Essais -Granulats

Définition

On donnera le nom de granulats à un ensemble de grains inertes destinés à être agglomérés par un liant et à former un agrégat.

Le terme agrégats, utilisé pour désigner les granulats, est donc impropre. En effet, un agrégat est un assemblage hétérogène de substances ou éléments qui adhérent solidement entre eux (le mortier ou le béton par exemple).

Le terme granulat, au singulier, désigne un ensemble de grains d'un même type, quel que soit le critère de classification utilisé. Le terme granulats, au pluriel, sera utilisé pour désigner un mélange de grains de divers types.

Les granulats utilisés dans les travaux de génie civil doivent répondre à des impératifs de qualité et des caractéristiques propres à chaque usage. Les granulats constituent le squelette du béton et ils représentent, dans les cas usuels, environ 80 % du poids total du béton.

Les granulats sont nécessaires pour la fabrication des bétons; du point de vue économique, car ils permettent de diminuer la quantité de liant qui est plus cher; du point de vue technique, car ils augmentent la stabilité dimensionnelle (retrait, fluage) et ils sont plus résistants que la pâte de ciment. Il faut par conséquent, augmenter au maximum la quantité de granulats, en respectant toutefois les deux conditions suivantes :

• Les granulats doivent satisfaire à certaines exigences de qualité;
• La qualité de pâte liante doit être suffisante pour lier tous les grains et remplir les vides.

Les essais effectués en laboratoire portent nécessairement sur des quantités réduites de matériaux, ceux-ci devant permettre de mesurer des paramètres caractéristiques de l'ensemble du matériau dans lequel on a fait le prélèvement. Il faut que l'échantillon utilisé au laboratoire soit représentatif de l'ensemble. Cette opération est généralement difficile, prend du temps et, parfois, est coûteuse, mais elle est essentielle; souvent, les essais effectués sont sans valeur car ils ne sont pas représentatifs.

En général le prélèvement d'échantillons se fait en deux temps:

1. Prélèvement sur le chantier, la carrière ou l'usine d'une quantité de matériaux nettement plus grande que celle qui sera utilisée pour l'essai.
2. Au laboratoire, prélèvement de la quantité nécessaire à l'essai et qui soit également représentative de l'échantillon de départ.

Lorsqu'il n'est pas possible de prendre tout le tas et de le réduire, on procède à un prélèvement local. 

Prélèvement sur tas normaux :

1. à la main, à l'aide d'une planche ou d'une plaque métallique.
2. à la main, sur tas d'éléments grossiers (gravier concassé) par ratissage dans un récipient.
3. au moyen d'une sonde, ouverture 4 ~ 6 cm, longueur 60 ~ 100 cm, extrémité taillée en sifflet.

Prélèvement en laboratoire (échantillonnage en laboratoire)

Le passage de l'échantillon total prélevé sur le tas à l'échantillon réduit, nécessaire à l'essai, peut se faire par quartage ou à l'aide d'un échantillonneur. L'échantillon doit être séché à l'étuve à 105ºC s'il est exempt de minéraux argileux, ce qui est rare, ou à 60ºC dans le cas contraire. Quartage

Opération de quartage

Échantillonneur :

Cet appareil de laboratoire, permet de diviser facilement en deux parties représentatives la totalité d'un échantillon initial, chaque moitié étant recueillie dans un bac de manière séparée.

La répétition en cascade de cette opération, en retenant à chaque opération le contenu de l'un des bacs, permet d'obtenir l'échantillon nécessaire, après trois ou quatre opérations identiques.

Échantillonneur pour gravier

Le procédé peut être résumé par la (fig ci-dessous). Celle-ci permet de sélectionner une masse (m) à partir d'un prélèvement de masse 3m.

Schéma d'une opération de répartition des matériaux en utilisant de l'échantillonneur

Courbes granulométriques

Importance de la composition granulométrique :

Les propriétés physiques et mécaniques du béton dépendent de beaucoup de facteurs.

