Université Abdelmalek Essaâdi Ecole Nationale des Sciences Appliquées – Tétouan Département STIC Filière: Génie Civil Module: Géotechnique 1 Polycopié des Travaux Pratiques Khamlichi Abdellatif 2017 Sommaire TP1: Mesure de la teneur en eau d’un échantillon de sol 3 TP2: Mesure du poids volumique des grains solides par un pycnomètre en verre 6 TP3: Analyse granulométrique à sec d’un échantillon de sable gros 10 TP4: Essai d’équivalent de sable 18 2 TP1: Mesure de la teneur en eau d’un échantillon de sol 1. Introduction La mesure de la teneur en eau d’un sol est une action des plus fondamentales en géotechnique. La teneur en eau, notée w , permet en effet d’exprimer le poids volumique humide en le ramenant au poids volumique sec : γ = (1+ w) γ d Elle permet aussi d’exprimer le degré de saturation en fonction du poids volumique saturé sous la forme : Sr = w γd γs γ w (γs − γ d ) La teneur en eau d’un matériau est variable dans le temps et dépend pour un sol donné de l’indice des vides et du degré de saturation selon : w = eSr γw γs La teneur en eau conditionne en plus du poids du sol, sa poussée latéral et aussi son compactage où elle est utilisée comme paramètre de contrôle. Pour réaliser un bon compactage de remblai, couche de forme ou corps de chaussée, il est nécessaire de déterminer la valeur en eau idéale du matériau permettant un compactage efficace aboutissant à la meilleure compacité pour laquelle le poids volumique sec est maximal, par exemple dépassant un pourcentage du poids des grains solides γ d ≥ pγ s : γd = γ s γ w Sr (1 − p) γ w ⇒ w opt = γ w Sr + γ s w pγ s Ce TP permettra de voir comment obtenir cette importante caractéristique physique d’un sol qui est la teneur en eau conformément à la norme française NF P94-050. 2. Etude théorique En physique des milieux poreux, on désigne par teneur en eau la quantité d’eau contenue dans un échantillon de matière, par exemple un échantillon de sol ou de roche, la quantité étant évaluée par un rapport pondéral. Cette propriété intervient dans un large éventail de disciplines scientifiques et techniques. Elle s’exprime comme un rapport ou quotient, dont la valeur peut varier entre 0 (échantillon complètement sec) et la teneur en eau à saturation du matériau qui dépend de sa porosité ou ce qui revient au même de son poids volumique saturé : w sat = γw γs γ s − γ sat γ sat − γ w 3 La teneur en eau d’un matériau correspond à la masse d’eau d’un échantillon ramenée à la masse sèche. Elle s’exprime en pourcent et il s’agit d’une teneur en eau pondérale. La mesure s’effectue par séchage conventionnellement par évaporation de l’eau dite libre du matériau, ce qui correspond à l’eau qui s’évapore à une température supérieure à 100°C. La teneur en eau est donnée par la formule: w= Mw M − Ms ×100 = h ×100 Ms Ms où M w est masse d’eau évaporée, M s la masse du matériau sec et M h la masse du matériau humide. 3. Détermination expérimentale de la teneur en eau Par convention, la teneur en eau se mesure à l’étuve chauffée à 105°C. Lorsque les matériaux sont fragiles (cas des vases, des tourbes, de certaines argiles), on peut effectuer la mesure à des températures inférieures à 105°C mais le temps d’évaporation est plus long. En général, il est recommandé de se caler à 50°C dans ces cas précis. Si on chauffe le matériau à des températures supérieures à 105°C, on élimine l’eau libre à 105°C, puis au-delà jusqu’à 200°C environ l’eau liée ou piégée et finalement certaines fractions minérales par évaporation (par exemple, entre 350°C et 600/650°C, déshydroxylation des minéraux argileux, vers 750°C décarbonatation de la calcite, etc...). Pour mesurer la teneur en eau, on peut se référer à la norme française NF P94-050 qui est dédiée à la détermination de la teneur en eau pondérale des matériaux par la méthode par étuvage. Il existe plusieurs normes marocaines traitant de la mesure de la teneur en eau telles que : - NM 10.1.146-1995; granulats - mesure des masses spécifiques, de la porosité, du coefficient d’absorption et de la teneur en eau des gravillons et cailloux. - NM 