Etude des principaux paramètres influençant les caractéristiques mécaniques des graves-laitier

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1 Etude des principaux paramètres influençant les caractéristiques mécaniques des graves-laitier A.ASTESAN Ingénieur - chargé de mission Laboratoire régional de l'ouest parisien RÉSUMÉ Cet article fait la synthèse des études de graves-laitier entreprises par le Laboratoire régional de l'ouest parisien, dans le cadre des études générales de recherche financées par la DRCR*. L'application des nouvelles méthodes d'études, telles que la fabrication des éprouvettes par vibro-compression et la généralisation des essais de traction directe, a permis de cerner le comportement des graves traitées au laitier granulé en fonction des variations des principaux paramètres d'étude, de fabrication et de mise en œuvre : - vitesse de montée en charge des essais de compression, - durée de malaxage des mélanges, - courbe granulométrique, - teneur en fines de la grave reconstituée, - correction de la grave d'origine par apport de sable fillérisé calcaire, - activité et dosage du laitier granulé, - teneur en eau de fabrication, - taux de compactage. La mise au point, par le Laboratoire central des Ponts et Chaussées, d'un appareillage de confection par vibrocompression d'éprouvettes en graves traitées aux liants hydrauliques, a permis d'affiner nos connaissances sur le comportement des matériaux qui sont, actuellement, couramment utilisés en construction de chaussées. L'ensemble des études programmées sur plus de six années permet de faire aujourd'hui la synthèse de l'influence des principaux paramètres sur les caractéristiques mécaniques des graves traitées au laitier granulé. Compte tenu de la période qui s'est écoulée entre les premières études et les essais finals, les matériaux, et même les spécifications s'y rapportant, ont évolué. Cela peut être à l'origine de certains écarts que l'on peut constater sur les valeurs absolues des résultats fournis. Cependant, il est nécessaire de souligner que les études entreprises ont été conçues de façon à présenter des points communs avec les expérimentations antérieures (matériaux, liants ou formulations) : les tendances qui sont données dans cet article sont donc encore applicables de nos jours. CONSTITUANTS DRCR : Direction des Routes et de la Circulation routière. MOTS CLÉS : 33 - Laitier granulé - Granulometrie continue - Granulat - Caractéristiques - Mécanique - Malaxage - Granulometrie - Composition du mélange - Filler - Activité (physicochim) - Teneur en eau - Degré de compactage. Les caractéristiques des granulats utilisés sont récapitulées dans le tableau I. Des laitiers granulés d'origine et d'activité différentes ont été utilisés pour la confection des différents mélanges. Leurs caractéristiques sont données dans le tableau II. L'activation des graves traitées au laitier granulé a été réalisée exclusivement par de la chaux grasse éteinte (origine Précy-sur-Oise ou Moret-sur-Loing). Les chaux utilisées satisfont aux spécifications LCPC-SETRA. 21 Bull. Liaison Labo. P. et Ch nov.-déc Réf. 2092

2 TABLEAU I - Principales caractéristiques des granulats utilisés Sables Gravillons Nature Origine O/d ESPH % fines % CaCOs IC d/d Los Angeles IC Observations Porphyre Voutré (Mayenne) 0/ Entièrement concassé Quartzite Vignats (Calvados) 0/ / Entièrement concassé Silex Gadencourt (Eure) 0/4 >90 0,5 1» 50 4/20 22» 90 Silex Gadencourt (Eure) 0/4 > 90 0, / Silex Gadencourt (Eure) 0/4 > 90 0, / Silico-calcaire Concassage de la (vallée de la Seine) Gaillon (Eure) 0/4 90 1, / fraction > 20 mm Silico-calcaire (vallée de la Seine) Triel (Yvelines) 0/ Calcaire Ecuelles 0/ Entièrement concassé Sable d'apport TABLEAU II Principales caractéristiques des laitiers granulés utilisés Origine Nature Coefficient d'activité Clabecq Thomas 50 ± 2 Port-Richemond Thomas 51 La Providence Thomas 42 Usinor Longwy Thomas 33 Usinor Longwy Thomas 51 Le choix des formules de recomposition a été fait en fonction des spécifications en vigueur au moment de la réalisation de l'étude (directives LCPC-SETRA de juin 1968 et d'octobre 1973). Quelques courbes granulométriques des principaux matériaux utilisés sont données à titre d'exemple (fig. 1). En règle générale, et pour la période antérieure à 1975, l'ensemble des études ainsi que les applications sur chantiers dans le domaine d'action du Laboratoire de l'ouest parisien, ont été réalisées avec 20 % de laitier granulé 40/60 pour les matériaux entièrement concassés (caractéristique supérieure aux spécifications LCPC-SETRA de juin 1968 et d'octobre 1973). Il n'en est plus de même actuellement, puisque la production de laitier granulé de classe 3 a fortement diminué. METHODOLOGIE D'ETUDE Pour réduire au mieux les dispersions granulaires, les gravillons ont été fractionnés en deux classes: 4/10 et 10/20 pour les matériaux alluvionnaires et 6/10 et 10/20 pour les matériaux de carrière, la reconstitution