Généralement on souhaite obtenir un béton résistant, étanche et durable. Pour atteindre ce but, il

faut:

• Que le béton à l'état frais soit facile à mettre en œuvre et à compacter (pour réduire la porosité).
• Un maximum de granulats par unité de volume de béton (pour réduire la quantité de pâte liante nécessaire pour remplir les vides, tous les vides devant être remplis de pâte liante).
• Un minimum de surface spécifique (pour réduire la quantité d'eau de gâchage et obtenir un rapport C/E plus élevé).

Par ailleurs :

• Il faut choisir Dmax aussi grand que le permet la dimension minimum de la pièce à bétonner et l'encombrement des granulats.
• La proportion de chaque dimension des grains doit être choisie de façon à remplir les vides laissés par les grains de dimensions supérieures.
• Il faut réduire la teneur en éléments fins au minimum requis pour obtenir une bonne maniabilité et une bonne compacité.

Les courbes granulométriques apporteront quelques éléments de réponses à ces conditions.

La condition essentielle pour obtenir le moins de vides possibles (meilleure compacité) dans un mélange de sable et gravillon est de: 35 % de sable de 0/5 et 65 % de gravillons 5/20.

Compacité d'un mélange de grains fins et de grains grossiers

Les courbes granulométriques des différents granulats peuvent être déterminées par l'essai de l'analyse granulométrique (NF P 18-560).

L'essai consiste à classer les différents grains constituant l'échantillon en utilisant une série de tamis, emboîtés les uns 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 le classement des grains s'obtient par vibration de la colonne de tamis.

On considère que le tamisage est terminé lorsque le refus ne varient pas de plus de 1 % entre deux séquences de vibration de la tamiseuse. On trace la courbe granulométrique sur un graphique comportant en ordonnée le pourcentage des tamisats sous les tamis dont les mailles D sont indiquées en abscisse selon une graduation logarithmique. Par exemple pour le tracé de la courbe granulométrique d'un sable 0/5, on pèse une certaine quantité (après séchage) soit 2 kg par exemple.

Le poids des tamisats successifs permet de déterminer les pourcentages du tamisat (tableau 3.1)

correspondant à chacun des tamis utilisés.

Tableau : Résultats d'une analyse granulométrique correspondant à un sable

La courbe correspondant à ce sable normal, est présentée sur la fig. 3.6, sur lequel ont été également portées les courbes des sables très fins et grossiers ainsi que celles de graviers. La forme des courbes granulométriques apporte les renseignements suivants:

• Les limites d et D du granulat en question;
• La plus ou moins grande proportion d'éléments fins; par exemple la courbe située au dessus de celle du sable normal correspond à un sable à majorité de grains fins et c'est l'inverse pour celle située en dessous. En effet, ces trois sables sont des sables 0/5 mm mais les proportions de grains fins (<0,5 mm par exemple ) sont pour chacun d'eux: 25%, 45% et 60%;
• La continuité ou la discontinuité de la granularité; par exemple, les courbes de sables sont continues mais la courbe du gravier 5/31,5 présente une discontinuité; en effet le palier s'étendant de 10 à 20 mm signifie que le granulat en question ne contient pas de grains compris entre 10 et 20 mm.

Analyse granulométrique des différents cas

Module de finesse

Les sables doivent présenter une granulométrie telle que les éléments fins ne soient ni en excès, ni en trop faible proportion. Si il y a trop de grains fins, il sera nécessaire d'augmenter le dosage en eau du béton tandis que si le sable est trop gros, la plasticité du mélange sera insuffisante et rendra la mise en place difficile. Le caractère plus ou moins fin d'un sable peut être quantifié par le calcul du module de finesse (MF). Celui-ci correspond à la somme de pourcentages des refus cumulés, ramenés à l'unité, pour les tamis de modules 23, 26, 29, 32, 35, 38. Ce paramètre est en particulier utilisé pour caractériser la finesse des sables à bétons.

