Quatrième série d essais : Etude des composants du béton.

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1 B.T.S. Bâtiment Laboratoire Préparation 4 série 1/8 Quatrième série d essais : Etude des composants du béton. Cette quatrième série est consacrée essentiellement à l étude des composants entrants dans la composition d un béton. Dans cette série nous effectuerons un essai de cisaillement sur un matériau pulvérulent, l exploitation de celui-ci nous conduira à la détermination de la capacité portante d un sol. 1 MASSE VOLUMIQUE D UN CIMENT

2 B.T.S. Bâtiment Laboratoire Préparation 4 série 2/8 2 ESSAI DE CISAILLEMENT A LA BOITE 2 1 But de l essai Il s'agit de déterminer les caractéristiques mécaniques d'un sol en procédant au cisaillement rectiligne d'un échantillon sous charge constante. L'essai de cisaillement permet de tracer la courbe intrinsèque du sol étudié, et de déterminer son angle de frottement interne ϕ et sa cohésion C. Ces valeurs servent entre autre à déterminer la contrainte admissible par le sol dans le cas de fondations superficielles et la poussée du sol sur un mur de soutènement 2 2 Matériel utilisé L'échantillon de sol à étudier est placé entre deux demi-boites qui peuvent se déplacer horizontalement l'une par rapport à l'autre. Un piston permet d'exercer sur le sol une contrainte normale déterminée. Anneau dynamométriqu Comparateu Sol Avant l i T Après l i Schéma de la boite de cisaillement La demi-boite inférieure est entraînée horizontalement à vitesse constante. La force totale de cisaillement F est mesurée à l'aide d'un anneau dynamométrique fixé à la demi-boite supérieure. Un comparateur mesure la déformation verticale de l'échantillon. L'échantillon subit donc un cisaillement direct et rectiligne suivant un plan imposé sur lequel on exerce une contrainte normale déterminée. T 2 3 Préparation de l essai Saturation et consolidation de l éprouvette A - Sol pulvérulent - sable et gravier L'essai s'effectue sur le sable sec ou saturé. Dans ce cas là, réaliser des essais drainés (CD). B - Sol cohérent - limon et argile

3 B.T.S. Bâtiment Laboratoire Préparation 4 série 3/8 - Saturation - consolidation : l'échantillon étant mis en place dans la boite de cisaillement, procéder à sa saturation sous la pression de consolidation choisie. Pour cela, placer la boite sur le bâti, les deux demi-boites étant maintenues fixes l'une par rapport à l'autre à l'aide des goupilles. Mettre les poids nécessaires pour obtenir la pression de consolidation désirée. Mettre de l'eau dans la boite, placer la touche du comparateur sur le piston et noter le tassement produit pendant le temps de consolidation. - Pression de remise en état pour essai non consolidé et non drainé ( UU ) : Dans le but de remettre l'échantillon de sol dans un état de contraintes voisin de celui dans lequel il était en place, appliquer la même contrainte effective que celle que supportait l'échantillon en place. - Pression de consolidation à appliquer : Pour un essai consolidé drainé ou non drainé ( CD ou CU ), consolider 4 échantillons du sol à étudier sous 4 pressions différentes (en général de l'ordre de kpa) - Temps de consolidation : Il faut laisser l'éprouvette sous la charge pendant 24 heures, afin que la pression interstitielle se soit dissipée. Une fois déchargée, l'échantillon doit être immédiatement soumis au cisaillement Mise en place de l échantillon dans la boite - Les deux demi-boites étant verrouillées, on place successivement : - le fond de boite, - une pierre poreuse, - une plaque striée, les stries étant perpendiculaires au sens de cisaillement (les plaques perforées permettent les essais drainés, les plaques pleines sont utilisées pour les essais non drainés ) - l'échantillon de sol, une plaque striée identique à la première, - une pierre poreuse, - le piston Mise en place de la boite sur la machine - Placer l'étrier de charge sur le piston de la boite, - Placer le comparateur vertical et le mettre à zéro, - Monter l'anneau dynamométrique sur la machine, le relier à la boite et compenser les jeux en mettant l'anneau légèrement en traction et en ramenant lentement le comparateur de l'anneau au zéro, - Appliquer sur l'éprouvette la charge désirée, en principe : o Pour un sol pulvérulent : kpa. o Pour un sol cohérent : essai non consolidé, non drainé : kpa essai consolidé, drainé ou non : appliquer les mêmes pressions que pour la consolidation de l'éprouvette. - Désolidariser les deux demi-boites en enlevant les goupilles, - Mettre en route à la vitesse désirée. Application : Déterminer la masse nécessaire à appliquer pour obtenir 150 kpa sur l éprouvette.

