions relatives de chaque classe granulaire pour s approcher le plus possible de la courbe de compacité maximale Une feuille de calcul Excel peut-être utilisée

24 Formulation 1. Granulométrie optimale 4 / 7 On vise une compacité maximale (minimiser le volume des vides) Fuller-Thompson Passant (%) L/m L/m L/m L/m L/m L/m L/m L/m 3 0 0, Ouverture du tamis (mm)

25 Formulation 1. Granulométrie optimale 5 / 7 Pour une même courbe granulométrique, l indice des vides est aussi influencé par la forme et la texture des particules Un mélange granulaire comportant une forte proportion de particules plates et/ou allongées possède un indice des vides plus important qu un mélange similaire comportant des particules de formes arrondies ou à surfaces lisses La compacité est fortement influencée par la forme et la texture du sable (< 5 mm)

26 Formulation 1. Granulométrie optimale 6 / Fuller-Thompson 80 Passant (%) % de criblure 177 L/m 3 20% de criblure L/m L/m L/m 3 0 0, Ouverture du tamis (mm)

27 Formulation 1. Granulométrie optimale 7 / 7 Mesure du volume des vides (L/m 3 ) du squelette granulaire compacté Généralement compris entre 180 et 200 L/m 3 Comment l obtenir? Compactage à l aide de l appareil Vebe, ou; à partir de la masse volumique pilonnée à sec du mélange granulaire complet ou; à l aide d un compacteur à cisaillement giratoire. En l absence de donnée, on peut amorcer le processus en supposant une valeur typique de 190 L/m 3 Lorsque la courbe granulométrique est assez proche de la courbe optimale Fuller-Thompson

28 Formulation 2. Dosage volumique de la pâte 1 / 3 Choix du dosage volumique de pâte La maniabilité d un BCR est fonction du rapport Vp / Vvc : Vp: Le volume de pâte (eau + ciment + ajout) dans 1 m 3 de BCR (L/m 3 ) Vvc: Le volume des vides dans 1 m 3 du squelette granulaire compacté (L/m 3 )

29 Formulation 2. Dosage volumique de la pâte 2 / 3 BCR pour barrage Vebe (s) ,9 0,95 1 1,05 1,1 Vp/Vvc

30 Formulation 2. Dosage volumique de la pâte 3 / 3 Le temps de consolidation Vebe impose un rapport Vp/Vvc Connaissant Vvc (L/m 3 ), on peut ensuite calculer Vp (L/m 3 ) Pour ajuster la maniabilité, il suffit de varier légèrement le volume de pâte (eau + ciment + ajout)

31 Formulation 3. Choix du rapport E/L 1 / 3 Choix du rapport E/L Le choix du rapport E/L est principalement fonction des résistances mécaniques souhaitées Typiquement La résistance à la compression augmente lorsque le rapport E/L diminue Le remplacement du ciment par des cendres volantes engendre une diminution de la résistance à court terme et une augmentation de la résistance à long terme Des relations typiques permettent d estimer le rapport E/L en fonction des résistances à 28 et 91 jours

32 Formulation 3. Choix du rapport E/L 2 / 3 BCR sans air entraîné courbes typiques de résistance pour un liant contenant 50% de CV type F Résistance à la compression (MPa) Liant : 50% Type 20-50% CV jours jours ,60 0,65 0,70 0,75 0,80 E/L

33 Formulation 3. Choix du rapport E/L 3 / 3 À la fin de la 3 e étape, on connaît: Caractéristiques du liant Vp E/L On peut alors calculer les proportions massiques approximatives du BCR à partir des densités des matériaux cimentaires et des granulats

34 Formulation Exemple 1 / 3 Exemple BCR sans air Données de départ 91 d = 20 MPa, Vebe = 15 s Liant 50% T20 (d=3,14) + 50% CV (d=2,5) Diamètre maximal = 40 mm On détermine les proportions des classes granulaires pour s approcher de la courbe de compacité optimale On mesure ensuite le volume des vides du squelette granulaire obtenu (180 L/m 3 )

35 Formulation Exemple 2 / 3 Le temps Vebe de 15 s impose un rapport Vp/Vvc de 0,97 On doit donc prévoir un dosage volumique en pâte d approximativement 175 L/m 3 La résistance à 91 jours impose un E/L de 0,65 À partir des densités du ciment et des cendres volantes, on peut calculer les dosages suivants: Eau = 112 kg/m 3 Ciment = 86 kg/m 3 Cendres volantes = 86 kg/m 3 Granulats = 2166 kg/m 3 (A% sable + B% P1 + C% P2)

