Géomatériaux TD 1. Granulats. 1. Analyse granulométrique par voie sèche (sur le sable)

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1 Géomatériaux TD 1 Granulats 1. Analyse granulométrique par voie sèche (sur le sable) But de l'essai L'analyse granulométrique permet de déterminer la grosseur et les pourcentages pondéraux respectifs des différentes familles de grains constituant les échantillons. Elle s'applique à tous les granulats de dimension nominale inférieure ou égale à 63 mm, à l'exclusion des fillers. A noter qu'il faut éviter la confusion entre la granulométrie qui s'intéresse à la détermination de la dimension des grains et la granularité qui concerne la distribution dimensionnelle des grains d'un granulat. Principe de l'essai L'essai consiste à classer les différents grains constituants l'échantillon en utilisant une série de tamis, emboîtés les un sur les autres, dont les dimensions des ouvertures sont décroissantes du haut vers le bas. Le matériau étudié est placé en partie supérieure des tamis et les classements des grains s'obtiennent par vibration de la colonne de tamis. Matériel nécessaire Des tamis (fig.3.1.1) dont les ouvertures carrées, de dimension normalisée, sont réalisées soit à partir d'un maillage métallique, soit par perçage d'une tôle. Les passoires, qui comportent des trous ronds percés dans une tôle, ne sont plus utilisées actuellement. Pour un travail d'essai aux résultats reproductibles, il est conseillé d'utiliser une machine à tamiser électrique qui comprime un mouvement vibratoire horizontal, ainsi que des secousses verticales, à la colonne de tamis. La dimension nominale de tamis est donnée par l'ouverture de la maille, c'est-à-dire par la grandeur de l'ouverture carrée. Ces dimensions sont telles qu'elles se suivent dans une progression géométrique de raison, depuis le tamis 0.08 mm jusqu'au tamis 80 mm. Pour des ouvertures inférieures à 0.08 mm, l'analyse granulométrique n'est pas adaptée et l'on peut procéder par sédimentométrie. L'existence antérieure de passoires (trous ronds) a conduit à une double classification de tamis et des passoires, tout en conservant pour chaque famille d'appareil la même progression géométrique des ouvertures. 1

2 Fig : Tamiseuse électrique Afin d'éviter toute ambiguïté, un tamis et une passoire équivalents ont été désignés par un même numéro de module. Les dimensions nominales normalisées des tamis, seuls appareils utilisés actuellement, sont les suivantes : Tableau : Dimensions nominales des tamis. Conduite de l'essai Cet essai peut s'appliquer pour des granulats non souillés par une fraction argileuse significative. Il est alors impératif de prendre toutes les précautions nécessaires pour que les éléments fins, présents dans l'échantillon, ne soit pas perdus. Pour les échantillons pollués par une fraction argileuse, il est nécessaire de procéder par voie humide. L'échantillon ainsi préparé est alors séché à ( 110 ± 5 ) C. Après refroidissement il est pesé jusqu'à masse constante ( masse M 2 ). Le tamisage à sec peut alors être réalisé. Dimension de tamis utilisés Pour les sables, on utilisera en général les tamis de modules 20, 23, 26, 39, 32, 35, 38. Pour les matériaux plus grossiers, tous les tamis au-delà du module 38 seront utilisés. 2