du gravillon étant faite selon sa courbe granulométrique moyenne. Le malaxage des différents constituants a été réalisé dans un malaxeur à axe vertical de la manière suivante : 30 secondes de malaxage à sec et 90 secondes de malaxage humide. Les essais Proctor modifié ont été effectués fond colmaté pour éviter les pertes d'eau, en cours de compactage, provoquées par la nature drainante des graveslaitier. Toutes les éprouvettes relatives aux études récapitulées dans ce document ont été fabriquées par vibrocompression [1]. Les éprouvettes compactées dans un moule plastique servant d'étui de conservation après obturation, sont conservées dans une salle climatisée à 20 C ± 0,5 C et à hygrométrie variant de 85 à 95%. Les essais de compression simple, sur éprouvettes 16x32cm dont les extrémités ont été préalablement surfacées au soufre, sont réalisés à vitesse de montée en charge constante égale à 100 dan/s. 22

3 Fig. 2 - Ensemble de la chaîne de mesure. Fig. 3 - Ensemble du matériel utilisé. Les courbes effort-déformation sont obtenues sur enregistreur XY; le facteur force est pris sur le pupitre de la presse hydraulique, par potentiomètre de recopie, et le facteur déformation provient de la sommation des déplacements de trois capteurs disposés à 120 sur la partie centrale de l'éprouvette [1]. Les essais de traction directe sont également réalisés sur les éprouvettes 16x32cm fabriquées par vibrocompression, mais dont la section centrale a été rétrécie pour favoriser la rupture dans cette zone. Des casques en acier, collés à l'araldite 12 à 15 heures avant les essais, sont fixés par boulonnage sur la presse (fig. 2). Le matériel utilisé (fig. 3) est le suivant: presse de compression de 40 t presse de traction de 6 t (ces presses sont asservies électroniquement par un régulateur automatique de montée en charge) trois capteurs Tesa GT. 10 fixés sur support type LCPC permettant les mesures de déformations dans la partie centrale de l'éprouvette. préamplificateur Tesa. enregistreur Hewlett Packard 7004.A. RESULTATS Les valeurs des essais entrepris dans le cadre des études analysées dans cet article sont trop nombreuses pour être récapitulées dans un tableau général. Il nous a semblé plus pratique de mentionner les résultats au fur et à mesure de l'examen de chacun des paramètres qui ont été retenus. Ces derniers peuvent être classés en trois catégories principales : 1 - paramètres liés aux méthodes d'étude en laboratoire : vitesse de montée en charge des essais de compression, temps de malaxage des mélanges. 2 - paramètres liés à la formulation : courbe granulométrique, teneur en fines de la grave reconstituée, correction par apport de sable fillérisé calcaire, indice de concassage, activité et dosage du laitier granulé, 3 - paramètres liés plus particulièrement aux conditions de chantier : teneur en eau de fabrication, taux de compactage, dessication, influence simultanée de la teneur en eau et du taux de compactage. 1 - PARAMETRES LIES AUX METHODES D'ETUDES EN LABORATOIRE Vitesse de montée en charge des essais de compression Avant 1970, les essais d'écrasement en compression simple des matériaux traités aux liants hydrauliques étaient réalisés à vitesse de déformation constante égale à 1,27 mm/mn. Ces conditions d'essais sont délicates à respecter pour des matériaux élastiques, tout au moins avec les matériels courants. Une étude a donc été entreprise pour comparer deux modes de sollicitations : à vitesse de déformation constante, à vitesse de montée en charge constante. Ces essais, qui ont été réalisés avec des matériaux de nature minéralogique différente, sont récapitulés dans le tableau III. Une autre série d'essais a été entreprise pour déterminer l'influence d'une variation importante (rapport de I à 100) de la vitesse de montée en charge (tableau IV). II en résulte que dans la limite des vitesses choisies : les contraintes de rupture obtenues lors d'écrasement à vitesse constante sont légèrement plus faibles que celles obtenues à vitesse de montée en charge constante ; il existe une progression à peine sensible (à la limite de la précision des essais) des contraintes lorsque la vitesse de montée en charge varie dans un rapport de 1 à 100. Le matériau a donc un comportement élastique. Etant donnée la difficulté de réaliser des essais à vitesse de déformation constante, les essais de compression peuvent donc être réalisés à vitesse de montée en charge constante. 23

