HomeGuide pratique du béton1.3 Granulats pour béton

1.3 Granulats pour béton

 
1.3.1 Introduction

On désigne en général par granulats des graviers et des sables naturels, mais aussi des matériaux granulaires produits industriellement (p. ex. des granulats légers comme l’argile expansée) ainsi que des matériaux recyclés, résultant de la démolition d’ouvrages. Le granulat occupe environ les trois quarts du volume du béton et forme le squelette du béton. Les propriétés du béton frais et celles du béton durci, comme la résistance à la compression et la durabilité, dépendent des propriétés du granulat utilisé.


1.3.2 Production et assurance qualité des granulats pour béton

Généralités

La production et l’assurance qualité sont illustrées à l’exemple d’un granulat naturel qui n’a subi qu’un traitement mécanique. Les granulats utilisés pour la production de béton doivent satisfaire aux exigences de la norme SN EN 12620 «Granulats pour béton». Les termes courants de la pratique n’ont que peu ou pas été adoptés par la norme, mais sont encore en usage en Suisse, puisqu’ils permettent de distinguer le granulat roulé du granulat concassé (tab.1.3.1).  

Production de sable et de gravier

Les granulats des dépôts des rivières et des glaciers sont naturellement arrondis. L’exploitation des gravières est réalisée en gradins successifs, au moyen de chargeuses sur roues ou par des jets d’eau à haute pression, sur toute la hauteur du gisement (voir fig. 1.3.1). Les dépôts lacustres sont exploités quant à eux par des dragues aspirantes.

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Tab. 1.3.1: Termes usuels et désignation des granulats selon la norme.

Après un pré-criblage, le granulat roulé est stocké dans un silo de matériau brut. De là, il est dirigé vers la filière des granulats roulés, puis il est lavé, soit par un lavage préliminaire soit pendant un tamisage à l’eau. Le granulat est transporté par vibrations sur plusieurs niveaux, d’un tamis à l’autre et est ainsi divisé successivement en différentes classes granulaires, stockées séparément dans des silos.

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Fig. 1.3.2: Exploitation d’une gravière au jet d’eau à haute pression.

Production de granulat concassé

Le granulat concassé est produit dans des carrières, ou bien lors de travaux d’excavation sur des chantiers, comme les tunnels par exemple ou bien encore dans des installations de concassage de gravières. L’exploitation dans les carrières se fait en gradins, à l’explosif, et l’exploitation souterraine se fait soit par tunnelier, soit à l’explosif. Dans les gravières, les grains de diamètre supérieur à 45 mm suivent après le pré-criblage la filière de concassage où ils sont réduits à la taille désirée.

Le matériau brut concassé passe par différents types de concasseurs (à percussion, à marteaux ou giratoire) pour réduire la taille des grains. Ceux-ci sont criblés par un tamisage à sec. Les grains d’une coupure adéquate tombent dans le silo correspondant, les grains trop grands sont dirigés à nouveau vers les concasseurs.


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Fig. 1.3.1: Illustration graphique de la production de granulats.

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Tab. 1.3.2: Classes granulaires courantes.

Production des classes granulaires

Les granulats sont produits en classes granulaires normées en fonction des diamètres des grains. Les classes granulaires sont définies par l’ouverture du tamis inférieur d et du tamis supérieur D. Le rapport D/d doit être supérieur à 1.4. Les classes granulaires courantes sont données dans le tableau 1.3.2.

Les granulats roulés ou concassés peuvent être vendus au client sous forme de classes granulaires séparées ou de grave, composée de plusieurs classes granulaires. Le transport se fait en vrac ou en big bag par train, camion ou bateau.

Assurance qualité

Les devoirs du producteur certifié selon les normes SN EN 12620 (SN 670 102) et SN EN 16236 (SN 670 111) englobent le maintien, le contrôle et le calibrage corrects de ses installations et équipements ainsi que le contrôle continu des granulats produits, afin d’identifier à temps les granulats non conformes et d’en empêcher la livraison. Des impuretés, mélanges ou démélanges sont à éviter par un stockage et une gestion adéquats.