3 Préparation de l'échantillon La quantité à utiliser doit répondre à différents impératifs qui sont contradictoires: - Il faut une quantité assez grande pour que l'échantillon soit représentatif. - Il faut une quantité assez faible pour que la durée de l'essai soit acceptable et que les tamis ne soient pas saturés et donc inopérants. Dans la pratique, la masse à utiliser sera telle que : M = 0,2 D avec M, masse de l'échantillon en Kg et D diamètre du plus gros granulat exprimé en mm Description de l'essai Le matériau sera séché à l'étuve à une température maximale de 105 C. On emboite les tamis les uns sur les autres, dans un ordre tel que la progression des ouvertures soit croissante du bas de la colonne vers le haut. En partie inférieure, on dispose un fond étanche qui permettra de récupérer les fillers pour une analyse complémentaire. Un couvercle sera disposé en haut de la colonne afin d'interdire toute perte de matériau pendant le tamisage. On appellera tamisat le poids du matériau passant à travers un tamis donné et refus le poids de matériau retenu par ce même tamis. Le matériau étudié est versé en haut de la colonne de tamis et celle-ci entre en vibration à l'aide de la tamiseuse électrique. Le temps de tamisage varie avec le type de machine utilisé, mais dépend également de la charge de matériau présente sur le tamis et son ouverture. Un étalonnage de la machine est donc nécessaire. On considère que le tamisage est terminé lorsque les refus ne varient pas de plus de 1 % entre deux séquences de vibrations de la tamiseuse. Le refus du tamis ayant la plus grande maille est pesée. Soit R 1 la masse de ce refus. fig : Colonne de tamis Le refus du tamis immédiatement inférieur est pesé avec le refus précédent. Soit R 2 la masse du deuxième refus. Cette opération est poursuivie pour tous les tamis pris dans l'ordre des ouvertures 3

4 décroissantes. Ceci permet de connaître la masse des refus cumulés Rn aux différents niveaux de la colonne de tamis. Le tamisat présent sur le fond de la colonne dutamis est également pesé. La somme des refus cumulés mesurés sur les différents tamis et du tamisat sur le fond (fillers) doit coïncider avec le poids de l'échantillon introduit en tête de colonne. La perte éventuelle de matériaux pendant l'opération de tamisage ne doit pas excéder plus de 2% du poids total de l'échantillon de départ. Les résultats peuvent être présentés selon l'exemple suivant : Tableau : Dimensions nominales des tamis. Expression des résultats de la courbe granulométrique Les pourcentages des refus cumulés, ou ceux des tamisats cumulés, sont représentés sous la forme d'une courbe granulométrie en portant les ouvertures des tamis en abscisse, sur une échelle logarithmique, et les pourcentages en ordonnée, sur une échelle arithmétique. La courbe est tracée de manière continue et ne peut pas passer rigoureusement par tous les points. 4

5 Fig : Courbe granulométrique d'un sable 2. Mesure du Coefficient d'aplatissement des granulats But de l'essai L'élaboration des bétons de ciment, ainsi que la réalisation des corps de chaussées et des couches de roulement, necessitent de n'utiliser que des granulats ayant une forme assez ramassée, à l'exclusion des granulats plats. En effet, ceux-ci ne permettent pas de réaliser un béton très compact, et, par ailleurs, en technique routière, ils ne peuvent être utilisés car ils conduisent à des couches de roulement trop glissantes. La détermination du coéfficient d'aplatissement est l'un des tests permettant de caractériser la forme plus ou moins massive des granulats. Materiel nécessaire Le coéfficient d'aplatissement s'obtient en faisant une double analyse granulométrique, en utilisant successivement, et pour le même échantillon de granulat. Une serie de tamis normalisés à mailles (Essai 3.1), Une serie de tamis à fentes de largeurs normalisées 5

6 Fig Tamis à fentes Forme d'un granulat et coéfficient d'aplatissement La forme d'un granulat est définie par trois grandeurs géometriques : La longueur L, distance minimale de deux plans parallèles tangents aux extrémites du granulat, L'épaisseur E, distance minimale de deux plans parallèles tangents au granulat, La grosseur G, dimension de la maille carrée minimale du tamis qui laisse passer le granulat. Le coéfficient d'aplatissement A d'un ensemble de granulats est le pourcentage pondéral des élements qui vérifient la relation : Fig : Forme d un granulat Principe de l essai L essai consiste en une double opération de tamisage : Le tamisage classique sur une colonne de tamis normalisés à mailles carrées afin de séparer les granulats en une succession de classes granulaires d/d dont les dimensions sons telles que D = 1,25d. De ce fait, les classes de grosseurs G ainsi définies sont telles qu elles suivent la progression géométrique des ouvertures des tamis utilisés au cours de l analyse granulométrique. Les différentes classes granulaires d/d ainsi isolées sont tamisées une à une sur une grille à fentes parallèles d écartement e=d/1,58 (ce qui correspond aussi à : E=d/2). 6

