Granulats pour les mélanges de béton et d'asphalte

Source : Roberto Leon, département de génie Civil et environnemental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Béton et asphalte sont des matériaux de construction de loin le plus commun utilisés aujourd'hui. Le béton est un matériau composite constitué de ciment, eau, air, agrégats grossiers et fins agrégats. Granulats fins sont généralement des sables et agrégats grossiers sont naturels ou écrasées de roches. Adjuvants chimiques pour modifier certaines propriétés spécifiques sont également couramment utilisés (c'est-à-dire les superplastifiants pour faire le béton fluide lors de la coulée). Enrobés se composent principalement des enrobés, gros granulats et granulats fines, outre un certain nombre d’émulsifiants et autres additifs utilisés pour améliorer la viscosité pendant le placement.

Dans les mélanges de béton et enrobés, granulats constituent une partie très importante du volume de mélange, comme économie exige que la quantité de ciment et d’asphalte être minimisé. Deux types de granulats sont communément reconnues : agrégats grossiers, définis sous forme de particules supérieures à environ 4,75 mm (roches) et agrégats fines, composé de particules plus petites (les sables). Autres caractéristiques importantes des agrégats sont qu’ils être chimiquement inertes à l’égard de l’asphalte ou le béton, mortier, rigide et durable. Agrégats sont censés constituer des charges, mais ils ne sont pas destinés à jouer un rôle clé dans le comportement de chaque matériau. Cependant, la rigidité et la résistance des granulats doit être supérieure à mortier béton ou asphalte, de manière à ne pas être la phase de contrôle.

Pour un rendement efficace, plusieurs caractéristiques des agrégats, allant de leurs propriétés mécaniques et chimiques à leur distribution, doivent être prises en considération dans l’ensemble conception du mélange. En outre, les deux mélanges de béton subissent un comportement très différent lorsque étant placés, avec les matériaux ressemblant à un fluide newtonien et lorsque dans leur configuration durcie, avec les matériaux ressemblant à un solide élastique. En outre dans le cas de l’asphalte, la gamme de température de service est très importante, car les propriétés des enrobés sont fonction de la température dans la plage de températures de fonctionnement habituel.

Dans ce laboratoire, nous examinerons les propriétés fondamentales des agrégats qui sont nécessaires pour développer des modèles de mélange béton réussi. Les propriétés requises pour enrobés sont très semblables, mais parfois utilisent des techniques d’essais différents. Les principales caractéristiques que nous allons examiner sont la granulométrie, densité, absorption, teneur en humidité et masse volumique, qui seront décrits et mesurés dans cet exercice de laboratoire. Autres caractéristiques importantes qui ne seront pas abordés dans ce module sont de la forme et l’angularité des particules, à l’abrasion et aux chocs, la stabilité chimique, ainsi que la solidité et la présence de composés organiques nocifs.

Comme agrégats sont principalement utilisés comme charges et sont relativement peu coûteux, il est important qu’ils occupent que le volume autant que possible afin de minimiser le volume de la pâte. Dans le cas de mélanges de béton, une distribution de taille appropriée doit être atteint pour le volume de pâte afin de réduire au minimum. Une distribution uniforme (particules de tailles similaires) nécessitera plus de pâte pour combler les vides qu’un correctement classés (particules de plusieurs tailles) global. Un agrégat correctement gradué contient des particules de toutes tailles tels que très peu d’espace doit être comblé par la pâte. En outre, la distribution granulométrique des particules auront une grande influence sur les propriétés du béton frais, y compris sa fluidité, ou la capacité d’être facilement placés dans des formulaires et finishability ou la possibilité d’obtenir une surface plane avec un bon caractéristiques de résistance à l’usure.

Par le biais de nombreuses années d’expérience sur le terrain et des essais en laboratoire, courbes de gradation ont été développés sous forme de fourchettes recommandées pour le classement des agrégats grossiers et fins. Pour ces courbes, l’axe horizontal correspond à la taille des particules, avec des agrégats fins ou sables étant sur les agrégats grossiers et gauche (ou roches) étant à droite. L’axe vertical représente le pourcentage cumulatif des particules plus petites que la taille donnée. Pour des raisons pratiques, les distributions optimales sont spécifiées sous forme de fourchettes. Par exemple, sable très fin doit avoir au plus 85 % de ses particules avec une taille de no.16 (1,118 mm) ou en dessous, tandis que le sable très grossier doit avoir au plus 55 % de ses particules de taille inférieure. Pratiques globales mélanges aura donc environ 55 % à 85 % de ses particules passant au tamis de 1,18 mm.