Dans le cas de la courbe granulométrique du sable normal, son module de

finesse est égal à :

MF = (98 + 90 + 75 + 53 + 28 + 10)/100 = 3,54

Les dimensions nominales normalisées des tamis, seuls appareils utilisés actuellement, sont les suivantes:

Dimensions nominales des tamis

Classification des granulats

On trie les granulats par dimension au moyen de tamis (mailles carrées) et de passoires (trous circulaires) et on désigne une classe de granulats par un ou deux chiffres. Si un seul chiffre est donné, c'est celui du diamètre maximum D exprimé en mm; si l'on donne deux chiffres, le premier désigne le diamètre minimum d, des grains et le deuxième le diamètre maximum D.

Un granulat est caractérisé du point de vue granulaire par sa classe d/D. Lorsque d est inférieur à 2 mm, le granulat est désigné 0/D.

Il existe cinq classes granulaires principales caractérisées par les dimensions extrêmes d et D des granulats rencontrées (Norme NFP18-101):

• Les fines 0/D avec D ≤0,08 mm,
• Les sables 0/D avec D ≤6,3 mm,
• Les gravillons d/D avec d ≥2 mm et D ≤31,5 mm,
• Les cailloux d/D avec d ≥20 mm et D ≤80 mm,
• Les graves d/D avec d ≥6,3 mm et D ≤80 mm,

Il peut être utile dans certains cas d'écrire la classification suivante:

Classes granulaires des granulats

Les caractéristiques principales des granulats

Caractéristiques physiques :

(a) La masse volumique absolue :

La masse volumique absolue d'un matériau est la masse d'un mètre cube de ce matériau, déduction faite de tous les vides, aussi bien des vides entre les grains que des vides à l'intérieur des grains.

Volume hachuré = Volume absolu (sans pores)

La densité absolue est le rapport de la masse absolue d'une unité de volume du matériau à température donnée à la masse du même volume d'eau distillée à la même température.

(b) La masse volumique réelle :

La masse volumique réelle d'un matériau est la masse d'un mètre cube de ce matériau déduction faite des vides entre particules. La déduction ne concerne pas les vides compris dans le matériau mais seulement ceux entre les particules.

Volume hachuré = Volume réelle (apparent)

La densité réelle est le rapport de la masse réelle d'une unité de volume du matériau sec dans l'air à température donnée à la masse d'un égal volume d'eau distillée à la même température.

(c) La masse volumique apparente :

La masse volumique apparente d'un matériau est la masse volumique d'un mètre cube du matériau pris en tas, comprenant à la fois des vides perméables et imperméables de la particule ainsi que les vides entre particules. La masse volumique apparente d'un matériau pourra avoir une valeur différente suivant qu'elle sera déterminée à partir d'un matériau compacté ou non compacté. Il faut donc préciser :

masse volumique apparente à l'état compacté ou masse volumique apparente à l'état non compacté.

Volume hachuré = Volume du récipient

La densité apparente à l'état compacté ou non compacté sera obtenue en établissant le rapport de la masse apparente d'une unité de volume du matériau à température donnée à la masse d'une même quantité d'eau distillée à même température.

La masse volumique apparente d'un granulat dépend de la forme et de la granulométrie des grains ainsi que le degré de compactage et d'humidité. La valeur apparente est utilisée dans le cas ou l'on effectue les dosages en volume des différentes composantes du béton. Cette méthode toutefois présente des risques certains à cause du foisonnement. Le graphique ci-dessous donne

le foisonnement du sable en fonction de la teneur en eau.

Foisonnement du sable en fonction de la teneur en eau

(d) Absorption :

La plupart des granulats stockés dans une atmosphère sèche pendant un certain temps, peuvent par la suite absorber de l'eau. Le processus par lequel le liquide pénètre dans la roche et l'augmentation de poids qui en résulte sont appelés absorption.

L'absorption peut varier dans de très larges mesures suivant la nature du granulat. Elle peut varier de 0 à plus de 30 % du poids sec pour granulat léger.