4 B.T.S. Bâtiment Laboratoire Préparation 4 série 4/ Vitesse d essai - Sols pulvérulents : 1,5 mm / min - Sols cohérents : o essais non drainés, consolidés ou non ( UU ou CU ): 1,5 mm / min o essai drainé ( CD ) : vitesse la plus lente Lectures Lire, à intervalles réguliers les indications du comparateur de l'anneau, du comparateur de déplacement horizontal et du comparateur vertical. Arrêter l'essai lorsque la contrainte de cisaillement est devenue constante ou lorsqu'on a une déformation horizontale de 5mm 2 4 Calculs et résultats : Effort de cisaillement Convertir les lectures de l anneau en KN ou N. Voir tableau donnant les correspondances entre la lecture et la valeur de l effort Détermination de la surface cisaillée Pendant l'essai, la surface cisaillée diminue proportionnellement au déplacement des demi-boites. La section corrigée A' de l'éprouvette à l'instant t est : A' = l ( l - Δl ) avec l : longueur de l'éprouvette ( 6 cm ) Δl = V. t avec V : Vitesse de cisaillement Contrainte de cisaillement On détermine la contrainte de cisaillement : τ = A T ' On trace ensuite, pour chaque essai, les courbes de contraintes en fonction des déplacements et on détermine la valeur de la contrainte de cisaillement maximale. On reporte ensuite chaque point sur un graphique ayant pour abscisse la contrainte normale et pour ordonnée la contrainte de cisaillement τ. Tracer la courbe intrinsèque du sol étudié.

5 B.T.S. Bâtiment Laboratoire Préparation 4 série 5/ Courbes intrinsèques CAS DES SOLS PULVERULENTS τ Les points relatifs à chaque pression normale sont alignés et la droite qui les joint passe par l'origine. 3 points suffisent en principe avec une approximation convenable. 0 CAS DES SOLS COHERENTS τ Cu 0 τ Essai non consolidé - non drainé La courbe intrinsèque obtenue est une droite parallèle à l'axe des contraintes normales. Elle est caractérisée par son ordonnée à l'origine C u. ϕ cυ Essai consolidé non drainé La courbe intrinsèque est approximativement une droite inclinée sur l'axe des contraintes normales. On la caractérise par son ordonnée à l'origine C cu et par son angle avec C cu 0 τ l'axe des abscisses ϕ cu C ϕ' Essai consolidé drainé On obtient également approximativement une droite inclinée sur l'axe des contraintes normales. Elle fournit la cohésion effective C' et l'angle de frottement effectif ϕ'. 0

6 B.T.S. Bâtiment Laboratoire Préparation 4 série 6/8 3 COMPOSITION D UN BETON / METHODE BARON ET OLLIVIER 3 1 Objectifs : Il s agit de déterminer une composition de béton répondant à des caractéristiques précises de résistance et d ouvrabilité à partir des principes énoncés par Monsieur BARON. 3 2 Prérequis : Pour la bonne compréhension de cette étude, il est nécessaire d avoir les connaissances suivante : - calculs et mesures des masses volumiques, - calculs de pourcentages. Les pré requis spécifiques au GENIE CIVIL sont : - analyse granulométriques, - composition de béton par la méthode DREUX, - confection d éprouvette. 3 3 Origine de la méthode : La méthode est due à Monsieur BARON, à partir des études expérimentales qu il a réalisées dans les années et qui ont été optimisées par la suite en utilisant les directives de la norme NF P , remplacée par la Norme Européenne EN Cette méthode est développée dans un livre co-écrit par Messieurs BARON et OLLIVIER «Les BETONS, Bases et données pour leurs formulations» édité chez Eyrolles. Les expériences ont confirmé les travaux réalisés par BOLOMEY et FAURY dont certaines formules ont été retenues en ce qui concerne les dosages en liant et en eau. Pour les dosages en granulats ce sont, en partie, les travaux de DREUX qui ont été retenus. L ensemble est complété par des résultats expérimentaux qui rendent la méthode aussi abordable que la méthode DREUX sans avoir les inconvénients de sa limitation aux seuls bétons courants. 3 4 Principe : Le problème du dosage optimal d un béton n est pas unique : il y a en fait deux problèmes qui peuvent être traités indépendamment l un de l autre : - la définition de la pâte liante, - la définition du squelette granulaire. a- la pâte liante : On démarre la formulation à partir de 2 hypothèses principales qui sont la résistance cible et la quantité optimale d eau efficace. La résistance cible est obtenue à partir de la résistance de calcul du béton f cj ou f c28 nécessitée par l ouvrage à construire. En tenant compte de la classe de résistance vraie du ciment et de la nature des granulats, on utilise la formule de BOLOMEY pour définir le rapport C/E. L eau efficace optimale est définie de manière simple et provisoire en fonction de la consistance cible du béton par un tableau créé par BARON en tenant compte d un certain nombre de corrections relatives à la dimension D du gravier utilisé (dimension du plus petit tamis qui laisse passer la totalité des composants du béton) et à la température de coulage du béton. A partir de ces valeurs on peut donc déterminer le dosage en ciment. Les corrections sont apportés à partir d une gâchée d essai.