Pour les deux types d’agrégats, ces plages sont définies en exécutant des tests de tamis avec des tamis à des tailles standards spécifiés et par ordre décroissant d’ouvertures de tamis afin de déterminer les montants des agrégats d’une taille donnée et leur distribution cumulée. Le plus petit tamis à travers lequel la totalité du montant de passes globales est appelé la taille maximale de l’agrégat, tandis que le tamis à travers lequel 95 % de l’agrégats passes donne le e siz maximale nominalede l’agrégat. Une relation importante qui est cachée à l’intérieur des courbes de gradation, c’est que la surface totale des agrégats devra être recouvert d’eau pendant le mélange afin d’obtenir la bonne maniabilité. S’il y a trop de particules fines, la surface sera élevée et beaucoup d’eau serviront en enduisant les particules, ayant pour résultat un mélange de béton plus rigide qui est plus difficile à placer.

Pour les agrégats fins, un module de finesse (FM) est souvent calculé. Le module de finesse est défini comme la somme des pourcentages en poids de la n ° 4 pour les tamis N100, divisé par 100. Valeurs typiques pour la gamme de module de finesse d’environ 2,3 3.1, avec le plus ancien composé de particules fines et le second de particules grossières. La FM peut varier considérablement, avec l’application. Par exemple, la FM peut être aussi bas que 1,8 pour une utilisation dans des mortiers de maçonnerie, qui ne contiennent aucun agrégat grossier et qui exigent une plus grande finishability.

Les conceptions de mélange de béton sont très sensibles à la teneur en eau, et puisque les agrégats grossiers et fins sont généralement stockés dans l’ouvert et exposé au vent et pluie, il est nécessaire pour tenir compte même des traces d’eau présente dans l’ensemble. Quatre conditions environnementales sont généralement reconnues. La condition anhydre , comme son nom l’indique, se produit après que l’agrégat a été placé dans une étuve pendant une période suffisamment longue et la température élevée, telle que toute l’eau se soit évaporée. La condition de sécher à l’air se pose lorsque certains, mais pas tous les pores internes sont remplies. La condition de surface saturée sèche (SSD) surgit lorsque tous les pores internes sont saturés, mais la surface est sèche. La condition SSD est le seul utilisé comme référence pour la conception du mélange et est obtenu en plongeant les agrégats dans l’eau jusqu'à ce que tous les pores internes sont saturés et essuyer la surface de toutes les particules. Cela peut être fait avec un petit effort pour l’agrégat grossier mais il est très difficile à faire pour les agrégats fins car il est impossible d’obtenir la surface de toutes les particules de sable sec sans tirer l’eau des pores internes. Alternativement, le SSD pour agrégats fins peut être mesurée à l’aide de l’essai d’affaissement, tel que décrit dans la section protocole. Pour ce faire, un moule conique est rempli de sable ou d’un agrégat et puis emballé. Le moule est capoté et supprimé. Si elle s’effondre un peu, il est en état SSD. Si le moule est titulaire de sa forme, l’agrégat est dans un état humide ou mouillé . La condition humide ou mouillé se produit après que l’agrégat a été plongé dans l’eau pendant assez longtemps que tous les pores internes sont saturées, et la surface est humide. Dans la pratique, les agrégats seront soit par un temps humide (trop d’eau) ou de l’air sec (trop peu d’eau) en ce qui concerne la conception condition SSD. Ainsi, avant mélange, la quantité d’eau doit être ajustée.