7 On peut donc associer à chaque classe granulaire d/d un tamis fente correspondant de largeur E, ce qui permet de définir des coefficients d aplatissement Ai partiels. Il est ensuite possible de déterminer un coefficient d aplatissement global A. La correspondance entre classes granulaires d/d et grilles à fentes de largeur E est donnée dans le tableau Tableau : Correspondance entre classes granulaires d/d et largeur E des grilles à fentes utilisées Conduite de l essai On opère, comme dans l analyse granulométrique, avec un échantillon représentatif de masse M 0,2D, D - étant le diamètre maximum des granulats en millimètres, et M la masse de l échantillon, exprimée en kg. L échantillon est tamisé sur un tamis de 4 mm d ouverture et le refus de masse M 0, qui est pesé au gramme près, est utilisé pour la détermination de A. Le tamisage est effectué de telle manière que l essai 3.1 et chaque fraction d/d est pesée au gramme près, puis tamisée sur le tamis à fentes d écartement E correspondant (tableau 3.2.1). Le passant à travers chaque grille est pesé au gramme près. Expression du coefficient d aplatissement A Pour une classe granulaire d/d donnée, on peut définir un coefficient d aplatissement partiel. avec M gi = masse de la classe granulaire d/d, M ei = masse passant à travers le tamis à fentes d écartement E correspondant. Le coefficient d aplatissement global A s exprime en intégrant les valeurs partielles déterminées sur chaque classe granulaire : 7

8 Il faut que la perte de matériaux pendant le tamisage soit telle que M 0 étant la masse de l'échantillon d/d écrêté de sa fraction 0/0,4 mm. Modèle de feuille de calculs 3. Mesure du coefficient d'absorption des sables (NF P ) But de la mesure Certains matériaux granulaires peuvent présenter une porosité interne qui est préjudiciable, en particulier, à la résistance au gel des bétons. En effet, l'eau incluse dans le granulat provoque l'éclatement du béton lorsque celui-ci est soumis de manière prolongée à des basses températures. Principe de la mesure On détermine un coefficient d'absorption, qui est défini comme le rapport de l'augmentation de la masse de l'échantillon après imbibition par l'eau, à la masse sèche de l'échantillon. Cette imbibition est obtenue par immersion de l'échantillon dans l'eau pendant 24 heures à 20 C. 8

9 Le coefficient d'absorption (Ab) est défini par la relation : Ms = masse de l'échantillon sec après passage à l'étuve à 105 C. Ma = masse de l'échantillon imbibé, surface sèche déterminée comme suit. Conduit de l'essai Après imbibition dans l'eau pendant 24 heures, étaler l'échantillon sur une surface plane non absorbante et le soumettre à un flux d'air chaud, tout en le remuant afin que la surface externe des grains sèche. Ce séchage doit être effectué de manière douce afin de ne pas éliminer l'eau qui pourrait être piégée à l'intérieur du granulat. Veiller également à ne pas perdre de grains de sable au cours de l'opération. Les grains sont alors libres de toutes forces d'attraction capillaire. On peut vérifier que cet état a été atteint en plaçant le matériau dans un moule tronconique, posé sur une surface plane non absorbante, et en le compactant légèrement. On vérifie que celui-ci s'écoule en démoulant ( figure ) Fig : Moule et dame pour coefficient d'absorption des graviers. 4. Résistance au choc (Essai Los Angeles) Principe de l'essai L'essai consiste à mesurer la masse m d'éléments inférieurs à 1,6 mm, produits par la fragmentation du matériau testé (diamètres compris entre 4 et 50 mm) et que l'on soumet aux chocs de boulets normalisés, dans le cylindre de la machine Los Angeles en 500 rotations. 9