10.1.149-1995; granulats - mesure des masses spécifiques, du coefficient d’absorption et de la teneur en eau des sables. - NM 13.1.010-1998; détermination de la teneur en eau pondérale des sols - méthode par étuvage. Il existe aussi d’autres normes françaises permettant de mesurer la teneur en eau d’un matériau : la norme NF P94-049-1 (Méthode de la dessiccation au four à micro-ondes) et la norme NF P94-049-2 (Méthode à la plaque chauffante ou panneaux rayonnants). Ces deux dernières normes sont couramment pratiquées en terrassement et notamment en contrôle de chantier. Il convient de remarquer qu’il est indispensable de prendre de nombreuses précautions pour conserver l’échantillon dans son état initial pour que les mesures correspondent aux propriétés du sol étudié. Il faut prendre aussi suffisamment d’échantillons pour palier aux incertitudes et prendre la moyenne des trois teneurs en eau trouvées séparément. 4. Matériels Pour la mesure de la teneur en eau conformément à la norme NF P94-050, on aura besoin: - d’un échantillon de sol environ de masse environ 40 g; - d’un récipient fait de matériau résistant à la corrosion dont la masse doit rester constante après des chauffages répétés. Des tares en aluminium sont conviennent; 4 - d’une étuve à ventilation forcée et possédant un thermostat avec la possibilité de fixer la température à 105°C; - d’une balance précise au centigramme ou à 0.1% de la masse de l’échantillon. 5. Incertitude d’essai Les essais de mesure de la teneur en eau semblent simples. Pourtant des essais réalisés entre laboratoires montrent que malgré leur simplicité, des écarts sont mesurables d’un laboratoire à l’autre. Des campagnes d’essais croisés menées en 2003 et 2011 avec les laboratoires des Ponts et Chaussées en France ont permis d’observer la présence d’incertitudes dans les résultats d’essais. Les résultats obtenus en 2011 ont été réalisés avec un panel de 17 laboratoires sur un sol argileux classé A2 au préalable. Les incertitudes évaluées en 2011 étaient légèrement plus élevées que celles obtenues en 2003 ! Disposer de la valeur de l’incertitude est important pour évaluer la portée du résultat. Cette information semble ainsi nécessaire pour valider l’application de résultats surtout lorsque l’incertitude affecte la conformité aux limites d’une spécification, ce qui peut être le cas pour l’évaluation des états hydriques. Concernant les incertitudes évaluées en 2011 sur la teneur en eau mesurée à l’étuve, l’essai qui a été réalisé sur un sol A2 d’une teneur en eau moyenne de 16.6% évaluée à partir des résultats de 17 laboratoires a donné les indicateurs suivants : - limite de répétabilité: r = 0.7; - limite de reproductibilité: R = 3.7; - incertitude élargie pour k=2: U = 2.7. 6. Mode opératoire Le mode opératoire suit les étapes suivantes : a) On prend trois éprouvettes de sol humide de 40 g approximativement extraites du même échantillon de sol. b) On prend trois tares et on les pèse vides, on pèse ensuite les échantillons avec les tares. On note le poids humide dans un tableau. c) On met ensuite l’échantillon à l’étuve et on note le poids sec après étuvage de l’échantillon dans le tableau. La différence entre le poids humide et le poids sec (poids évaporé) donne le poids de l’eau, on note aussi la teneur en eau obtenue dans le tableau. Masse de la tare vide en grammes Masse avant étuvage en grammes Masse après étuvage en grammes Teneur en eau en % Essai 1 Essai 2 Essai 3 d) On déterminera la teneur en eau moyenne sur les trois échantillons. e) On calculera ensuite la limite de répétabilité r. Cette limite représente l’écart maximum au niveau de confiance 95% entre 2 résultats obtenus sur un même échantillon pour une même méthode, un même analyste, un même appareil. La limite de répétabilité à 95% est donnée SCE d’après la norme ISO 5725 par: r = 2.83 où N est le nombre total de mesures et SCE la N −1 somme des carrés des écarts. 