Bien que la plage des teneurs en humidité du four sec à humide est petite (surtout de l’ordre de 4 % à 6 %), la quantité de granulats dans un mélange de béton typique sont beaucoup plus grandes que celles de l’eau, souvent de l’ordre de 25 à 1. Ainsi, même une petite différence dans la pourcentage d’humidité des agrégats peut avoir un effet énorme sur l’eau totale qui devra être ajouté pour maintenir un certain rapport eau-ciment, la principale variable permettant de contrôler la solidité et la durabilité des mélanges de béton. La capacité d’absorption d’un agrégat est définie comme :

(EQ. 1)

La teneur en eau d’un échantillon de poids W est définie comme :

(EQ. 2)

La densité en vrac est définie comme le rapport de la masse d’une unité de volume d’agrégat, y compris l’eau dans les vides, à la masse d’un volume égal d’eau distillée exempte de gaz à la température indiquée. Cette méthode diffère la densité apparente, qui a une définition similaire, mais n’inclut pas le volume d’eau dans les vides. La densité en vrac est une caractéristique globale importante parce que les mélanges sont souvent spécifiées par volume ou poids des constituants, et il est donc essentiel d’être capable d’aller d’un ensemble de mesures à l’autre. Les valeurs de densité sont référencés comme étant dans le sec ou la condition sèche surface saturée. Dans le premier cas, la densité en vrac est la masse anhydre divisée par la masse d’un volume d’eau égal au volume global SSD. Dans ce dernier cas, la densité en vrac SSD est la masse de surface-sèche saturée divisée par la masse d’un volume d’eau égal au volume global SSD. La plupart des agrégats ont une densité de vrac SSD entre 2.3 et 3.0.

Autres caractéristiques clés qui influent sur le choix des sources d’agrégats sont inertie chimique et résistance à l’usure. Inertie chimique est souhaitable pour éviter des problèmes tels que des réactions d’attaque et silicate alcalin sulfate, qui ont entraîné des pertes substantielles dans le passé, car ils sont des problèmes qui de surface plusieurs années après que le béton a été coulé. Résistance à l’usure désigne la capacité des particules agrégées pour résister à la détérioration des piétons et des véhicules sans usure excessive ou la formation d’ornières. Tests pour ces caractéristiques dépassent la portée de ce laboratoire et ne seront pas abordés.

Teneur en eau et la densité (pour les agrégats fins)

1. Obtenir environ 1 kg sechage total fin (sable) et le placer dans une casserole plate en métal. Le sable doit ont été séché dans une étuve à une température supérieure à 220° F pendant au moins 24 heures pour faire évaporer toute l’eau.
2. Porter les agrégats fins à la condition SSD en versant quelques gouttes d’eau sur le sable séché à l’air et en mélangeant soigneusement.
3. Maintenez un moule conique fermement sur la poêle plate en métal avec le grand diamètre.
4. Placer une partie du sable sans serrer dans le moule en la remplissant au point de débordement, puis sable supplémentaires tas au-dessus du haut du moule.
5. Légèrement tasser le sable dans le moule avec 25 gouttes légères de la tige de bourrage. Commencez chaque goutte environ 0,2 po au-dessus du sable. Permettre la tige tomber librement sur chaque goutte. Régler la hauteur de départ à l’élévation de surface nouvelle après chaque chute et répartir les gouttes sur la surface.
6. Propre, sable d’autour de la base en vrac et enlever le moule en le soulevant verticalement. Lorsque le sable s’effondre un peu, cela indique qu’il a atteint un état sec saturé de la surface. Si le cône conserve sa forme de moule, le sable est toujours dans un état humide et le processus doit être répété en utilisant moins d’eau. Il s’agit d’une procédure d’essais et d’erreurs.
7. Prendre environ 400 g du SSD globale. Poids exact record d’échantillon SSD (D).
8. Remplir un flacon de 500 mL d’eau et noter le poids de l’eau et la fiole en grammes (B). La température de l’eau devrait être d’environ 73 ± 3^oF (23 ± 1,5^oC).
9. Vider l’eau du ballon et ajouter tout l’échantillon de sable SSD dans le ballon. Remplir la fiole avec de l’eau à environ 1/2 po au-dessus de l’agrégat. Appliquer sous vide et roulement actions permettant d’éliminer l’air emprisonné dans l’ensemble. Cette action prendra au moins 5 minutes.
10. Remplir la fiole avec de l’eau aux marque 500 mL. Noter le poids total (en grammes) de la fiole plus l’eau plus l’agrégat (C).
11. Calculer la densité en vrac (SSD), basé sur les poids B, C, D et de comparer la valeur calculée avec la valeur typique pour s’assurer que les données obtenues sont exactes.
12. Verser tout le contenu de la fiole dans un moule et enfourner. L’eau du robinet supplémentaire peut être utilisé si nécessaire pour laver tous l’agrégat de la fiole. Après 24 heures et mesurer le poids de l’agrégat anhydre (A).