10 Formulation Si M est la masse du matériau soumis à l'essai et m la masse des éléments inférieurs à 1,6 mm produits au cours de l'essai, la résistance à la fragmentation aux chocs est exprimé par le coefficient Los Angeles L A : Cet essai est également utilisé pour vérifier la sensibilité au gel des gravillons conformément à la norme NF P Soit L A le coefficient Los Angeles du gravillon. On mesure un deuxième coefficient Los Angeles sur un échantillon de ce même gravillon ayant subi 25 cycles de gel-dégel. Soit L Ag le coefficient obtenu. La sensibilité au gel du gravillon a pour expression : Fig Appareil pour essai Los Angeles Tableau : Catégorie et la quantité de la bille d'acier pour l'essai. 10

11 5. Détermination de la masse volumique absolue d'un sable ou d'un gravier But de l'essai Cet essai a pour but de permettre de connaître la masse d'une fraction granulaire lorsque par exemple on élabore une composition de bétons. Ce paramètre permet, en particulier, de déterminer la masse ou le volume des différentes classes granulaires malaxées pour l'obtention d'un béton dont les caractéristiques sont imposées. Détermination de la masse volumique absolue La masse volumique absolue ρ s est la masse par unité de volume de la matière qui constitue le granulat, sans tenir compte des vides pouvant exister dans ou entre des grains. Il ne faut pas confondre ρ s avec la masse volumique ρ qui est la masse de matériau par unité de volume, celui-ci intégrant à la fois les grains et les vides. Les masses volumiques s'expriment en t/m 3, en kg/dm 3, ou en g/cm 3. La masse volumique absolue moyenne des granulats silico-calcaires est prise égale, en première approximation, a 2,65 t/m 3 ou 2,65 g/cm 3. Méthode de l'éprouvette graduée Cette méthode est très simple et très rapide. Elle utilise du matériel très courant de laboratoire. Toutefois sa précision est faible. 1. Remplir une éprouvette graduée avec un volume V 1 d'eau. 2. Peser un échantillon sec M de granulats (environ 300 g) et l'introduire dans l'éprouvette en prenant soin d'éliminer toutes les bulles d'air. 3. Le liquide monte dans l'éprouvette. Lire le nouveau volume V 2. La masse volumique est alors: Pour opérer dans de bonnes conditions, utiliser une éprouvette graduée en verre de 500 cm 3 de volume. La lecture des niveaux V 1 et V 2 doit se faire en bas du ménisque formé par l'eau. En effet, celle-ci a tendance à remonter sur les bords de l'éprouvette sur une hauteur de 1 à 2 mm, ce qui fausse bien sûr la lecture des volumes si la lecture est effectuée en haut du ménisque. 11

12 Fig : Méthode de l'éprouvette 6. Mesure la propreté des graviers (l'essai d'équivalent de sable) La propreté des granulats peut s'apprécier de différentes façons telles que l'essai au bleu de méthylène, d'équivalent de sable à 10 % de fines etc., mais dans ce cours, on va présenter seulement l'essai d'équivalent de sable. But de l'essai Cet essai a pour but de mesurer la propreté des sables entrant dans la composition des bétons. L'essai consiste à séparer les flocules fins contenues dans le sable. Une procédure normalisée permet de déterminer un coefficient d'équivalent de sable qui quantifie la propreté de celui-ci. Principe de l'essai L'essai est effectué sur la fraction 0/2 mm du sable à étudier. On lave l'échantillon, selon un processus normalisé, et on laisse reposer le tout. Au bout de 20 minutes, on mesure les éléments suivants : - hauteur h1 : sable propre + éléments fins, - hauteur h2 : sable propre seulement. On en déduit l'équivalent de sable qui, par convention est (figure 3.6.1). L'essai dit d'équivalent de sable - permet de déterminer le degré de propreté du sable : Selon que la hauteur h 2 est mesurée visuellement ou à l'aide d'un piston, on détermine ESV (équivalent de sable visuel) ou ES (équivalent de sable au piston) 12

13 Fig : Définition de l'équivalent de sable 13