4 TABLEAU III Principaux résultats obtenus à vitesse d'écrasement et à vitesse de montée en charge constantes Matériaux de carrière traités à 20 % de laitier de Clabecq 40/60 Matériaux alluvionnaires traités à 20 % de laitier de Clabecq 40/60 Quartzite Porphyre Silicocalcaire Silex 60 j 90 j 60 j 90 j 60 j 90] 60 j 90] Vitesse d'écrasement constante (mm/mn) 0,63 1,26 2,52 53,1* 55,5* 60,9* 62,1* 64,7* 54,0 54,5 53,5 49,1* 49* 55,9* 32,9 33,6 35,3 30,5 31,2 30,8 Vitesse de montée en charge constante (dan/s) ,4 60,1 60,4 66,5 69,1 66,4 58,1 57,2 60, ,8 63,6 36,3 36,3 37,6 40,5 39,6 39,3 31,6 31,8 32,3 36,8 36,9 38,0 Nota: Les chiffres suivis d'un astérisque sont relatifs aune étude préliminaire: les valeurs absolues ne doivent donc pas être comparées avec les autres résultats. TABLEAU IV Influence d'une variation importante de la vitesse de montée en charge 8,5 dan/s 85 dan/s 850 dan/s 60 j 180 j Rc EC/10 3 Rc EC/ j 64.5 [ 64,7 64,3 > 66,7, 62,2 64,5 63,8, 69,5 5 66,3 66,1 > 153 ) 143 ( ' 158, 142 \ 150 / ' \ ' 80 i 84.5 > 83, ' 85,6, 87,1 >86,8 87,6 > 90,1, 95,3 \ 91,5 89,1 > 206 i 197 > ' 187 i 198 > ' 193 ) 204 l ' Les valeurs d'essais sont actuellement égales à 100daN/s pour les essais de compression simple et 10daN/s pour les essais de traction directe. Temps de malaxage des mélanges Une seule nature minéralogique de la grave a été utilisée pour cette étude (grave quartzite traitée à 20 % de laitier granulé 40/60). Le laitier granulé, fractionné en sept classes granulaires (5/2,2/1,1/0,5, 0,5/0,2,0,2/0,1,0,1/0,08 et inférieurs à 0,08 mm ) a été reconstitué selon sa courbe moyenne. Evolution granulométrique du laitier granulé en fonction du temps de malaxage Cinq échantillons de grave-laitier (environ 13 kg) ont été malaxés en laboratoire pendant des temps s'échelonnant de 30 secondes à 2 minutes 30 secondes. Sur la totalité de chaque échantillon, le mélange a été fractionné de 80^ à 5 mm. La méthode de dosage des laitiers granulés par les sulfures [2] a permis d'évaluer la teneur en laitier sur chaque refus préalablement séché et broyé et, en conséquence, *tie calculer la courbe du laitier granulé après malaxage (fig. 4). A noter que cette méthode n'est applicable que si l'on dispose d'un laitier provenant d'une même coulée, ce qui est le cas ici. L'évolution de la teneur en fines de laitier dans le mélange grave-laitier en fonction du temps de malaxage est indiquée sur la figure 5. Evolution des caractéristiques mécaniques en fonction du temps de malaxage Des éprouvettes ont été confectionnées à densité constante (égale à la densité OPM du mélange malaxé pendant 30 secondes) avec des matériaux malaxés à des temps différents et écrasées à 60 et 180 jours. Chaque résu Itat est la moyenne de quatre essais fig. 6). CAILLOUX GRAVIERS Avant malaxage _1mn mm i 10 i u I!- ï Fig. 4 - Evolution de la courbe granulométrique moyenne du laitier granulé (Clabecq a = 50) en fonction du temps de malaxage du mélange grave-laitier. 24

5 Teneur en fines (%) X Moyenne Fig. 5 - Evolution de la teneur en fines d'un laitier 40/60 en fonction du temps de malaxage de la grave-laitier. 15- J Étendue 10 r r~ I Temps de malaxage (s) E/10 3 (bar) 200 Modules compression y' f y 180 j y y y y. y R (bar) 80 Résistances compression j j Temps de malaxage (s) ), J Temps de malaxage (s) Fig. 6 - Représentation graphique de révolution des résistances et des modules obtenus sur éprouvettes grave-laitier granulé (confectionnées à densité constante) en fonction du temps de malaxage du mélange. La durée de malaxage d'un mélange grave-laitier influe sur les caractéristiques mécaniques. Avec la formulation testée, les répercussions sans être négligeables, ne sont pas très grandes. A titre de comparaison, nous signalons que les temps de malaxage des centrales continues sont en général inférieurs à 30 secondes. 2 - PARAMETRES LIES A LA FORMULATION Courbe granulométrique Deux matériaux ont été choisis pour cette étude : matériau de carrière = quartzite, matériau alluvionnaire = silex de la vallée del'eure. Trois courbes granulométriques de la grave seule ont été reconstituées (fig. 7). Les matériaux ont été traités à 20 % de laitier de Richemont (a = 51) // Fig. 7 - Courbes granulométriques des matériaux utilisés dans le cadre de cette étude. 25

6 1 Densités optimum Proctor modifié Les résultats sont récapitulés dans le tableau V. Le matériau alluvionnaire silex est beaucoup plus sensible à une modification de la courbe granulométrique que le mélange réalisé avec la grave de carrière (perte de 8 % en densité OPM au lieu de 2 %). Cette sensibilité des matériaux de type silex, non corrigés par apport de sables fillérisés, a été confirmée par ailleurs à l'occasion de nombreux chantiers. TABLEAU V - Densités OPM des mélanges étudiés Nature de la courbe granulométrique V d OPM quartzite Y d OPM silex Courbe creuse 2,07 1,98 Courbe moyenne 2,05 1,93 Courbe pleine 2,02 1,83 Caractéristiques mécaniques Les performances suivent directement les variations des densités OPM des différents mélanges. L'indice de qualité élastique, IQE [3], qui est pratiquement constant pour les formulations à base de matériaux quartzite (de 28 à 29), augmente sensiblement pour les mélanges confectionnés avec la grave silex : passage d'un IQE de 34 (courbe granulométrique creuse) à un IQE de 40 (courbe pleine). Teneur en fines de la grave reconstituée Quatre matériaux, dont deux de carrière, ont été traités par 20 % de laitier granulé de Clabecq a = 50 : porphyre de