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Procédés de fabrication des granulats légers
Granulats légers naturels Les granulats légers naturels sont des granulats d’origine minérale issus de la transformation mécanique de roches naturellement alvéolées. Ils proviennent pour la plupart de roche d’origine volcanique ou sédimentaire présentant une structure interne alvéolée. Ils sont obtenus à l’issue de diverses transformations mécaniques. Le dynamitage de la roche va donner de gros blocs. Ces gros blocs sont ensuite concassés et criblés pour donner différentes tailles de grains.
Granulats légers artificiels Les granulats légers artificiels sont des granulats d’origine minérale dont l’expansion nécessite un traitement thermique préalable pour donner la structure alvéolée qui caractérise les granulats légers. En général, les méthodes d’expansion utilisées pour la fabrication des granulats sont à haute température (entre 1 100 et 1 500 °C). Il existe différents procédés qui dépendent de la matière première utilisée, du mode de préparation et du système de cuisson. Il s’agit entre autre du procédé par :
ß four rotatif ;
ß four à grille pour le frittage ;
ß lit fluidisé ;
ß autoclave.
Un procédé utilisant une ligne de micro-ondes est apparu récemment (www.idco-france.com/). Les fours équipés de brûleur sont remplacés par des fours alimentés aux micro-ondes (magnétons) pour l’expansion et la cuisson des granulats légers. Les différents procédés sont fondés sur les mêmes principes et visent la formation de grains avant la cuisson et l’élimination lente de l’eau de façonnage pour éviter l’éclatement des grains. La valorisation des sédiments, des co-produits et des déchets industriels ouvre la voie à la production des granulats légers à partir des résidus tels que les boues de décantation et de dragage.
Quelques données de la littérature sur l’absorption des granulats légers dans l’eau
L’absorption des granulats légers pendant le malaxage et la mise en place du béton dépend :
ß des caractéristiques des granulats ;
ß de la teneur en eau initiale des granulats ;
ß du rapport Eau/Liant ;
ß de la viscosité apparente de la pâte.
Cette caractéristique est l’une des propriétés prépondérantes des granulats légers puisqu’elle influe notablement sur la formulation, le procédé de fabrication et sur l’équilibre hygrométrique interne du béton. Elle peut avoir des conséquences sur l’ouvrabilité et sur les performances des bétons légers (Gündüz 2008). La cinétique d’absorption des granulats légers est relativement rapide dans les 30 premières minutes (Swamy and Lambert 1981). Selon (Neville 1995), le coefficient d’absorption à 24 heures des granulats légers (argile expansée, schiste expansé, laitier expansé etc.) utilisés pour les bétons de structure peut atteindre 15 % (en masse) et même plus. Les travaux récents de (Castro et al. 2011) sur l’absorption et la désorption d’une dizaine de granulats légers artificiels provenant de sources diverses, sont présentés dans le Tableau 1.3. Ces résultats montrent que l’absorption varie selon la nature du granulat léger. L’absorption d’eau à 24 heures des granulats d’ardoise expansée se situe entre 6 et 12 % en masse. L’absorption d’eau à 24 heures des granulats de schiste expansé oscille entre 10 et 20 % en masse alors que celle des granulats d’argile expansée se trouve entre 15 et 31 % en masse. La capacité d’absorption des granulats est liée à la distribution capillaire et au phénomène de capillarité. D’après (Vaquier 1986) le volume des capillaires de diamètres supérieurs à 2 µm est très proche de la quantité maximale d’eau que peuvent absorber les granulats légers à pression atmosphérique. (Castro et al. 2011) ont constaté que l’absorption d’eau décroit lorsque la taille des grains diminue. Les petits grains ont un indice d’expansion plus faible que les gros grains. Ils sont donc moins poreux et absorbent moins d’eau que les gros grains. Cependant, la demande en eau de mouillage des petits grains reste plus importante que celle des gros grains en raison d’une surface spécifique plus importante.