7 B.T.S. Bâtiment Laboratoire Préparation 4 série 7/8 b- le squelette granulaire : Le squelette granulaire retenu par BARON est très proche de celui obtenu par DREUX, avec cependant une approche et une définition plus simple. Cette méthode a été retenue non pas pour son fondement scientifique, mais parce que ses résultats ont donné satisfaction au cours des 25 dernières années. 3 5 Hypothèses de travail : Les hypothèses de départ sont les suivantes : la consistance du béton, son milieu d utilisation et sa résistance escomptées, la qualité et la nature des granulats, leur granulométrie et leur masse volumique, la nature et la classe de résistance du ciment utilisé. a- hypothèses sur le béton : - la nature de l utilisation du béton (béton non armé, BA ou BP) - le milieu de l utilisation doit être précisé parmi les sites répertoriés dans la norme EN la résistance nécessaire pour l ouvrage à réaliser. - la consistance du béton est en fait déterminée par l affaissement requis au cône d Abrams. Les différentes consistances sont répertoriées dans l article issu en partie de la EN on précisera de plus si le béton est utilisé à la pompe ou non. b- hypothèses sur les granulats : - on doit connaître leur nature physique : s ils sont concassés ou bien roulés. - on doit connaître leurs caractéristiques physiques : courbe granulaire, masse vol. absolue. - on complètera éventuellement cette connaissance par le coefficient d absorption et le coefficient de propreté superficielle (indispensable pour la formulation avancée : B.H.P.). c- hypothèses sur le ciment : - on doit connaître le type de ciment utilisé. - il est nécessaire de connaître la classe de résistance vraie du ciment, notée f mj. - on peut éventuellement préciser le dosage minimum prévu au CCTP, s il est connu. d- abaques et tableaux : Il est enfin indispensable d avoir à disposition les tableaux reproduits en annexe afin de pouvoir les consulter en suivant le mode opératoire. (voir fiche guide : Méthode de composition de béton) 3 6 Mode opératoire (formulation de base) : Nous allons nous contenter d étudier la formulation de base. La formulation avancée permettant de calculer des BHP et THP. a- la pâte liante : 1. Déterminer la résistance cible f c. 2. Déterminer la quantité optimale d eau efficace E, en appliquant si nécessaire les corrections. 3. Déterminer la quantité optimale d air occlus V a, en appliquant si nécessaire les corrections. 4. Déterminer le coefficient granulaire de BOLOMEY : K b Déterminer le coefficient K v : kv = E / (E+Va) 5. Calculer le rapport C/E par la formule de BOLOMEY. 6. Déterminer le dosage en ciment : C1. Cette valeur est comparée au dosage C2 prévu au CCTP (s il existe) et au dosage minimum C3 imposée par la norme EN

8 B.T.S. Bâtiment Laboratoire Préparation 4 série 8/8 La valeur retenue C est la valeur maximale : C = max [C1 ; C2 ; C3] b- le squelette granulaire : 7. A partir des courbes granulométriques, déterminer la courbe optimale définie par trois points : point O origine de la courbe : D o = 0,063 mm T o = 0% point B extrémité de la courbe : D B B = D T = BB 100% point de brisure A : D A = D/2 T A = 50 D + K où K prend l une de ces valeurs : 0% bétons non armés et granulats roulés 3% si les granulats sont concassés 5% pour de bétons armés où le ferraillage < 80kg/m 3. 10% bétons pompables ou BA avec ferraillage >80kg/m Déterminer les pourcentages de sable et de gravier de la manière suivantes : soit un sable d 1 /d 2 et un gravier d 3 /d 4, on définit graphiquement la droite de partage des deux matériaux en reliant : le point T s = 95% de la courbe du sable d 1 /d 2 au point T G = 5% de la courbe du gravier d 3 /d 4 On lit l ordonnée du point d intersection de la droite de partage et de la courbe optimale sur l axe des tamisats. On obtient : - dans la partie inférieure, le pourcentage de sable d 1 /d 2 : S% - dans la partie supérieure, le pourcentage de gravier d 3 /d 4 : G% c- composition du béton : 9. Calculer le volume absolu de la pâte liante : V c + V E + V a 10. Calculer le volume absolu des granulats secs : V granulats = 1000 (V c + V E + V a ) 11. Calculer le volume absolu de chaque granulat : V absolu sable = V granulats S% V absolu gravier = V granulats G% 12. En déduire la masse de chaque granulat : M sable = M vol. absolu sable V absolu sable M gravier = M vol. absolu gravier V absolu gravier 13. Récapituler l ensemble dans un tableau et calculer la masse d un m3 de béton en place. 3 7 Résultats : Comme pour toutes les autres compositions, le résultat obtenu doit être vérifié par une gâchée d essai afin d améliorer le dosage en eau et de contrôler la masse volumique du béton. 3 8 Exemple d application :

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