Voutré, quartzite de Vignats, matériau silico-calcaire de la vallée de la Seine, matériau silex de la vallée de l'eure. Les teneurs en fines des graves reconstituées varient de 0 à 6 %, les fines ajoutées provenant : pour les matériaux de carrière, du sable fabriqué industriellement ; pour les matériaux alluvionnaires dépourvus de fines, du broyage artificiel du sable naturel en machine Los Angeles. Les courbes granulométriques des graves à 0 % de fines sont semblables comme le montre le graphique (fig. 8). La comparaison des résultats a été réalisée à densité variable (égale à la densité optimum Proctor modifié) et à densité constante (égale à la densité OPM des mélanges réalisés avec la grave à 2 % de fines). A densité variable Les principaux résultats à 360 jours sont récapitulés dans le tableau VI. Les densités OPM des mélanges sont fonction de la teneur en fines ajoutée (fig. 9). Le gain en densité varie de 2,4 à 4 % en valeur relative selon les matériaux pour un ajout de 6 % de fines. Les gains en performances, lorsque la teneur en fines croît de 0 à 6 %, sont très variables selon les matériaux. Les valeurs les plus importantes sont données par les formulations à base : de porphyre : Rc = + 34 % R, = + 41 % IQE = 21 % de matériaux alluvionnaires de l'eure : Rc= + 45 % R,= + 58 % IQE = 24 %. Les performances maximales sont obtenues pour une teneur en fines de 6 %, mais les caractéristiques des mélanges à 4 % de fines sont peu différentes des maximums observés. A identité de traitement, les matériaux alluvionnaires, avec adjonction de fines de même nature minéralogique, peuvent donc donner des performances équivalentes à celles des matériaux de carrière. A densité constante Les résultats obtenus sur deux matériaux (quartzite et silex de l'eure) sont donnés dans le tableau VII. Pour le matériau quartzite, à texture grenue, l'apport de fines de même nature minéralogique ne procure pas au mélange de gain en performances ou en qualité. Par contre, le matériau silex à texture lisse bénéficie fortement de l'apport de fines, l'indice de qualité élastique étant réduit de 20 % environ. 100 Fig. 8 - Courbes granulométriques des graves à 0 % de fines. 01 D ( O CL mm 26

7 TABLEAU VI - Caractéristiques mécaniques des mélanges à 360 jours en fonction de la teneur en fines à densité de compactage variable (égale à y d OPM) Nature du matériau PORPHYRE QUARTZITE ALLUVIONNAIRE DE SEINE ALLUVIONNAIRE DE L'EURE y d OPM Rc Rt IQE y d OPM Rc Rt IQE y d OPM Rc Rt IQE y d OPM Rc Rt IQE Teneur 0 % 2,04 80,5 8,8 28 2,05 80,2 9,1 28 1,91 65,1 1,98 78,1 8,4 29 en fines de la 2 % 2,08 86,9 10,5 25 2,08 89,4 9,3 27 2,02 62,1 2,01 98,1 10,2 26 grave reconstituée 4 % 2, ,2 23 2,09 94,6 11,3 26 2,06 63,3 10,4 27 2,04 99,6 11, % 2,11 107,6 12,4 22 2,10 96, ,07 70,5 12,6 24 2,06 113,5 13,3 22 Densité optimum Proctor modifié Les accroissements des densités OPM sont fonction, dans le domaine considéré, du pourcentage en valeur absolue des fines ajoutées par le sable d'apport (fig. 10). La relation obtenue dans le cadre de cette étude est la suivante : Ay d 0 p M» 0,03 x % fines ajoutées. Elle ne peut être considérée comme générale et s'applique à toutes les graves. O O Porphyre ^j. î}. Quartzite 0 0 Alluvionnaire de Seine O Q Alluvionnaire de l'eure Fig. 9 - Evolution des densités OPM en fonction de la teneur en fines. 0,05. TABLEAU VII Caractéristiques mécaniques des mélanges à 360 jours en fonction de la teneur en fines à densité de compactage constante Teneur en Quartzite Silex de l'eure fines y d Rc Rt IQE yá Rc Rt IQE 0 % 2,05 107,1 10,2 27 2,00 87,3 7,5 32 Fig Relation entre les accroissements de densité OPM et les qualités de fines apportées par le sable correcteur. 2 % 2,05 111,2 10,9 26 2, , % 2,05 120,2 10,2 27 2,00 114, % 2,05 111, ,00 110,6 10,5 26 Il apparaît, lors de cette expérimentation, que la texture du granulat joue un rôle important dans les phénomènes de prise des laitiers granulés. Correction par apport de sable fillérisé calcaire Cette étude a été entreprise dans le but de connaître les possibilités d'amélioration des graves alluvionnaires siliceuses (traitées par 20 % de laitier granulé d'usinor Longwy). Le matériau d'apport utilisé est un sable de concassage calcaire fortement fillérisé (sable d'ecuelles à 26 % de fines). Caractéristiques mécaniques Les performances des mélanges à 360 jours ne semblent pas dépendre, de façon étroite, des pourcentages d'ajout de sable fillérisé ; les résultats sont relativement hétérogènes et ne permettent pas de distinguer les principales tendances si elles existent. En revanche, l'adjonction de sable fillérisé calcaire dans une grave silex augmente fortement les résistances au jeune âge (7 jours). Pour la plupart des mélanges (exception faite des formulations à 15 % de laitier granulé 20/40), le facteur multiplicateur est voisin de 2. Indice de concassage L'étude a été réalisée avec un matériau alluvionnaire de la vallée de l'eure (silex) d'indice de concassage 60 27

