AMELIORATION DE LA DURABILITE DU BETON DE SABLE POUR REVETEMENT ROUTIER EN CLIMAT CHAUD ET SEC SALL M. Docteur chargé de cours Institut Polytechnique Panafricain (IPP) /Génie-Civil/Dakar/Sénégal Rostov State University of Civil Engineering/Laboratoire technologie des bétons Rostov-on-Don/Russia. Email : salmagat@yahoo.fr TKACHENKO G. A. Professeur de chaire, chef de département technologie du béton et des matériaux de construction Rostov State University of Civil Engineering/Laboratoire technologie des bétons Rostov-on Don/Russia. Résumé Les études présentées dans ce présent article ont mis en évidence l efficacité de l ajout combiné de composants organo-minéraux (tuf volcanique + super plastifiant Melment F10), comme régulateur, dans le mélange de béton de sable. Il est proposé une technique d'amélioration de la durabilité des revêtements routiers basée sur l utilisation d une approche milieu poreux qui permet de prendre en compte le comportement viscoélastique du squelette de la structure du béton par l'introduction dans le mélange d une proportion définie d'ajout supplémentaire d'éléments organo-minéraux (AOM) composés de superplastifiant et de tuf volcanique (TV) de fraction 0,65-1,25mm du gisement de Zaukovskii (ville de Nalchik en Russie) qui de part ces caractéristiques pétrographiques et physiques ressemble au tuf présent au Sénégal. De part sa structure pétrographique, le tuf volcanique ajouté à une proportion bien définie par rapport à la quantité de minéraux dans le mélange (sable+gravier) est capable de retenir une partie de l eau du mélange en excès et de la restituer plus tard dans l hydratation du béton au cours de son durcissement. En outre, les analyses structurelles des bétons (rayon X, microscopie etc...) ont montré l effet de régulateur de ses pores fermés (amortisseur de choc, absorbeur d énergie, arrêt des micros fissures...). La nécessite d'amélioration des propriétés physico-mécaniques des bétons de sable pour revêtement routier dans ces conditions d exploitation reste un problème actuel, particulièrement si on tient compte de l'évolution constante des charges des automobiles. Ainsi, pour augmenter la durabilité de ces bétons, il est nécessaire de modifier certaines propriétés rhéologiques et mécaniques [1,2]. Les résultats obtenus dans le cadre de ces études montrent clairement l amélioration des propriétés physico-mécaniques des bétons de sable pour revêtement routier. Le rôle multifonctionnel du tuf volcanique dans la structure du béton a effectivement permis d améliorer la durabilité des bétons à base de matériaux à priori de moyenne qualité dans les pays à climat chaud et sec. Mots clés : Béton de sable, tuf volcanique, régulateur, durabilité, climat. Rabat Maroc / 23-25 Novembre 2011 1
INTRODUCTION Les données hydrométéorologiques classent le climat sénégalais comme sec et chaud. Selon les études de beaucoup de chercheurs le problème principal du bétonnage dans ces conditions reste la déshydratation récurrente du béton, Il subit des changements physiques et chimiques dès sa mise en œuvre, qui sont susceptibles d affecter significativement les propriétés mécaniques. Tout d'abord les couches superficielles subissent un retrait irrégulier différentiel ce qui entraîne la création de champs de contraintes de distribution complexe et d'intensité évoluant avec l'âge et qui ne sont pas sans effet sur le comportement physico-mécanique dans la phase plastique et solide du béton. L'évaporation de la phase liquide qui se trouve dans les pores capillaires de la matrice en pâte de ciment durcie produit une dépression capillaire. Les contraintes supplémentaires qu'elles induisent notamment dans la partie solide du matériau sont des tractions largement supérieures à la résistance en traction de la matrice. Se combinant aux contraintes dues aux sollicitations externes, elles peuvent changer sensiblement les propriétés physico-mécaniques et la structure du matériau exploité en zone chaude et réduire effectivement sa durabilité [3,4]. 