Conséquence des interactions sur la microstructure du béton léger
a) Épaisseur de l’interface autour des granulats légers : Les résultats de (Elsharief et al. 2004) montrent que l’épaisseur de l’interface observée autour d’un grain de sable léger de schiste expansé était de l’ordre de 10 à 15 µm contre 35 à 40 µm autour d’un grain de sable traditionnel. Ces résultats sont confortés par les observations de (Bentz 2009). L’auteur montre que l’incorporation de sable léger de schiste expansé pré-humidifié améliore la densité de l’auréole de transition ce qui réduit la connectivité du réseau poreux.
b) Porosité de l’interface autour des granulats légers : Les travaux de (Bentz 2009) ont également porté sur l’examen de la microstructure d’un mortier contenant différentes proportions de granulats légers. Les résultats indiquent que l’auréole de transition autour des granulats légers est significativement plus dense. Ces résultats confortent l’analyse de (Bamforth 1987) et confirment les observations faites par (Zhang and Gjørv 1989), (Zhang and Gjørv 1990) en se basant sur l’examen de la microstructure de l’auréole de transition autour des granulats d’argile expansée et de cendre volante frittée. Les résultats de (Sarkar et al. 1992) et de (Wasserman and Bentur 1997) vont également dans le même sens. (Holm et al. 1984) ont examiné la microstructure de carottes issues de navires et de structures marines en béton léger. Selon les auteurs, l’auréole de transition autour des granulats légers est aussi dense que le cœur de la pâte.
Méthodes de composition des BAPL
Les auteurs ont proposé des adaptations des méthodes de formulation courantes pour la composition des bétons auto-plaçants (BAP) légers. Les contributions portent notamment sur la prise en compte de l’absorption et la légèreté des granulats légers (Helland et al. 2000). La forte absorption d’eau des granulats légers peut dans certains cas modifier les paramètres de compostions tels que le rapport Eeff/L et la masse volumique réelle. Au sens la norme NF EN 206-1/CN, la teneur en eau efficace est la différence entre la quantité d’eau totale contenue dans le béton frais et la quantité d’eau absorbable par les granulats. Dans le cas des granulats traditionnels l’eau absorbable est marginale (entre 0,1 et 2 % en proportion massique). En revanche, l’eau absorbable par les granulats légers est plus importante et peut atteindre 15 % et plus en proportion massique selon (Neville 1995) et (Zhang et al. 2004). Dans la pratique, l’absorption différée du granulat léger peut se traduire par une chute brutale de l’ouvrabilité du béton en présence de granulats légers secs ou pré-humidifiés (Papanicolaou and Kaffetzakis 2011). La légèreté qui est l’un des principaux avantages des granulats légers est considérée comme une des principales difficultés dans la formulation des BAPL. En général, les bétons incorporant des granulats légers ont une forte propension à la ségrégation en raison du contraste de densité pâte/granulats (Kim et al. 2010). Cette singularité augmente le risque de ségrégation durant le malaxage, le transport et la mise en place du béton léger frais (Chia et al. 2005). Elle est d’autant présente qu’il s’agit de BAPL. Même si, l’auto compactibilité des BAP tend à diminuer le risque de séparation entre la matrice et les granulats pouvant subvenir lors de la vibration, elle n’assure de facto, ni l’homogénéité ni la stabilité du mélange à l’état frais en