8 Fig Courbes granulométriques des graves-silex d'indice de concassage 60 et 100. et 100 fabriqué industriellement ; il en résulte que les courbes granulométriques des graves reconstituées diffèrent légèrement entre les tamis 2 et 10 mm, comme le montre la figure 11. Les résultats sont trop nombreux (plus de 250 valeurs) pour être fournis dans le cadre de cet article. Seules les valeurs les plus significatives seront données. Il faut noter que cette étude porte sur un matériau la grave de silex, pour lequel l'effet du concassage est particulier ; il ne faudrait pas étendre les résultats obtenus à d'autres matériaux. Densité optimum Proctor modifié La diminution de l'indice de concassage (IC) (de 100 à 60) conduit invariablement à augmenter les densités. Nous avons constaté que la densité optimale Proctor modifié était de 3 % supérieure lorsque l'on passe d'un matériau d'indice de concassage 100 à un matériau d'indice de concassage 60. Ces valeurs ont été confirmées par une autre étude plus succincte et dont les courbes granulométriques du matériau (silex) d'indice de concassage 60 et 100 étaient pratiquement confondues. Ce comportement est sans doute provoqué par la forme défectueuse des grains du sable d'indice de concassage 100 (le concassage de silex produit un pourcentage élevé d'éléments en forme de paillettes). Caractéristiques mécaniques A identité de formulation, les caractéristiques mécaniques des mélanges confectionnés avec la grave d'indice de concassage 60 sont supérieures à celles des mélanges réalisés à partir du matériau d'indice de concassage 100. Les gains en performances à 360 jours sont donnés, en moyenne, dans le tableau VIII. Les gains sont évalués selon les critères suivants : R 6 0~ R l 0 x100%; I Q E e o - Q E i x 1 o 0 o / o "loo I Q E 100 les indices 60 et 100 représentent les indices de concassage du matériau considéré. TABLEAU VIII Gains moyens en performances obtenus par le remplacement d'une grave silex d'indice de concassage 100 par la grave de même origine et d'indice de concassage 60 Formulation Silex amélioré ou non, traité par 20 % de laitier granulé 40/60 Silex amélioré ou non, traité par 15 % de laitier granulé 40/60 Silex amélioré ou non, traité par 20 % de laitier 20/40 Silex amélioré ou non, traité par 15 % de laitier 20/40 Gain des Rc à 360 j Gain des Rt à 360 j Réduction des IQE à 360 j + 54 % + 50 % 18 % + 70 % + 85 % 28 % + 30 % + 25 % 16 % + 67 % + 90 % 30 % Il apparaît que le gain en performances exprimé par l'indice élastique est plus important pour les faibles dosages en laitier granulé. Ceci peut être expliqué par le fait que l'incorporation en plus grandes quantités de laitier corrige, en partie, les difficultés de liaisons avec les faces lisses du granulat concassé à 100 %. Cette influence de l'indice de concassage est valable pour la grave considérée, constituée de silex; pour ce type de granulats, le concassage a un effet très particulier puisqu'il fait apparaître des faces particulièrement lisses. Ces résultats ne doivent pas être étendus à des granulats d'autre nature. Activité et dosage du laitier granulé Les résultats utilisés ci-après proviennent de l'étude précédente : grave silex d'indice de concassage 60 et 100, laitier granulé de fraîche production a = 33 et a = 51 de même origine. Densité optimum Proctor modifié Le remplacement d'un Iaitier40/60parun laitier 20/40 à 28

9 égalité de dosage, conduit à une faible augmentation des densités OPM : pour la grave d'indice de concassage 100 : de 0,02 en valeur absolue pour un dosage de 20 % en laitier de 0,01 en valeur absolue pour un dosage de 15 % pour la grave d'indice de concassage 60 : de 0,03 en valeur absolue pour des dosages en laitier de 15 et 20 %. Caractéristiques mécaniques Les principaux résultats, chiffrés en indice de qualité élastique, sont donnés dans le tableau IX. TABLEAU IX Valeurs de l'indice de qualité élastique (IQE) obtenues en fonction de l'indice de concassage de la grave et des dosages et activités des laitiers granulés Nature et dosage du laitier Silex IC = 100 Silex IC = 60 IQE 360 j Etendue IQE 360 j Etendue 20 % laitier a = à à % laitier a = à à % laitier a. = à à % laitier a = à 49 / / Les performances mécaniques des mélanges sont affectées soit par une diminution de l'activité du laitier granulé, soit par une réduction du dosage : la baisse de qualité, mesurée par l'iqe, est d'autant plus sensible que la qualité du mélange est élevée. 