En général, les granulats naturels utilisés pour la confection du béton sont peu poreux et n'absorbent pratiquement pas d'eau lorsqu'ils sont gâchés avec le ciment et l'eau. Par contre, des granulats artificiels, tels le LECA (Light expanded clay aggregate = agrégats légers expansés d'argile), sont poreux. Il faut alors tenir compte de l'absorption de l'eau par les granulats lorsque l'on détermine la quantité d'eau requise pour fabriquer le béton.

La figure suivante montre les divers cas qui peuvent se présenter lorsqu'un granulat est poreux et qu'il est ou a été en contact avec de l'eau.

Lorsque les granulats sont légèrement poreux, il faut travailler, lors de l'étude de la composition d'un béton, avec des matériaux saturés à surface sèche. On obtient cet état en conservant les granulats dans l'eau pendant plusieurs heures et en les laissant sécher juste avant emploi jusqu'à ce que leur surface devienne roulant dans un linge sec.

La teneur en eau des granulats 

(e) Porosité et compacité :

(1) Porosité :

En général la porosité est le rapport du volume des vides au volume total.

On peut aussi définir la porosité comme le volume de vide par unité de volume apparent.

(2) Compacité :

La compacité est le rapport du volume des pleins au volume total. Ou volume des pleins par unité de volume apparent.

La porosité et la compacité sont liées par la relation :

p + c = 1

La porosité et la compacité sont souvent exprimées en %. La somme des deux est alors égale à 100%. En effet :

Si l'on connaît la masse volumique D et la masse spécifique g d'un matériau, il est aisé de calculer sa compacité et porosité.

(f) Teneur en eau :

La teneur en eau d'un matériau est le rapport du poids d'eau contenu dans ce matériau au poids du même matériau sec. On peut aussi définir la teneur en eau comme le poids d'eau W contenu par unité de poids de matériau sec.

A partir des définitions données plus haut, on peut écrire les relations :

Les granulats utilisés pour la confection du béton contiennent généralement une certaine quantité d'eau variable selon les condition météorologique. L'eau de gâchage réellement utilisée est par conséquent égale à la quantité d'eau théorique moins l'eau contenue dans les granulats. Il faut par conséquent disposer de moyens pour mesurer combien il y a d'eau dans les granulats.

Actions possibles de l'eau sur les matériaux :

Lorsque tous les vides d'un corps sont remplis d'eau, on dit qu'il est saturé. Le degré de saturation est le rapport du volume des vides rempli d'eau au volume total des vides. Il joue un grand rôle dans les phénomènes de destruction des matériaux poreux par le gel. En se transformant en gel, l'eau augmente de 9% en volume environ. La plupart des matériaux gonflent lorsque leur teneur en eau augmente et, inversement lorsqu'elle diminue (bois, roches sédimentaires, bétons, par exemple).

(g) Propreté et forme des granulats :

Propreté des granulats :

Les granulats employés pour le béton doivent être propres, car les impuretés perturbent l'hydratation du ciment et entraînent des adhérences entre les granulats et la pâte. La propreté désigne :

d'une part, la teneur en fines argileuses ou autres particules adhérentes à la surface des grains, ce qui se vérifie sur le chantier par les traces qu'elles laissent lorsqu'on frotte les granulats entre les mains. D'autre part, les impuretés susceptibles de nuire à la qualité du béton, parmi lesquelles on peut citer les scories, le charbon, les particules de bois, les feuilles mortes, les fragments de racine.

Détermination de l'équivalent de sable piston

Dans le cas des sables, le degré de propreté est fourni par essai appelé "équivalent de sable piston PS" (norme P 18-597) qui consiste à séparer le sable des particules très fines qui remontent par floculation à la partie supérieure de l'éprouvette où l'on a effectué le lavage. 