5 TP2: Mesure du poids volumique des grains solides par un pycnomètre en verre L’objectif de la manipulation est la détermination du poids volumique des grains solides d’un sol γs (Ou ce qui revient au même la masse volumique de ces grains ρs = γs /g ou la densité des grains solides ds =ρs / ρw où ρw est la masse volumique de l’eau à la température considérée et g = 9.81m /s2 l’accélération de pesanteur). La manipulation utilise le principe du pycnomètre. Ce procédé consiste à peser un pycnomètre vide, puis rempli d’eau et contenant en même temps une certaine quantité du sol. Par comparaison avec le poids volumique de l’eau γ w , on arrive à déterminer le poids volumique des grains formant le sol. 1. Types de pycnomètres Un pycnomètre désigne un instrument de laboratoire utilisé pour mesurer, à une température déterminée, la masse volumique d’un produit liquide pâteux (mastic, adhésif, peinture) ou solide (poudre, par exemple). 1.1 Pycnomètre en verre On trouve aussi pour cet instrument l’appellation pycnomètre à bouchon capillaire. Il est généralement composé de deux éléments en verre s’assemblant précisément par un joint en verre rodé: - une fiole (classiquement d’une capacité de 50cm3 ) ; - un bouchon percé d’un tube très fin (capillaire). Lorsque l’on ajuste le bouchon sur la fiole, le trop-plein de liquide s’échappe par l’extrémité supérieure du tube et, dans la mesure où ce tube est très fin, le volume de liquide est déterminé avec une grande précision. La capacité du pycnomètre propre étant connue avec précision (indiquée par le fabricant ou mesurée par étalonnage), il suffit de peser au moyen d’une balance de précision le pycnomètre avant et après remplissage pour déterminer par calcul la masse volumique d’un produit liquide ou solide. Figure 3.1: Schéma du pycnomètre 1.2 Pycnomètre métallique Basés sur le même principe, on trouve aussi des pycnomètres métalliques (d’une capacité typique de 50 ou 100cm3 ) constitués d’une cuve et d’un couvercle muni d’un orifice d’écoulement du trop-plein. La forme intérieure inclinée du couvercle facilite l’évacuation du produit liquide ou pâteux. 6 L’étalonnage du pycnomètre est réalisé à l’aide d’eau distillée, en procédant comme pour une détermination ordinaire. 1.3 Pycnomètre à gaz Le pycnomètre à gaz permet de déterminer de façon précise le volume d’un échantillon solide (massif, divisé ou poreux) de masse connue, permettant d’accéder à sa masse volumique. Le principe de la mesure est d’injecter un gaz à une pression donnée dans une enceinte de référence, puis à détendre ce gaz dans l’enceinte de mesure contenant l’échantillon en mesurant la nouvelle pression du gaz dans cette enceinte. Le gaz utilisé est généralement de l’hélium en raison de son faible diamètre atomique qui lui permet de pénétrer de très petites cavités. Cette méthode est particulièrement adaptée à la mesure des volumes et masses volumiques de solides divisés ou poreux, car le gaz pénètre dans les cavités. On ne pourra cependant mesurer le volume réel et la masse volumique vraie que si la porosité est ouverte ; dans le cas de porosité fermée on ne pourra déterminer que la masse volumique effective. Pour une bonne précision, l’échantillon doit être au préalable séché. 2 Détermination de la densité des grains solides par la méthode de quatre pesées Dans cette méthode, on utilise les quatre pesées suivantes: - pesée du pycnomètre vide: m0 - pesée du pycnomètre rempli d’eau jusqu’au trait de jauge 50cm3 : m1 - pesée à nouveau du pycnomètre rempli de sol préalablement séché: m2 - pesée du pycnomètre contenant le sol et rempli d’eau jusqu’au trait de jauge 50cm3 : m3 . (m − m0 ) − (m3 − m2 ) La masse du sol est: ms = m2 − m0 ; le volume du sol est: Vs = 1 . D’où ρw m 2 − m0 . le poids volumique des grains solides du sol qui est donné par: γs = γ w m1 − m0 + m2 − m3 Remarques: - Cette méthode ne peut évidemment pas être appliquée à des solides solubles dans l’eau ou moins denses que l'eau. - Pendant toutes les opérations de manipulation du pycnomètre, il ne faut pas le tenir à pleine main, ni le placer en plein soleil pour éviter de le chauffer. Les dilatations qui s’ensuivraient provoqueraient une erreur systématique. Les conditions de remplissage devront se faire dans les mêmes conditions de température. - L’eau de mer, de salinité 35g / L a une masse volumique moyenne de 1.028 kg / L à 0°C ; une variation de salinité de 1g / L fait varier la masse volumique de 0.0008kg / L . C’est pourquoi, il est obligatoire de travailler avec de l’eau distillée. 