1. MATERIAUX, COMPOSITION ET CONFECTION 1.1. Matériaux Le ciment utilisé est un ciment Portland ЦЕМ 500 Д0 «Proletarii» avec une teneur limitée en C3A (6%) équivalent minéralogique du ciment CEMI 42,5 utilisé au Sénégal. Il provient de la cimenterie de Novorossisk. Sa surface Blaine est de 2900cm2/g. Le sable utilisé est un sable propre du fleuve Don avec un module de finesse de 1,63 présentant moins de 7% d'impuretés organiques, d'une densité apparente de 1585 kg/m3 et une densité absolue de 2,6 g/cm3. Dans le mélange est ajouté des criblures de granite diamètre maximale D<10mm. Elles proviennent de la carrière de concassage de la région de Rostov. Elles présentent une densité apparente de 1548 kg/m3 et une densité absolue de 2,68g/cm3. Le module de finesse de sa fraction sablonneuse est de 2,2. 1.2. Composition et confection Les bétons étudiés sont un béton témoin qui ne contient aucun ajout supplémentaire et un béton expérimental avec AOM. Ces bétons sont confectionnés dans les conditions normales de laboratoire mécaniquement vibrés, de consistance G1 (10-15 secondes) définie par la méthode Krasnovo. Les proportions optimales des composants pour l obtention d un béton de classe B 35 en compression et B tf 6,6 en flexion ont été choisies par des méthodes mathématico-expérimentales. Les compositions des bétons et leurs propriétés physiques sont présentées dans le [tableau1]. Pour une meilleure représentativité, une même gâchée pour chaque composition a été utilisée pour la confection des échantillons de béton en forme de cube de dimension 7x7x7 cm et en forme de prisme de dimension 7x7x28 cm qui étaient par la suite gardés dans les conditions normales de laboratoire jusqu'à l'âge nominale de 28 jours avant de subir les essais respectifs. Béton utilisé Contrôle (sans ajout) Modifie (avec AOM) Ciment Tableau 1. Composition et rhéologie des bétons utilisés Composition en 1 m 3, kg Criblure de Sable Melment Tuf Eau granite (<10 (0-5mm) F10 volcanique мм) Consistan ce, c Densité du mélange, kg/m 3 467 205 726 1002 - - 11 2400 467 177 685 957 2,34 86,4 12 2375 Rabat Maroc / 23-25 Novembre 2011 2
2. EXPERIENCES, RESULTATS ET COMMENTAIRES 2.1. Impact des facteurs climatiques sur les propriétés physiques et mécaniques du béton Au Sénégal, le facteur climat joue un rôle déterminant dans la maturité du béton. Dès sa confection, il est soumis à l'action du soleil, du vent et de l'humidité relative de l'atmosphère. Dans le but de mettre en évidence leur influence sur les propriétés futures du béton surtout sur sa durabilité, il a été réalisé l'expérience suivante: Les mélanges de béton frais de l'échantillon de contrôle et de travail ( avec AOM) ont été soumis à l action directe des rayons solaires qui réchauffent leur surface pendant une durée d une heure et de 3 heures jusqu'à atteindre une température de 45-48ºC. En guise de comparaison une première partie des échantillons a été mise dans les conditions normales de durcissement. Une autre partie a subi l action directe des rayons solaires et la surface des échantillons de la troisième série a été recouverte d une fine pellicule de laque et sont aussi exposés à l action directe des rayons solaires. Ensuite, les échantillons des trois séries ont continué leur processus de durcissement dans des conditions normales et ont été expérimentés à l âge de 28 jours. Les résultats des essais sont présentés dans le [tableau2]. Béton utilisé Contrôle (sans ajout) Modifie (avec AOM) Tableau 2. Les résultats d'essai des bétons soumis à l'action solaire Différence de résistance Conditions expérimentales des échantillons Résistance moyenne, MPa (%) par rapport au béton de contrôle Compression Flexion Compression Flexion Sans l'action du soleil 42,0 6,8 - - 1 h superficielle 30,6 6,6-27,2 +3 Sous l'action solaire superficielle 36,0 6,9-14,4 +1,3 pendant 3 h superficielle 29,8 6,2-29,0-8,2 superficielle 34,3 5,8-18,3-14,4 Sans l'action du soleil 44,3 7,6 - - 1 h superficielle 36,2 7,8-18,3 +2,6 Sous l'action solaire superficielle 43,3 8,2-2,2 +7,9 pendant 3 h superficielle 35,6 6,4-19,2-5,5 superficielle 41,3 7,4-6,6-3,2 La température de maturité a un rôle majeur sur le développement des propriétés mécaniques du béton. A jeune âge, tout semble montrer que c est simplement l augmentation du degré de réaction qui est responsable des résistances plus élevées à haute température. Les résultats obtenus dans le cadre de cette étude montrent clairement que les mécanismes d hydratation sont les mêmes : la chimie des hydrates générés est identique et seule la cinétique semble améliorée. Sur le long terme, la résistance des bétons dont la cure a été conduite à basse température est largement supérieure à ceux dont la cure a eu lieu à plus haute température sans pour autant que leur hydratation soit plus élevée. Ceci est dû a un développement microstructural plus grossier, les hydrates (notamment le C-S-H) étant plus denses à haute température et distribués de manière plus hétérogène, permettent ainsi le développement d un réseau poreux plus large, à l origine de la perte de résistance. L analyse des résultats obtenus confirme le rôle néfaste de l'action de la chaleur sur les propriétés mécaniques du béton durci. Leur résistance diminue jusqu'à -27% et -18% respectivement pour le béton Rabat Maroc / 23-25 Novembre 2011 3