L'essai est fait uniquement sur la fraction de sable 0/2 mm. La valeur de PS doit selon les cas être supérieure à 60 ou 65. L'essai dit "équivalent de sable piston" permet de mesurer le degré de propreté du sable

Valeurs préconisées pour l'équivalent de sable par DREUX

Forme des granulats :

La forme d'un granulat est défini par trois grandeurs géométriques:

• La longueur L, distance maximale de deux plans parallèles tangents aux extrémités 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 coefficient d'aplatissement A d'un ensemble de granulats est le pourcentage pondéral des éléments qui vérifient la relation :

Forme d'un granulat

Dans les mêmes conditions L ≤G ≤E, on peut déterminer aussi :

La forme des granulats influence:

•  La facilité de mise en oeuvre et le compactage du béton.
• La compacité du mélange, donc le volume des vides à remplir par la pâte de ciment.

L'état de surface des grains influence:

• La compacité du mélange.
• L'adhérence du granulat à la pâte de ciment.

La forme est d'autant meilleure qu'elle est proche d'une sphère ou d'un cube :

Caractéristiques mécaniques

Méthodes de mesures :

Les caractéristiques mécaniques des granulats ne sont pas déterminées par des essais habituels de traction ou de compression. Par contre, il existe des essais tentant de reproduire certaines sollicitations propres à des usages spécifiques des granulats, par exemple le degré d'usure pour les granulats utilisés pour les bétons routiers.

Essai Micro Deval :

C'est un essai dont le principe est de reproduire, dans un cylindre en rotation, des phénomènes d'usure. Les modalités de cet essai font l'objet de la norme NF P 18-572 

Essai Micro Duval ;

Le principe de cet essai est la détermination de la résistance à la fragmentation par chocs et à l'usure par frottements réciproques. Il fait l'objet de la norme NF P 18-573.

Le coefficient Los Angeles calculé à partir du passage au tamis de 1,6 mm, mesuré en fin d'essai, caractérise le granulat. Pour les granulats susceptibles d'être soumis aux effets du gel, on peut mesurer le coefficient Los Angeles après une série de 25 cycles gel/dégel (-25 ºC, +25 ºC) et le comparer au coefficient de référence.

Les granulats sont classées en 6 catégories allant de A à F, chacune d'elle devant les conditions

suivantes :

Catégories des granulats selon la résistance aux chocs et à l'usure

Différents types de granulats :

Les granulats utilisés pour le béton sont soit d'origine naturelle, soit artificiels.

Les granulats naturels Origine minéralogique :

Parmi les granulats naturels, les plus utilisés pour le béton proviennent de roches sédimentaires siliceuses ou calcaires, de roches métamorphiques telles que les quartz et quartzites, ou de roches éruptives telles que les basaltes, les granites, les porphyres.

Granulats roulés et granulats de carrières :

Indépendamment de leur origine minéralogique, on classe les granulats en deux catégories:

1. Les granulats alluvionnaires, dits roulés, dont la forme a été acquise par l'érosion. Ces granulats sont lavés pour éliminer les particules argileuses, nuisibles à la résistance du béton et criblés pour obtenir les différentes classes de dimension. Bien qu'on puisse trouver les différentes roches selon la région d'origine, les granulats utilisés pour le béton sont le plus souvent siliceux, calcaires ou silico-calcaires.
2. Les granulats de carrière sont obtenus par abattage et concassage, ce qui leur donnent des formes angulaires Une phase de pré-criblage est indispensable à l'obtention de granulats propres. Différentes phases de concassage aboutissent à l'obtention des classes granulaires souhaitées. Les granulats concassés présentent des caractéristiques qui dépendent d'un grand nombre de paramètres: origine de la roche, régularité du banc, degré de concassage … .La sélection de ce type de granulats devra donc être faite avec soin et après accord sur un échantillon.

Les granulats artificiels :

Sous-produits industriels, concassés ou non

Les plus employés sont le laitier cristallisé concassé et le laitier granulé de haut fourneau obtenus par refroidissement à l'eau.

La masse volumique apparente est supérieure à 1250kg/m3 pour le laitier cristallisé concassé, 800kg/m3 pour le granulé.

Ces granulats sont utilisés notamment dans les bétons routiers. Les différentes caractéristiques des granulats de laitier et leurs spécifications font l'objet des normes NF P 18-302 et 18-306.