3 - PARAMETRES LIES AUX CONDITIONS DE CHANTIER Teneur en eau de fabrication La présence d'eau est nécessaire au développement de la prise des matériaux traités aux liants hydrauliques ; de nombreuses études ont précisé le comportement des graves traitées au ciment. L'importance de ce paramètre a conduit à vérifier son influence sur les caractéristiques mécaniques des graves traitées au laitier granulé. Cette étude a été réalisée : à densité constante égale à la densité optimum Proctor modifié donc à énergie de compactage variable ; à densité variable, fonction de la courbe Proctor modifié du mélange, donc à énergie de compactage constante. Essais réalisés à densité constante Les teneurs en eau de fabrication sont comprises entre la teneur en eau OPM-1 (au-delà de cette limite, il se produit des pertes d'eau et de fines pendant le compactage) et une teneuren eau égale, en valeur absolue, à 4 ou 5 % (selon les possibilités de l'appareillage de confection des éprouvettes). Les caractéristiques mécaniques à 360 jours présentent : un maximum pour une teneur en eau optimale voisine de w o p M-2 à w o p M-3 ; des variations de 20 à 30 % entre les mélanges malaxés à la teneur en eau optimale définie ci-dessus E T W OPM" 1 ; une chute importante en dessous de la teneur en eau optimale (fig. 12). Ces variations ne proviennent pas d'une attrition du laitier granulé, fonction de la teneur en eau de malaxage. Une vérification a en effet montré que l'accroissement de teneur en eau de 5à9 % provoque une augmentation significative de la teneur en fines de laitier du mélange après malaxage (de 2,6 % à 4 %) (fig. 13). Une vérification complémentaire a été réalisée : des éprouvettes 5 x 10 cm ont été fabriquées à partir d'un mélange de 95 % de laitier granulé et 5 % de chaux malaxé manuellement selon une procédure précise. La teneur en fines finale après malaxage manuel et compactage statique reste constante (fig. 14). (bar) 360j quartzite-laitier 360j quartzite- laitier """"S^, 180j porphyre-laitier "^XôOj quartzite-laitier + 60j quartzite-laitier + 60j porphyre-laitier -60j silex-laitier Teneur en eau de malaxage 10!%) Teneur en eau de malaxage Fig Evolution des caractéristiques (résistances en compression et en traction directe) en fonction de lateneuren eau. 29

10 dant que cette sensibilité, sans être négligeable, est moins importante que celle décelée pour les gravesciment. Les variations de l'indice de qualité élastique (fig. 16) montrent que : il existe un optimum de qualité pour les deux mélanges testés. Cet optimum correspond à des teneurs en eau comprises entre w 0 P M-3 et w o p M-2 ; les variations de qualité sont nettement plus importantes pour le matériau d'origine alluvionnaire (non corrigé dans le cadre de cette étude) /i Fig Evolution de la courbe granulométrique moyenne d'une grave-silex-laitier (a = 50) après malaxage normalisé en fonction de la teneur en eau. Indice de qualité élastique Quartzite Silex Teneur en eau OPM j j j w (%) Fig. 14-Evolution de la teneur en fines d'un mélange constitué par 95 % de laitier granulé a = 50 et 5 % de chaux après malaxage manuel et compactage statique des éprouvettes (chaque point représente la moyenne de trois essais) en fonction de la teneur en eau I _ w Fabrication (%) Fig Variation de l'iqe en fonction de la teneur en eau de fabrication (nota : une baisse de l'iqe correspond à une augmentation de qualité). R c (bar) A ^ A 60 j 1,18 (chaux de Boran)?d = - + T d = 1,18 (utilisation de CaO RP) --à T T ~+ J...--A ta?d = 1,04 Td = 1,44 Td = 1,18 fabrication différée dans le temps ^+14j "'o 14 j r- i -A7i w Compactage (%) Fig Evolution des résistances en compression d'un mélange laitier granulé-chaux (respectivement dosés à 95 et 5 %) en fonction de la teneur en eau de concassage. Les résistances en compression présentent un maximum pour des teneurs en eau comprises entre 10 et 20 % (fig. 15). Il en résulte que les caractéristiques mécaniques des matériaux traités au laitier granulé sont fonction de la teneur en eau de fabrication. Il faut remarquer cepen- Essais réalisés à densités et à teneurs en eau variables Les densités de compactage des éprouvettes sont liées aux teneurs en eau selon la courbe Proctor modifié. La représentation des variations des résistances en compression en fonction du taux de compactage (fig. 17), montre, aux dispersions près, que les résistances en compression simple sont peu modifiées par une baisse simultanée de la teneur en eau et de la densité si ces deux variables sont liées par la relation y d = f (w) de la courbe Proctor modifié. Il en résulte que les courbes Proctor modifié sont des courbes d'isorésistance en compression dans un domaine limité (de 97 à 100 % de y d 0p M dans notre cas). Au-delà de la limite inférieure définie une réduction simultanée, même faible, de la densité et de la teneur en eau provoque une chute très importante des résistances. La qualité des mélanges, lorsqu'elle est évaluée par l'indice de qualité élastique, semble présenter un optimum compte tenu du nombre restreint d'essais réalisés (fig. 18). Les deux matériaux testés se comportent différemment : pour la grave quartzite, la teneur en eau optimale est à 7 % ; pour la grave silex, l'optimum qui est peu différencié à360 jours, semble se situer plutôt entre 9 et 10 %. 30