témoin et expérimental en compression et jusqu'à -14,4% et -5,5 % respectivement pour le béton témoin et expérimental en traction par flexion. Tant en compression comme en flexion, les bétons avec additifs organo-minéraux perdent sensiblement moins de résistance en compression et flexion. Ceci s'explique par le fait que les grains poreux du tuf volcanique retiennent une partie de l eau de gâchage dans leurs propres pores et sont capables de les restituer au cours du processus d'hydratation du ciment (phénomène d'autodépression) dans le béton. Cette élévation de la température (45-52 C) lors des premières heures d hydratation cause l instabilité de l ettringite et crée une source de relâchement tardif des ions SO4-2 puisqu ils sont adsorbés dans les C-S- H. Le rôle de la température maximale de maturation est si important qu il doit être limité à une valeur critique. 2.2 Évaluation de la résistance aux attaques chimiques Pour évaluer la durabilité d'un béton, il est nécessaire de connaître les mécanismes susceptibles de conduire à sa dégradation, et d'étudier la résistance du matériau vis-à-vis de ces dégradations. Si l'on exclut, d'une part les événements accidentels, et d'autre part les effets à long terme des sollicitations mécaniques, tels que la fatigue due à des sollicitations répétées ou le fluage pouvant engendrer des pertes de résistance, la durée de vie des ouvrages en béton peut être limitée par la pénétration d'agents agressifs qui peut conduire au développement du processus de corrosion et autres réactions chimiques internes, mettant en jeu des espèces issues du milieu environnant ou déjà présentes dans le matériau telles que les attaques sulfatiques ou chlorique sources de gonflement et de fissuration du béton. L essai d évaluation a été réalisé conformément aux normes russes GOST 27677. Le principe de l essai consiste à garder des éprouvettes de béton de contrôle et de béton amélioré au AOM dans trois milieux (acide-hcl, basique-na 2 SO 4 et normal-h 2 O) et suivre dans le temps les évolutions des caractéristiques mécaniques essentiellement la résistance à la compression, à la traction par flexion et la porosité. Les résultats de l expérience sont portés dans les graphes suivants [fig.1]. Fig.1. La variation relative de la résistance à la traction par flexion (attaques chimiques) Traction par flexion, % Controle en milieu acide 10 Amelioré en milieu acide 8 Controle en milieu basique 6 Amelioré en milieu basique 4 2 0-2 0 1 2 3-4 -6-8 -10 Period (Mois) -12 Les échantillons de béton conservé dans l eau ont tous subi pendant 04 mois une évolution de résistance (jusqu 22% pour le béton amélioré) alors que dans la solution sulfatique, les bétons ont perdu de leur résistance même si celle du béton amélioré (-1,33%) est de deux fois moins que le béton de contrôle. Si en milieu basique, le béton de contrôle a perdu sa résistance dés le premier mois, le béton amélioré quant a lui en compression comme en traction donne des performances beaucoup plus intéressantes pour la durabilité en milieu agressive comme le montre les courbes (perte relative de la résistance 2%). Ce comportement des bétons modifiés s explique par l amélioration de sa microstructure. En effet, l ajout de tuff volcanique et du superplastificateur a conféré au béton un réseau poreux fermé mieux reparti qui joue un rôle d amortisseur d énergie de contraction et relaxation. Il importe de signaler [fig.2] que ces pores possèdent un plan de contact avec la matrice cimentaire très ferme et qui les permet de jouer pleinement leur rôle. Rabat Maroc / 23-25 Novembre 2011 4