particulier des BAPL selon (Uygunoglu 2008) et (Wu et al. 2009). La ségrégation dynamique ou statique se caractérise par une séparation pâte/granulats marquée par une orientation préférentielle des granulats légers vers la face de coulage (Neville 1995) et (Wall 2005). Une autre conséquence de la ségrégation des BAPL va être une variation spatiale des propriétés mécaniques et de durabilité à l’état durci. (Yanai et al. 2000) a adapté la proportion du granulat léger en adoptant un rapport volumique G/S de 1,2 et le rapport Eeff/L de 0,39 obtenir pour des bétons auto-plaçants légers de sable normal (BAPLSN) homogènes et stables. Le choix de granulat léger résistant pour limiter la différence de rigidité entre la matrice cimentaire et les granulats légers a permis d’améliorer les performances mécaniques du béton. (Michtcherine et al. 2001) ont adapté les propriétés de la pâte et du mortier de sable normal en incorporant un agent de viscosité pour formuler des BAPL de granulats d’argile expansée et d’ardoise expansée présentant des propriétés à l’état frais similaire au BAP traditionnel en termes d’étalement et de viscosité apparente. (Muller and Haust 2004) abordent dans le même sens et montrent que l’optimisation du dosage en liant et des paramètres rhéologiques du mortier de sable (seuil de cisaillement et viscosité) permet de formuler des BAPL de masse volumique réelle à l’état frais comprise entre 1 500 et 2 000 kg/m3. Cette approche consiste à définir un mortier dont les propriétés rhéologiques sont suffisamment faibles pour faciliter l’écoulement du matériau mais suffisamment élevées pour limiter le risque de blocage des granulats légers. En somme les méthodes de formulation traditionnelles de bétons auto-plaçants de masse volumique normale (BAPN) sont adaptées pour la formulation des BAPL. Pour tenir compte de la forte absorption et de la légèreté des granulats légers, les auteurs ont recours :
ß au pré-mouillage pour atténuer l’absorption dans la pâte ;
ß à l’utilisation d’agent de viscosité pour optimisation la viscosité de la pâte afin de limiter les risques de ségrégation ;
ß à l’optimisation du volume de pâte pour limiter le risque de blocage des granulats légers.
Pré-mouillage des granulats légers
Pour minimiser les problématiques d’absorption sur l’ouvrabilité du béton, un protocole de pré -mouillage a été proposé. La combinaison du pré-mouillage et de l’essai l’absorption dans la pâte de ciment va conduire à la définition d’un nouveau paramètre pour optimiser la demande en eau des granulats légers dans le béton frais. Le pré-mouillage des granulats légers avant incorporation dans le béton vise d’une part, d’avoir une teneur en eau initiale homogène et reproductible pour les différentes fabrications et d’autre part, de limiter l’absorption d’eau dans la pâte de ciment au cours du malaxage et lors de la mise en place du béton. En d’autres termes, le pré-mouillage va permettre de ramener l’absorption d’eau des granulats légers dans la pâte et dans le béton à des valeurs proches de celles des granulats naturels comprises entre 0 et 2 % (en masse). La technique de pré-mouillage consiste à sécher à 105 °C pendant 48 heures le granulat léger puis le laisser refroidir à température ambiante. Une masse donnée du granulat sec est pesée et mise dans un conteneur étanche. La masse d’eau correspondant à la quantité d’eau absorbable par le granulat à 24 heures est ajoutée au granulat de masse connue.