11 R (bar) Fig Influence du taux de compactage sur les résistances en compression simple. Quartzite Silex 6 Teneur en eau d OPM (%) Fig Evolution des résistances en compression simple en fonction de la densité et de la teneur en eau, ces deux variables étant reliées par la relation yd = f(w) de la courbe Proctor modifié. Indice de qualité élastique 60 1,92 densité des mélanges OPM (%) \1.86 1,97 1,92 \ ^ 60 j \1,87 1,89^-- + +_60[_ 2, j 9 m 8 m 7m - 6 m 5 m (bar) m. 10 m. 10 Résistances en compression Modules Points expérimentaux (résistances uniquement) obtenus en compression (moyenne de 3 essais) Limite de validité de ^ l'approximation linéaire 4 m 10 3 m _L 1 l_ W (%; Fig Evolution de l'iqe en fonction de la densité et de la teneur en eau, ces deux variables étant reliées par la relation yd = f(w) de la courbe Proctor modifié. Les courbes Proctor modifié ne sont pas des courbes d'isoqualité. 2 m 1 m 0 éfrtz-- i d OPM (%) Fig Loi de variation envisagée pour des résistances et les modules en compression simple en fonction du taux de compactage. Taux de compactage Le taux de compactage des matériaux traités aux liants hydrauliques, toujours exprimé par rapport à la densité OPM, influe fortement sur les caractéristiques mécaniques des mélanges graves-laitier (fig. 19). L'interprétation de l'ensemble des résultats conduit à envisager une loi de variation des résistances de la forme : Y = AX B illustrée figure 20, A et B dépendant du niveau de performances du mélange, donc du couple granulatsliants. Les vérifications expérimentales semblent confirmer, tout au moins pour les matériaux testés, l'existence de cette loi qui peut être linéarisée dans le domaine 95 à 104 % de la densité OPM sans commettre d'erreur importante. Cette assimilation à une droite permet de donner une relation entre les taux de compactage par rapport à y d 0 P M et le pourcentage de variation des résistances et des modules en compression (fig. 21). Il semble exister une légère différence de comportement en ce qui concerne les résistances en traction directe, la pente de la droite de régression étant plus importante (fig. 22). En moyenne, et dans un domaine limité de 95 à 104 % de y d 0 P M, les performances mécaniques en compression varient linéairement de 6 % par pourcent de variation de densité, exception faite des résistances en traction qui ne varient que de 4 % par pourcent de variation de densité. Cette différence provient peut-être d'une dispersion plus importante enregistrée sur les essais de traction directe. 31

12 Droite calculée d'après le graphique théorique Droite de régression calculée d'après les valeurs expérimentales Y = 0,16 x + 99,75 Coefficient de corrélation r = 0,93 Ecart-type résiduel Sy/x = 0,78 Droite y ± 10,05 Sy/x Points expérimentaux de vérification (moyenne de 3 mesures) Variation des résistances en compression (%) Fig Relation entre les taux de compactage et les pourcentages de variation des résistances en compression. Vérification expérimentale. Résistances et modules compression modules traction Résistances traction _1_ Variation des caractéristiques mécaniques (%) Fig Relation entre les taux de compactage et les pourcentages de variation des caractéristiques mécaniques. Conservation en moules étanches à 20 C ± 0,5 C Ecrasement à 60 j et / Série C r Evaporation à température variable pendant 18 jours perte de 1,5 % d'eau (de 9 à 7,5%) -r- Conservation en moules étanches à 20 C ± 0,5 C Ecrasement à 60 j et 180) 3 Conservation en moules étanches à température variable identique à la série B pendant 18 jours r- Conservation en moules étanches à 20 C ± 0,5 J C Ecrasement à 60 j et 18 Série E C_ Evaporation à température variable pendant 27 jours ; perte de 2 % d'eau (de 9 à 7 %) Conservation en moules étanches à 20 'C ± 0.5 C I I Ecrasement à 60 j et 180) Conservation à température variable identique Conservation en moules étanches à 20 Ù C ± 0,5 "C à la série D pendant 27 jours Ecrasement à 60 j et Dessication d'une éprouvette par evaporation. Fig Plan d'expérimentation. Dessication L'étude de ce paramètre a été réalisée sur une seule nature minéralogique de granulat : grave porphyre de Voutré traitée à 20 % de laitier granuléa 50 (origine Clabecq), la courbe granulométrique de la grave étant conforme à la Directive LCPC-SETRA de juin La dessication des mélanges a été obtenue par évaporation naturelle de la partie supérieure de l'éprouvette (couvercle supérieur enlevé) sans sortir l'éprouvette de son moule plastique pour éviter toute détérioration (fig. 23). Le plan d'expérimentation est schématisé figure 24. Les résultats obtenus à 60 et 180 jours sont donnés dans le tableau X. TABLEAU X Influence de la dessication sur les performances mécaniques Série témoin A Conservation à 20 C Rc Résistance et module à 60 j à 180 j EC 64, ,9 Série témoin B 69, ,3 Série C (dessèchement moyen 1,5 %) 49,5 (29 %) (24 %) 68 (27 %) Série témoin D 63, Série E (dessèchement moyen 2 %) 43,9 (31 %) (25 %) 57,9 (37 %) Les chiffres entre parenthèses indiquent le pourcentage de perte par rapport aux séries conservées dans les mêmes conditions de température. 32