La déclaration de conformité du producteur se base sur une inspection initiale par un organe de certification, qui certifie la conformité des essais initiaux et du système d’évaluation et vérification de la constance des performance de la production par le producteur (système 2+ d’EVCP). .


1.3.3 Exigences normatives

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Fig. 1.3.3: Tamis d’analyse avec leurs refus correspondants.
Les exigences suisses relatives aux granulats aptes à la production de béton sont définies dans la norme SN EN 12620. On distingue ainsi les exigences géométriques, physiques et chimiques des granulats pour béton. En Suisse, pour certaines propriétés, des exigences pétrographiques remplacent les exigences de durabilité de la norme produit européenne des granulats. Les exigences sont divisées en catégories, qui correspondent au niveau d’une caractéristique d’un granulat exprimé sous forme d’un intervalle entre deux valeurs, ou exprimées en fonction d’une valeur limite.

 

Exigences géométriques

Généralités
Les exigences géométriques comprennent la granularité, la teneur en fines et la forme des grains (aplatissement). L’analyse des propriétés géométriques se fait pour la granularité par des tamisages avec des tamis à ouvertures normalisées (fig. 1.3.3).On distingue une série de base et une série complémentaire (fig. 1.3.4). En Suisse la série de base et la série complémentaire 1 sont prescrites par la norme SN 670 102. Pour la réalisation de l’analyse en laboratoire on utilise des tamis supplémentaires offrant une division encore plus fine des sables.

Granularité («courbe granulométrique»)
La granularité d’un mélange se définit par les quantités relatives des différentes classes granulaires. En tamisant le mélange au moyen d’une série de tamis normalisés, on obtient pour chaque classe un refus qui est représenté sous forme d’une courbe granulométrique en pourcentage de masse. La différence entre des tamis voisins représente les proportions des classes granulaires. La cuvette à la base de la tour de tamisage permet de récupérer la part du granulat à diamètre inférieur à 0.063 mm, c.-à-d. les fines. L’abscisse logarithmique permet un élargissement de l’échelle pour les valeurs les plus petites afin de faciliter la lecture du diagramme (fig. 1.3.5).

Refus au tamis supérieur et passant au tamis inférieur
La production des classes granulaires est toujours accompagnée d’une certaine quantité de grains trop grands ou trop fins, c.-à-d. supérieurs ou inférieurs aux tamis de délimitation. Les grains trop fins passent le tamis de dimension inférieure et les grains trop grands restent comme refus sur le tamis de dimension supérieure (fig. 1.3.6).


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Fig. 1.3.4: Série de base et complémentaire de tamis de délimitation des classes granulaires selon la norme SN 670 102 et tamis supplémentaires d'analyse.

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Fig. 1.3.5: Exemple d’une courbe granulométrique pour une grave 0–16 mm (échelle logarithmique).

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Fig. 1.3.6: Classe granulaire 4/8 mm sans grain trop grand ou trop petit (à gauche) et avec des grains trop grands et trop petits (à droite).

Gravillons
Parmi les gravillons, on distingue les gravillons à granularité étendue et étroite. Pour les gravillons à granularité étroite, il n’y a qu’une seule exigence concernant les parts de refus et de passants autorisés. Pour les gravillons à granularité étendue, il convient de respecter non seulement les exigences concernant les parts de refus et de passants autorisés, mais aussi les limites générales et les tolérances (GTX) des passants au tamis intermédiaire. La figure 1.3.7 illustre les exigences pour une classe granulaire 8–16 mm à granularité étroite (à gauche) et une classe granulaire 4–32 mm à granularité étendue (à droite). La courbe granulométrique doit se situer dans le domaine indiqué en rose (limites générales).

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Fig. 1.3.7: Exigences pour des gravillons à granularité étroite 8–16 mm (en haut) et étendue 4–32 mm (en bas) avec les tolérances sur la granularité type déclarée par le producteur (échelle logarithmique).