Analyse par tamisage (pour les agrégats fins)

1. Obtenir le bon poids de granulat sec. Pour les agrégats fins, utilisez environ 400 grammes.
2. Monter 8" diamètre tamis de taille dans l’ordre suivant : #4, #8, #16, #30, #50, #100, pan.
3. Placer les agrégats dans le haut de la pile de tamis et couvrir avec le couvercle. Bien sécuriser les tamis dans un agitateur mécanique et allumez le shaker pendant cinq minutes.
4. Peser les matières qui sont conservés sur chacun des tamis, y compris le poids conservé sur le pan et enregistrement sur la feuille de données. Si la somme de ces poids n’est pas dans les délais de 0,1 % du nombre de tamis utilisés (0,6 %) du poids de l’échantillon original, la procédure doit être répétée. Sinon, Utilisez la somme du poids retenu dans la poêle pour calculer le pourcentage retenu sur chaque tamis.
5. Calculer le pourcentage cumulatif retenue sur et le pourcentage passant chaque tamis. Tracer les courbes de gradation pour les agrégats fines de l’expérience sur le tableau de gradation comme indiqué ci-dessous dans l’intrigue de l’exemple ci-dessous.
6. Calculer le module de finesse pour les agrégats fins.

Tableau 1 : Données de Test Fine humidité globale

Partir des données ci-dessus (tableau 1), les valeurs de densité et absorption sont calculées comme suit (tableau 2) :
Densité apparente (sec) = A / (B + A-C)
Masse volumique (sec) = A / (B + D-C)
Masse volumique (SSD) = D / (B + D-C)
Absorption = ((D-A) / A) x 100 %

Tableau 2 : Sommaire des résultats d’essais de l’humidité

Le tableau 3 illustre le calcul du module finesse. Une interprétation du module finesse peut être qu’il représente le tamis moyens (pondéré) du groupe sur lequel le matériel est conservé, N100, étant la première, n ° 50 le deuxième, etc.. Ainsi, pour le sable avec un FM de 3,00, tamis no 30 (le troisième tamis) serait la taille de tamis moyen sur lequel l’agrégat est conservée. Dans notre cas, un module de finesse de 2,92 indique qu’il y a beaucoup de particules fines dans notre échantillon global, tel qu’un module de finesse élevée indique que beaucoup de particules ont été piégés dans les plus petits tamis.

Tableau 3 : Exemple de calcul pour déterminer le module de finesse

Module de finesse de sable = % cumulatif conservé/100
= (12.2+28.5+40.7+54.9+73.2+93.5)/100 = 3,02
* tamis de #200 ne devrait pas figurer dans le calcul de la FM.

Trois caractéristiques importantes des agrégats utilisés dans les mélanges de béton ont été examinés dans cet exercice de laboratoire. La première est la capacité de contenu et d’absorption de l’humidité. Ces quantités sont nécessaires pour déterminer correctement la quantité d’eau à ajouter à un mélange de béton. La deuxième caractéristique est la densité. Cette valeur est nécessaire car il est parfois nécessaire aller de volumes en poids et vice versa en traitement par lots de mélanges de béton. La troisième caractéristique est la distribution de la taille ou la gradation. Une gradation adaptée d’un agrégat dans un mélange de béton de ciment Portland est souhaitable afin de garantir l’ouvrabilité du mélange de béton et économie dans l’utilisation de ciment. Pour asphalte gradation béton, adaptée non seulement affecte l’ouvrabilité du mélange et économie dans l’utilisation de l’asphalte, mais sera également considérablement affecter la force et les autres propriétés de l’intégrale.

Dans la conception des mélanges de béton et asphalte, il est toujours souhaitable afin de maximiser l’utilisation de granulats fins et gros, car ils sont l’élément le moins coûteux de ces mélanges. Mélanges de béton sont utilisés dans de nombreux projets de construction, allant de la construction de ponts, centrales électriques et les installations industrielles. Utilisation appropriée de gradation, d’humidité et le module de finesse se traduira par des projets d’infrastructure durable et efficace.