Granulats à hautes caractéristiques élaborés industriellement :

Il s'agit de granulats élaborés spécialement pour répondre à certains emplois, notamment granulats très durs pour renforcer la résistance à l'usure de dallages industriels (granulats ferreux, carborundum…) ou granulats réfractaires.

Granulats allégés par expansion ou frittage :

Ces granulats, très utilisés dans de nombreux pays comme l'URSS ou les Etats- Unis, n'ont pas eu en France le même développement, bien qu'ils aient des caractéristiques de résistance, d'isolation et de poids très intéressantes.

Les plus usuels sont l'argile ou le schiste expansé (norme NF P 18-309) et le laitier expansé (NF P 18-307). D'une masse volumique variable entre 400 et 800kg/m3 selon le type et la granularité, ils permettent de réaliser aussi bien des bétons de structure que des bétons présentant une bonne isolation thermique.

Les grains de poids intéressants puisque les bétons réalisés ont une masse volumique comprise entre 1200 et 2000kg/m3.

Les granulats très légers :

Ils sont d'origine aussi bien végétale et organique que minérale (bois, polystyrène expansé). Très légers - 20 à 100kg/m3 - ils permettent de réaliser des bétons de masse volumique comprise entre 300 et 600kg/m3.

On voit donc leur intérêt pour les bétons d'isolation, mais également pour la réalisation d'éléments légers ( blocs coffrant, blocs de remplissage, dalles, ou rechargements sur planchers peu résistants ).

Expériences

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 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 de racine carré de 10, 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.

Tamiseur 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 des 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.

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 R1 la masse de ce refus.

Colonne de tamis

Le refus du tamis immédiatement inférieur est pesé avec le refus précédent. Soit R2 la masse du deuxième refus. Cette opération est poursuivie pour tous les tamis pris dans l'ordre des ouvertures 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 du tamis 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 :

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.

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, nécessitent 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 coefficient d'aplatissement est l'un des tests permettant de caractériser la forme plus ou moins massive des granulats.

Matériel nécessaire :

Tamis à fentes

Le coefficient d'aplatissement s'obtient en faisant une double analyse granulométrique, en utilisant successivement, et pour le même échantillon de granulat.

• Une série de tamis normalisés à mailles,
• Une série de tamis à fentes de largeurs normalisées.

Forme d'un granulat et coefficient d'aplatissement :

La forme d'un granulat est définie par trois grandeurs géométriques :

• La longueur L, distance minimale de deux plans parallèles tangents aux extrémités 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 coefficient d'aplatissement A d'un ensemble de granulats est le pourcentage pondéral des éléments qui vérifient la relation :

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).

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 ci-après :

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 M0, 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. 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 :

Mgi = masse de la classe granulaire d/D,

Mei = 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 :

 3) Mesure du coefficient d'absorption des sables (NF P 18-555)

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.

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.

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.

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 LA :

Cet essai est également utilisé pour vérifier la sensibilité au gel des gravillons conformément à la norme NFP 18-593. Soit LA 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 LA coefficient obtenu. La sensibilité au gel du gravillon a pour expression :

Appareil pour essai Los Angeles

Tableau : Catégorie et la quantité de la bille d'acier pour l'essai.

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 ρs 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 confondreρs avec la masse volumique ρqui 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/m3, en kg/dm3, ou en g/cm3. La masse volumique absolue moyenne des granulats silico-calcaires est prise égale, en première approximation, a 2,65 t/m3 ou 2,65 g/cm3.

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 V1 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 V2.

La masse volumique est alors:

Pour opérer dans de bonnes conditions, utiliser une éprouvette graduée en verre de 500 cm3 de volume. La lecture des niveaux V1 et V2 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.

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. L'essai dit d'équivalent de sable - permet de déterminer le degré de propreté du sable :

Selon que la hauteur h2 est mesurée visuellement ou à l'aide d'un piston, on détermine ESV (équivalent de sable visuel) ou ES (équivalent de sable au piston).

Définition de l'équivalent de sable