Sables
Il n’existe pas d’exigences absolues concernant la granularité (courbe granulométrique), à l’exception du passant minimal au tamis supérieur D. Les fournisseurs doivent déclarer la granularité type du sable. Les limites générales à respecter se prêtent à la plupart des applications (fig. 1.3.8). Pour des applications spéciales des tolérances réduites sont définies dans l’annexe C de la norme SN EN 12620.

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Fig. 1.3.8: Tolérances applicables à la granularité type moyenne déclarée par le fournisseur pour des sables d’emploi courant, à l’exemple d’un sable 0/4 mm (représentation logarithmique).

Graves
Une grave est un mélange de sable et de gravillon avec d = 0 et Dmax jusqu’à 45 mm. Le mélange doit respecter des limites générales (proportion de grains trop grands) et des limites à deux tamis intermédiaires (fig. 1.3.9).


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Fig. 1.3.9: Tolérances des graves, à l’exemple d’une grave 0–32 mm (à gauche) et 0–16 mm (à droite) (échelle logarithmique).

Teneur en fines
Les fines (D ≤ 0.063 mm) peuvent avoir une influence négative sur les propriétés du béton. De ce fait leur teneur admissible pour les graves est limitée à 11 % en masse (f11) et pour les gravillons à 1.5 % en masse (f1.5). Les fines sont éliminées par lavage à la gravière (fig. 1.3.10). En cas de teneurs plus élevées en fines, l’aptitude du granulat peut être testée au moyen d’essais préliminaires sur bétons.

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Fig. 1.3.10: Tamisage et lavage de granulats à la gravière.

Forme des grains
La forme des grains dépend de la composition pétrographique. Alors que les graves du Plateau suisse sont essentiellement sphériques – cubiques, les graves alpines et préalpines présentent souvent des formes aplaties – allongées (fig. 1.3.11). La forme des grains est définie par le coefficient d’aplatissement des gravillons, mesuré selon la norme SN EN 933-3 et déclaré comme Flakiness Index (FI), mais pour lequel il n’existe pas d’exigence.
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Fig. 1.3.11: Formes de grains de granulats.

Exigences physiques

Les exigences physiques comprennent les propriétés telles que la masse volumique, le coefficient d’absorption d’eau et la résistance au polissage. Les propriétés des granulats comme p. ex. la résistance à la fragmentation, à l’usure ou à l’abrasion doivent être testées selon les nécessités de leur emploi.

Masse volumique
La masse volumique doit être déclarée pour toutes les classes granulaires. Les granulats sont classés en fonction de leur masse volumique en différentes catégories:
  • Granulat naturel courant avec une masse volumique de l’ordre de 2500 à 2700 kg/m3.
  • Granulat recyclé soit de béton, soit de gravats mixtes pour le béton de recyclage (voir chapitre 5.1). Pour le granulat de béton on admet une masse volumique entre 2100 et 2500 kg/m3 et pour le granulat de gravats entre 1800 et 2300 kg/m3.
  • Granulat léger avec une masse volumique inférieure à 2000 kg/m3 comme p. ex. l’argile expansée, le verre expansé, le schiste expansé, la perlite, la pierre ponce, le polystyrène, etc. Ils sont employés pour les bétons légers et isolants thermiques (voir chapitre 5.2).
  • Granulat lourd avec une masse volumique supérieure à 3000 kg/m3, comme p. ex. la barytine, la magnétite, l’hématite, la grenaille de fer, les copeaux de fer, etc. Ils sont utilisés entre autres pour le béton des constructions de protection radiologique.
Absorption d’eau
L’absorption d’eau des granulats est variable et doit être déterminée séparément pour chaque granulat. L’expérience avec les granulats suisses montre que les absorptions d’eau habituelles se situent entre 0.5 et 1.5 % en masse (voir aussi chapitre 1.2.1).

Résistance au polissage
Pour le béton des couches de roulement, il convient de mesurer la résistance au polissage selon la norme SN EN 1097-8. Elle est déterminée sur un gravillon 8/11 mm et doit satisfaire au moins les exigences de la catégorie PSV44.