36 Formulation Exemple 3 / 3 Gâchée d essai en laboratoire Mesure de la masse volumique Mesure du temps Vebe Vérification de la résistance à 91 jours Ajustement de la maniabilité requis? Refaire une gâchée en conservant le même E/L mais en variant le dosage volumique de la pâte de ± 10 L/m 3 Ajustement de la résistance requis? Refaire une gâchée d essai en conservant le même dosage volumique de pâte mais en variant le E/L de ± 0,05 ou ± 0,10

37 Formulation BCR avec air entraîné 1 / 10 Constat : On peut entraîner de l air dans les BCR pour barrages Les relations Dosage Volume d air sont très linéaires Le volume d air entraîné peut être mesuré à l aide du pressiomètre 9 Air - aéromètre (%) Liant: 50% Type 10-50% CV type F Malaxeur de type planétaire "pan mixer " Agent entraîneur d'air à base de d'hydrocarbures sulfonatés Dosage de l'agent entraîneur d'air (ml/kg de liant)

38 Formulation BCR avec air entraîné 2 / 10 L air entraîné modifie la maniabilité et la résistance mécanique des BCR pour barrage Les faibles volumes d air (<4%) ont peu ou pas d effet sur la résistance Les volumes d air >4% peuvent diminuer très significativement la résistance L ajout d air entraîné améliore très significativement la maniabilité des BCR Lors de la formulation, il faut donc en tenir compte

39 Formulation BCR avec air entraîné 3 / 10 Résistance à la compression (MPa) Pauvre en liant Riche en liant Pauvre en liant Riche en liant Air (% ) 28 d 50% CV 91 d

40 Formulation BCR avec air entraîné 4 / 10 Vebe (s) Lower binder content (120 kg/m 3 ) Higher binder content (150 kg/m 3 ) Air content - Pressure meter (%)

41 Formulation BCR avec air entraîné 5 / 10 La méthode du volume optimal de pâte a été adaptée au cas des BCR avec air entraîné On doit viser approximativement 4 ± 1% d air dans le BCR frais (pressiomètre) Résistance mécanique peu ou pas pénalisée Gain de maniabilité Bonne durabilité On tire profit du gain de maniabilité pour diminuer le dosage volumique du liant Vpa = Vliant + Veau + Vairpressiomètre

42 Formulation BCR avec air entraîné 6 / 10 Vebe (s) Volume of paste + air (litre/m 3 )

43 Formulation BCR avec air entraîné c 7 / Vebe (s) ,95 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,30 (Vp+air)/Vvc

44 Formulation BCR avec air entraîné 8 / 10 Les étapes de la formulation Cas d un BCR avec air entraîné 1 ere étape Optimisation de la granulométrie Pas de changement 2 e étape Dosage volumique de pâte Vpa est choisi à partir du temps Vebe Vp est obtenu en retranchant le volume d air prévu (L/m 3 ) 3 e étape Choix du rapport E/L Des courbes typiques sont disponibles pour choisir le rapport E/L approximatif en fonction du volume d air et de la résistance souhaités

45 Formulation BCR avec air entraîné 9 / 10 Résistance à la compression à 91 jours (MPa) Air (%) ,6 0,7 0, % Type % CV Type F

46 Formulation BCR avec air entraîné 10 / 10 Analyse comparative de la performance de BCR pour barrages avec et sans air entraîné BCR Air (%) Vebe (s) f c (MPa) 28 d 91 d Liant (kg/m 3 ) Diminution du liant (kg/m 3 ) 60% CV 60% CV+ Air 1,8 3, ,6 7,2 9,1 11, % CV 50% CV+ Air 1,7 3, ,3 15,

47 Validation et optimisation de la formulation 1 / 2 Mélanges d essais en laboratoire Temps Vebe Masse volumique Teneur en air Résistances à 28 et 91 jours Calcul des proportions finales à partir de la masse volumique réelle Calcul des dosages massiques finaux Calcul du volume de pâte final (Vp ou Vpa) en L/m 3

48 Validation et optimisation de la formulation 2 / 2 Ajustements finaux Teneur en air Dosage de l AEA Relation linéaire dosage volume d air Maniabilité Dosage volumique en pâte Ajuster le dosage volumique de pâte en conservant le même E/L + 10 L/m 3 Diminution du Vebe de 5 à 7 s Résistance Choix du E/L Ajuster le E/L en conservant le même dosage volumique en pâte 91 d avec 50% CV : + 0,10 Diminution de 5 à 7 MPa

49 Validation au chantier Il est essentiel de prévoir une validation en chantier pour tenir compte de la performance réelle des équipements de production, de transport et de mise en place Malaxage Efficacité (durée, homogénéité, production de l air) Taux de production Régularité Maniabilité Vebe usine et Vebe au chantier Entraînement d air Ajustement du dosage de l AEA Stabilité de l air Teneur en air dans le béton durci

50 Conclusion Vous êtes maintenant tous des spécialistes de la formulation des BCR pour barrages! Merci

51 Questions? ( on ne sait jamais )

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