3 Manipulation 3.1 Appareillage utilisé - Balance - Etuve - Pipette - Un pycnomètre (RIN 45/40 EN 1097-6) - Thermomètre - Tamis de 2 mm - Mortier et pilon - Papier filtre 7 Figure 3.2 : Appareillage utilisé 3.2 Mode opératoire - Prendre un pycnomètre, le peser après l’avoir lavé et séché, soit m0 sa masse. - Remplir le pycnomètre jusqu’à la base du col d’eau distillée, éliminer toutes les bulles d’air. Compléter le remplissage du pycnomètre à l’eau distillée jusqu’au repère. - Attendre que l’équilibre de température entre le pycnomètre et l’eau soit atteint. Relever la température. - Sécher l’extérieur du pycnomètre et peser, soit m1 cette masse. - Vider le pycnomètre de son contenu, le sécher. - Prélever approximativement 25g de matériau sec si le sol n’est pas cohérent et 10g s’il est cohérent. On prélève uniquement la fraction granulométrique qui passe dans le tamis de 2mm. - Mettre l’échantillon ainsi prélevé dans le pycnomètre et mesurer la masse, soit m2 . - Compléter au trois quart avec de l’eau distillée, chasser les bulles d’air. - Compléter avec de l’eau distillée jusqu’au repère, relever la masse, soit m3 . 4 Variation de la masse volumique de l’eau avec la température La masse volumique de l’eau est fonction de la température. Le Tableau 3.1 donne les variations de la masse volumique de l’eau sur l’intervalle des températures 0°C - 54°C . La Figure 3.3 donne cette variation sur le domaine 0°C - 200°C . T (°C) 3 ρw (kg / m ) 0 1 2 3 4 5 6 999.82 999.89 999.94 999.98 1000 999.99 999.98 7 999.96 8 999.91 9 999.85 10 999.77 11 999.68 12 999.58 13 999.46 14 999.33 15 999.19 16 999.03 17 998.86 18 998.68 19 998.49 20 998,29 21 998.08 22 997.86 23 997.62 24 997.38 25 997.13 26 996.86 27 996.59 28 996.31 29 996.02 30 995.71 8 31 995.41 32 995.09 33 994.76 34 994.43 35 994.08 36 993.73 37 993.37 38 993 39 992.63 40 992.25 41 991.86 42 991.46 43 991.05 44 990.64 45 990.22 46 989.8 47 989.36 48 988.92 49 988.47 50 988.0 51 987.6 52 987.09 53 986.62 54 986.4 Tableau 3.1: Variation de la masse volumique de l’eau en fonction de la température Figure 3.3: Evolution de la masse volumique de l’eau en fonction de la température 9 TP3: Analyse granulométrique à sec d’un échantillon de sable gros 1. Revue des techniques granulométriques Les échantillons soumis à l’analyse granulométrique peuvent être traités à l’aide de plusieurs méthodes. Il est très important de noter que les résultats produits dépendent de la méthode utilisée mais aussi de l’échantillon testé et ne seront pas systématiquement reproductibles et comparables. Il est possible de réduire l’incertitude en augmentant le nombre des essais. Parmi les méthodes disponibles pour effectuer l’analyse granulométrique, on trouve : - le tamisage à sec; - le tamisage sous eau; - la diffraction laser; - la sédimentométrie par sédigraphe; - la sédimentométrie par hydromètre ou aéromètre. 1.1 Le tamisage à sec L’analyse granulométrique par tamisage consiste à classer les différents grains d’un échantillon en utilisant une série de tamis ou passoires, emboîtés les uns sur les autres, dont les ouvertures sont décroissantes du haut vers le bas. L’échantillon étant placé au sommet, la pile de tamis est vibrée. Les matériaux restant dans chaque tamis (refus) sont pesés puis convertis en pourcentage massique %. Une courbe est tracée, c’est la courbe granulométrique. En ce qui concerne les sols, l’analyse granulométrique est pratiquée sur une série de tamis répondant à la norme française NF P94-056: Reconnaissance et essais - Analyse granulométrique - Méthode par tamisage à sec après lavage. Les tamis sont soumis à des vibrations pour faciliter le passage des particules à travers les mailles. Certaines tamiseuses permettent des vibrations continues ou intermittentes. La durée du tamisage est limitée à 10min afin de ne pas provoquer le bris des particules de l’échantillon. Le choix de la durée s’effectue en fonction de la nature de l’échantillon c’est-à-dire des agglomérats après séchage à l’étuve. 