Exigences pétrographiques

L’aptitude fondamentale, respectivement la durabilité comme p. ex. la résistance au gel, la stabilité dimensionnelle, etc. est évaluée par l’analyse pétrographique. Des exigences minimales s’appliquent à la composition pétrographique des granulats naturels et à la composition des granulats recyclés (tab. 1.3.3). Les exigences pétrographiques concernant l’alcali-réactivité sont définies dans le cahier technique SIA 2042.

Exigences chimiques

Des exigences chimiques pour les granulats naturels et recyclés sont définies concernant la teneur en soufre totale, la teneur en sulfates solubles à l’eau et à l’acide, ainsi que des constituants nocifs qui influent la prise et le durcissement.


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Tab. 1.3.3: Exigences de la composition des granulats naturels et recyclés selon la norme SN EN 12620.

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Tab. 1.3.4: Exigences chimiques des granulats selon la norme SN EN 12620.

1.3.4 Propriétés des granulats pour béton

Un granulat de bonne qualité influence de manière essentielle les caractéristiques du béton de par ses propriétés, telles que la forme, l’état de surface, la masse volumique et la résistance à la compression des grains, ainsi que par sa granularité. Selon l’usage prévu d’autres propriétés comme la couleur, la provenance, le comportement spécifique vis à vis des radiations ionisantes, la dilatation thermique en cas d’incendie ou de températures élevées de service, la résistance aux acides, etc. peuvent relever d’une importance particulière pour le respect de certaines exigences.

Forme des grains et état de surface

La surface spécifique et la forme (sphérique-cubique, aplatie ou allongée) influent de manière significative la demande en eau et l’ouvrabilité du béton. Il en est de même avec l’état de surface du granulat – grains naturellement arrondis ou concassés. Pour une bonne ouvrabilité, les granulats devraient présenter des formes aussi sphériques ou cubiques que possible avec une surface lisse (fig. 1.3.12).

L’expérience a montré que les granulats entièrement concassés sont aussi aptes à l’emploi, bien qu’ils altèrent l’ouvrabilité et augmentent le besoin en pâte de ciment. Par contre les granulats concassés, allongés avec une surface rugueuse peuvent mieux s’enchevêtrer et ainsi améliorer les résistances à la compression, à la traction et à l’usure du béton.


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Fig. 1.3.12: Influence de la forme et de l’état de surface des grains sur les propriétés du béton frais.

Compacité

La granularité doit correspondre à une haute compacité du squelette granulaire, en permettant, grâce à une distribution granulométrique adéquate, aux plus petits grains de remplir les espaces vides entre les plus gros grains. Ainsi, on peut minimiser le volume de pâte de ciment nécessaire à l’enrobage du granulat et au remplissage des espaces vides restants (fig. 1.3.13).
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Fig. 1.3.13: Influence de la granularité sur la densité de compactage (compacité) d'un granulat en vrac.
Distribution granulométrique discontinue
Les granularités, dont certaines classes granulaires font partiellement ou entièrement défaut, sont appelées «granularités discontinues». Elles présentent une courbe granulométrique avec un palier horizontal ou légèrement incliné (fig. 1.3.14). Le recours à une granularité discontinue peut être nécessaire dans certains cas afin d’améliorer l’ouvrabilité, la compactabilité et la pompabilité .

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Fig. 1.3.14: Courbe granulométrique discontinue avec la classe granulaire manquante 4–8 mm (échelle logarithmique).

Ouvrabilité et demande en eau


Des graves pauvres en sable, se situant en dessou fuseau granulométrique admis, sont généralement difficiles à mettre en oeuvre et à compacter. Par contre les graves riches en sables, au-dessus du fuseau granulométrique éprouvé, montrent une demande élevée en pâte de ciment (fig. 1.3.15).

Une méthode pratique d’évaluation des courbes granulométriques fait recours au module de finesse k. Celui-ci diminue lorsque le diamètre maximal du granulat baisse et la proportion de grains fins augmente. La surface spécifique du mélange de grains et sa demande en eau seront donc d’autant plus élevées que le module de finesse diminue lorsque la teneur en grains fins augmente. A l’aide du module de finesse il est possible d’estimer pour une consistance prévue le besoin en eau correspondant.