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Table des matières
Introduction générale
1. Revue bibliographique sur les bétons auto-plaçants légers
1 1.Introduction
1.2 Granulat légers pour bétons de structure
1.2.1 Procédés de fabrication des granulats légers
1.2.2 Nature chimique des granulats légers
1.2.3 Propriétés physiques des granulats légers
1.2.4 Propriétés mécaniques des granulats légers
1.2.5 Différents types de granulats légers disponibles sur le marché
1.3 Propriétés hydriques des bétons légers
1.3.1 Interactions des granulats légers avec la matrice cimentaire
1.3.2 Cure interne dans les bétons légers
1.4 Bétons auto-plaçants légers
1.4.1 Méthodes de formulation des BAPL
1.4.2 Méthodes de composition des BAPL
1.4.3 Propriétés à l’état frais des BAPL
1.4.4 Propriétés mécaniques des BAPL
1.4.5 Propriétés de durabilité des BAPL
1.5 Conclusion
2 Présentation du programme expérimental, des matériaux et des méthodes
2.1 Introduction
2.2 Constituants des bétons auto-plaçants légers
2.2.1 Ciment et filler calcaire
2.2.2 Les granulats
2.2.3 Synthèse des propriétés des granulats naturels et légers utilisés
2.2.4 Adjuvants
2.3 Caractérisation des mélanges
2.3.1 Essais sur pâte
2.3.2 Essais sur les mélanges pâte/gravillons
2.3.3 Essais sur les mélanges granulaires
2.4 Campagne de caractérisation des bétons
2..4.1 Malaxage et conservation des éprouvettes en béton
2.4.2 Propriétés physiques à l’état frais
2.4.3 Les propriétés d’écoulement
2.4.4 Propriétés mécaniques
2.4.5 Propriétés de durabilité
2.5 Conclusion
3 Mise au point d’un protocole d’absorption dans la pâte de ciment
3.1 Introduction
3.2 Absorption des granulats dans une matrice cimentaire
3.2.1 Protocole de mesure de l’absorption des granulats légers dans la pâte de ciment
3.2.2 Résultats et discussions
3.3 Effet du degré de saturation initiale sur la perte de maniabilité dans un mélange pâte/granulat
3.3.1 Constituants et méthodes
3.3.2 Composition des mélanges
3.3.3 Résultats et discussion
3.4 Pré-saturation des granulats légers
3.4.1 Pré-mouillage des granulats légers
3.4.2 Teneur en eau des granulats pré-mouillés
3.4.3 Absorption dans la pâte des granulats pré-mouillés
3.5 Conclusion
4 Mise au point d’une méthodologie de formulation
4.1 Introduction
4.2 Modèle d’empilement compressible
4.2.1 Généralités
4.2.2 Rappel du modèle d’empilement virtuel
4.2.3 Description du modèle d’empilement compressible
4.3 Application du modèle d’empilement compressible à des formules exploratoires de BAPL
4.3.1 Calcul de l’indice de serrage dans le béton frais
4.3.2 Critère de contrôle de la stabilité
4.4 Modèle de composite gravillons légers/mortier de sable normal pour prévoir la résistance à la compression des bétons légers
4.4.1 Description du modèle série/parallèle
4.4.2 Détermination du module élastique de la pâte de ciment
4.4.3 Détermination de la résistance à la compression et du module d’élasticité du mortier de sable normal
4.4.4 Détermination du module d’élasticité des granulats légers
4.4.5 Confrontation des données du modèle série/parallèle aux données expérimentales
4.5 Méthode de formulation des BAPL de mortier normal basée sur l’optimisation de la demande en eau des granulats légers
4.5.1 Principe de la méthode de composition
4.5.2 Schéma de synthèse de la méthode
4.5.3 Description de la méthode de composition
4.5.4 Exemple d’application
4.6 Conclusion
5 Validation expérimentale de la méthode de formulation
5.1 Introduction
5.2 Cahier des charges
5.3 Composition et mise en œuvre des bétons du cahier des charges
5.3.1 Validation de la méthode de formulation
5.3.2 Formulation des bétons de la famille BAPL I
5.3.3 Formulation des bétons de la BAPL II
5.3.4 Formulation des BAPL III
5.4 Confrontation des résultats expérimentaux des BAPLSN avec les modèles de la littérature
5.4.1 Rapport entre la masse volumique sèche et la masse volumique réelle à l’état frais
5.4.2 Estimation de la résistance à la compression de BAPL
5.4.3 Estimation du module d’élasticité
5.5 Formulation des bétons auto-plaçants légers de sable léger (BAPLSL)
5.5.1 Particularité des bétons de sable léger
5.5.2 Approche de formulation
5.5.3 Synthèse et analyse des résultats
5.6 Conclusion
Conclusion générale
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