13 Le phénomène de dessication en laboratoire est lent : l'évaporation naturelle par la partie supérieure de l'éprouvette munie de son moule et d'un couvercle en partie inférieure n'a pas permis d'abaisser la teneur en eau moyenne en dessous de 7 % dans des délais raisonnables. R.A n C Rc = h(w) /'/ J Dans ces conditions, la dessication entraîne des chutes importantes de résistances et de modules : 24 à 29 % pour une perte en eau moyenne de 1,5 %, 25 à 37 % pour une perte en eau moyenne de 2 %. Ces résultats sont inquiétants lorsque l'on sait que beaucoup de chantiers sont mal protégés ou le sont trop tardivement contre ce phénomène. Cette expérimentation devrait être complétée par l'étude d'une réhumidification ultérieure du matériau pour mieux simuler les conditions de chantier. Influence simultanée du taux de compactage et de la teneur en eau de fabrication Les études précédentes de ces deux paramètres ont permis de dégager les relations suivantes : Rc = f (taux de compactage) à teneur en eau constante et égale à w 0 P M-1 Rc = g (teneur en eau) à densité constante égale à >"dopm. La représentation graphique de la surface, Rc = g (taux de compactage, teneur en eau), est donnée figure 25. Cette représentation qualitative permet d'évaluer l'influence d'une variation de l'un ou des deux paramètres. Il est vraisemblable que l'allure de la surface dépend de la nature des matériaux traités. Fig Représentation de la variation de la résistance en compression en fonction de la teneur en eau et du taux de compactage. Représentation d'une courbe d'isorésistance. Il ne faut pas oublier que sur chantier, les effets des variations des divers paramètres de composition ou de mise en œuvre peuvent se cumuler: ces effets cumulés n'ont pu être étudiés que pour deux paramètres (teneur en eau et compactage). Les caractéristiques mécaniques des graves-laitier présentent une plage de variation importante selon les formulations utilisées figure 26. CONCLUSIONS L'utilisation sur chantier des graves-laitier a été précédée de nombreuses études en laboratoire. Mais ce n'est que récemment, par la mise au point de nouvelles méthodes d'études telles que la fabrication d'éprouvettes par vibro-compression, et par la généralisation des essais de traction directe, que l'on a pu appréhender, avec plus de précision, le comportement de ce type de matériaux. Oj (bar) i i Traitement à 20 % de laitier 0) A Matériaux de carrière La simulation des dispersions enregistrées sur les chantiers a été obtenue en faisant varier les principaux paramètres retenus dans des domaines compatibles avec les possibilités technologiques actuelles. Les plages de variation retenues ont permis de révéler les principaux points critiques de cette technique (tout au moins pour les matériaux testés) : teneur en eau pour les valeurs très faibles inférieures à 4 ou 5 % en valeur absolue ; compactage ; dessication. Il s'est avéré, par ailleurs, que les matériaux de roche massive sont moins susceptibles que les matériaux alluvionnaires testés à une évolution de la courbe granulométrique de la grave. La fillérisation du matériau de base peut améliorer les caractéristiques mécaniques des matériaux alluvionnaires pour les rendre comparables aux matériaux de carrière. 1 I I I I I I I I I I I I E,/E2 (E2 = 1000) Fig Valeur de l'iqe à 360 j de graves traitées au laitier granulé. 33

14 Sur chantiers, les cumuls de facteurs défavorables se produisent assez souvent (sous compactage, dessication, excès d'eau...). Cela pourrait expliquer les défaillances locales que l'on peut constater et qui seraient consécutives à une formulation ne donnant pas un coefficient de sécurité suffisant. rédigé en août 1977 LCPC, SETRA, Directives pour la réalisation des assises de chaussées en graves-laitier et sables-laitier, juin 1968 et oct VICQA., Traitement des graves et sables au laitier granulé. Le cas de la région parisienne, Bull, liaison Labo. P. et Ch., 66, juil.-août 1973, p RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES [1] NGUYEN DAC CHI, Machine de compactage en laboratoire d'éprouvettes de graves traitées aux liants hydrauliques, Bull, liaison Labo. P. et Ch.. 87, nov.-déc. 1976, p [2] RANCHET J., Dosage du laitier dans les graves-laitier et les sables-laitier, Bull, liaison Labo. P. et Ch., 48, nov. 1970, p ASTESAN A. ET LAPLAUD A., Influence de la durée du malaxage sur les caractéristiques desgraves-laitier,5«//. UaisonLabo. P. et Ch., 62, nov.-déc. 1972, p ASTESAN A. ET RANCHET J., Evolutiongranulométrique du laitier granulé pendant le malaxage et le compactage d'une gravelaitier, Bull, liaison Labo. P. et Ch., 54, août-sept. 1971, p [3] BONNOT J., Influence des variations des propriétés mécaniques sur la qualité des couches de base traitée aux liants hydrauliques, Bull, liaison Labo. P. et Ch., 64, mars-avril 1973, p NGUYEN DAC Cm, Nouvelles méthodes d'essais en laboratoire des graves traitées aux liants hydrauliques, Bull, liaison Labo. P. et Ch., 91, sept.-oct. 1977, p