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Eq. 1.3.3

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Fig. 1.3.15: Béton frais avec une teneur trop basse (gauche), une teneur optimale (centre) et une teneur trop élevée (droite) en sables.

La figure 1.3.16 illustre la demande en eau des bétons avec différentes consistances en fonction du module de finesse k. La demande en eau a été déterminée de manière empirique sur des bétons avec des granulats dont la surface était sèche. Elle correspond donc à la teneur en eau efficace (voir eau de gâchage).

Le module de finesse k de 4.71 calculé selon l’équation 1.3.3 pour une granularité 0–32 mm correspond à une demande en eau de 170 l/m3 pour un béton sans fluidifiant d’une consistance d’environ F3 (voir aussi tableau 2.3.6).

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Fig. 1.3.16: Besoin en eau en fonction du module de finesse k du granulat pour bétons à différentes consistances (sans fluidifiant).

Les granulats sont souvent stockés à ciel ouvert avant leur transport à la centrale à béton. Selon les périodes de pluie et de sécheresse, l’humidité superficielle des grains peut varier fortement. L’humidité superficielle exacte doit être déterminée à la centrale à béton et il faut en tenir compte lors du dosage de l’eau de gâchage. Les teneurs en eau habituelles des granulats roulés suisses sont indiquées au tableau 1.3.5.

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Tab. 1.3.5: Ordres de grandeur de la teneur en eau des granulats naturellement arrondis.
Farine

Tous les composants du béton avec des dimensions ≤ 0.125 mm sont comptés parmi les farines, c.-à-d. le granulat, le ciment et les additions. Les farines agissent comme un lubrifiant dans le béton. Une teneur suffisante en farine est importante pour obtenir une bonne ouvrabilité, en particulier avec les bétons pompés et les bétons auto-plaçants, mais aussi pour bénéficier de belles surfaces de béton de parement. Si nécessaire, les valeurs recommandées dans le tableau 1.3.6 sont à ajuster pour de telles applications.
Une teneur optimale en farine
  • accroît la quantité de film lubrifiant sans augmentation notable de la quantité d’eau de gâchage
  • garantit une meilleure ouvrabilité du béton
  • améliore la capacité de rétention d’eau du mélange et prévient le ressuage du béton pendant et après la mise en place
  • empêche la ségrégation lors de la mise en place et facilite le compactage du béton
  • améliore la compacité microstructurale
  • améliore l’efficacité des adjuvants
  • améliore la qualité de finition de surface lors du talochage et du lissage.
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Tab. 1.3.6: Valeurs recommandées de teneur en farine en fonction de la dimension maximale du granulat.

Sables

La classe granulaire 0–4 mm contribue majoritairement à la surface spécifique du granulat et constitue donc une composante clef de la qualité d’une grave. En règle générale, il est recomposé à partir de différents constituants (p. ex. sables roulés lavés/sables concassés et/ou sables concassés lavés). Actuellement, on ne produit pas pour des raisons normatives de sable recyclé pour la confection du béton.

Les mélanges riches en sables fins (avec plus de 30 % en masse < 2 mm) ont une grande surface spécifique et exigent une proportion accrue en pâte de ciment.

Dimension maximale du granulat

Le choix de la dimension maximale du granulat dépend le plus souvent des dimensions de l’élément d’ouvrage, de sa forme, de l’espacement des barres d’armature et du procédé de mise en place du béton. En règle générale, le diamètre du grain maximal ne devrait pas dépasser un quart de la dimension la plus petite de l’élément d’ouvrage, respectivement de l’espacement et de l’épaisseur de recouvrement des barres d’armature. Pour les éléments d’ouvrage massifs, des granulats à dimensions maximales allant jusqu’à 125 mm sont utilisés. Par contre, pour des éléments élancés à haute densité d’armature, avec des géométries compliquées ou des exigences de béton de parement, on utilise souvent des granulats plus fins à diamètre maximal de 16 mm. Habituellement, la dimension maximale de 32 mm s’est imposée pour des raisons pratiques et économiques.


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