Figure 2. Microstructure du béton en présence de tuf volcanique 2.3. Influence de l'action alternée de l'humidification-séchage unilatérale sur les bétons routiers Dans leur exploitation, les bétons de revêtement routier subissent l'action alternée de l'humidification et du séchage unilatéral, dans le but d'évaluer les valeurs des contraintes internes et leur influence sur les caractéristiques mécaniques du béton, nous avions réalisé une expérience modèle qui consiste à suivre l'évolution de la résistance mécanique des échantillons soumis alternativement á l'humidification unilatérale sur une épaisseur de 0,8-1cm pendant 17-18 heures suivi d'un séchage à une température de (60±3ºC) constante pendant 6-8 heures dans un étuve. L'évolution interne de la structure de béton est régulièrement contrôlée par la méthode de résonance à ultrason. Les résultats des essais sont présentés dans les graphes suivants [fig.3]. a) Variation relative de la resistance a la compression, % 25 20 15 10 5 0-5 -10 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 250 Beton de control Beton modifie Cycles b) 40 Variation relative de la resistance a la traction par la flexion, % 30 20 10 0-10 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 250 Beton control Beton modifie Cycles Figure 3. Variation de la résistance des bétons soumis au cycle d'humidification-séchage : a) compression, b) traction par flexion Au cours de l'humidification et du séchage, le matériau se gonfle en absorbant de l'eau et se rétracte en se desséchant. L'effet alterné et continuel de ces cycles créent dans le béton des contraintes de contraction et Rabat Maroc / 23-25 Novembre 2011 5
d'étirement qui contribuent à la destruction lente mais sûre du matériau par la formation des micros fissures. L'analyse de la vitesse de variation de la résistance des bétons des deux compositions montrent que jusqu'à 100 cycles de traitement l'effet constructeur domine sur l'effet destructeur et les bétons de contrôle et modifié augmentent leur résistance de 17 et 22% respectivement en compression alors qu'en flexion dés le 60éme cycle la résistance pour le béton de contrôle et le béton modifié augmente respectivement de 28 et 33%. Si avec l'augmentation des cycles, le béton de contrôle perd rapidement sa résistance, le béton modifié quant á lui garde toujours sa rigidité et sa flexibilité et à 250 cycles elle reste toujours supérieure à la résistance du début d'expérience. CONCLUSIONS La technique d utilisation du superplastifiant Melment F10 et le tuf volcanique concassé dans le béton de sable pour revêtement routier en pays chaud et sec, nous a permis d orienter la régulation de la formation de la microstructure du béton en augmentant ses propriétés physico-mécaniques d exploitation. Le rôle du composant amortissant est à mentionner spécialement. Le grain poreux dans le mélange béton lourd joue un rôle de formateur de structure. Par le phénomène d' «autodépression», le grain poreux est capable d absorber une partie de l eau du gâchage au moment du mélange et graduellement restituer cette eau pendant le processus d hydratation du ciment dans le béton durci. La présence de l eau dans le béton durci a l'état de faible liaison accentue le processus d hydratation du liant, diminue le retrait, améliore l'adhérence du ciment avec la superficie du gravier. Le rôle positif du grain poreux dans la structuration du béton se conserve dans le processus de son exploitation sous l effet des actions statiques et dynamiques dans le béton durci. Le grain poreux peut relaxer les pressions internes, en déchargeant le squelette du béton, régulant la formation de micro fissures et en augmentant sa résistance aux chocs. Ces propriétés spécifiques du composant poreux doivent améliorer la durabilité du béton de sable pour revêtement routier dans les zones à climat chaud et sec. REFERENCES [1]. В.В. Бабков, В.Н. Мохов, М.Б. Давлетшин, А.В. Парфенов, А.Е. Чуйкин. Tехнологические возможности повышения ударной выносливости цементных бетонов Ж. «Строительные Материалы». 10. 2003. с.19-20. [2]. Г.А. Ткаченко, Лотошникова, Е.О, Осяк В.В, Мелкозернистые бетоны с демпфирующими добавками в производстве изделий для дорожного строительства // Международная научно-практическая конференция «Строительства-2004». Ростов-на-Дону. Р.Г.С.У,2004 с.39-40. [3]. Салл М., Ткаченко Г.А. Введение пористого компонента в мелкозернистые дорожные бетоны //Строительные материалы. 2009, 2/ Наука и практика. С. 29-31. [4]. Lachemat L., Said K., Effets du type de cure et de la dureé de cure sur les propriètés du béton en climat chaud, Proc. Semi., Int. La qualité du béton en climat chaud, Guardaia, Algèrie 22-24 Mars 1994. pp 30-44. Rabat Maroc / 23-25 Novembre 2011 6