1.2 Le tamisage sous eau Ce type de tamisage est recommandé pour séparer la fraction inférieure à 40µm des particules les plus grossières ou au sein même de la fraction inférieure à 40µm . On utilise alors deux tamis, l’un d’ouverture 32µm , l’autre de 20µm . Cette opération réduit l’hétérogénéité du matériel et facilite l’analyse micro-granulométrique. La norme NF P94-041 décrit la méthode de tamisage par voie humide. 1.3 La diffraction laser Cette technique est recommandée pour des sols composés de sédiments dont la forme s’apparente à des particules sub-sphériques < 2mm , opaques et de densité identique. Il convient de se reporter aux manuels d’utilisation des fabricants du granulomètre à diffraction laser pour plus de précision. Cette méthode n’est donc pas valable pour tous les types de sédiments. Il est aussi possible de soumettre une partie d’un échantillon au tamisage à sec et l’autre partie à la diffraction laser mais, dans ce cas, les résultats des analyses feront l’objet d’interprétations séparées. Toutefois, pour certains sédiments, les résultats issus de la diffraction laser sont comparables à ceux obtenus par tamisage. 1.4 La sédimentométrie par sédigraphe à rayons X Cette technique fournit le tracé de la courbe granulométrique pour la fraction inférieure à 20µm , en mesurant la vitesse de chute par gravité des particules dans l’eau. La vitesse de 10 chute est elle-même reliée à la dimension des particules d’après la loi de Stockes qui donne le v rayon des particules en fonction de la vitesse limite de chute des particules: r = lim avec C 2 ρs −ρf C= g la constante de Stokes dans laquelle ρs la masse volumique des particules, ρf 9 η la masse volumique de l’eau, η la viscosité dynamique de l’eau et g l’accélération de la pesanteur. L’emploi du sédigraphe est généralement réservé à l’étude des argiles. Il mesure par un mince faisceau de rayons X la concentration des particules qui restent en suspension à une hauteur de sédimentation diminuant avec le temps. Signalons que pour les grains de très petites dimensions, la forme joue un rôle très important. Les particules d’argile se présentent sous la forme de plaquettes et ne sont donc pas sphériques. Le granulomètre laser à diffusion statique a pour principe l’interaction de la lumière avec les particules, celui à diffusion dynamique sur le mouvement brownien et la viscosité du mélange. Le sédigraphe a pour principe de base le frottement hydraulique. Ces méthodes ont des modes d’interaction différents avec les particules. Elles donnent donc des distributions différentes, pour les argiles notamment qui ne peuvent généralement pas être comparées entre elles. 1.5 La sédimentométrie par hydromètre ou aéromètre Cette méthode s’appuie sur la loi de Stokes et la poussée d’Archimède qui est proportionnelle à la densité du fluide. La loi de Stokes prédit la vitesse limite vlim = C r 2 . D’où il résulte que le diamètre des particules en mm est donné par : D = K H r (t) 18η avec K = où t g(ρs −ρ w ) H r (t) est la hauteur de chute en cm à l’instant t exprimé en min, la viscosité dynamique étant exprimée en g/s/cm et les densités en g / cm3 . Pour un hydromètre de référence ASTM donnée, on a: H r (t) =α+β R1 (t) où α et β sont des constantes qui caractérisent l’hydromètre (Elles sont fournies par le fabricant) et R1 (t) est la lecture corrigée à l’instant t . On démontre par ailleurs que le pourcentage massique des particules de diamètre inférieur à D s’écrit: V ρs ρ w g R 1 p= où ρ w est la densité de l’eau, V le volume de l’éprouvette et W le poids W ρs −ρ w 10 sec du sol en suspension par unité de volume. La norme française dédiée à la sédimentométrie est la NF P94-057. 2. Le matériel pour le tamisage à sec Plusieurs instruments sont nécessaires à l’analyse granulométrique. Le laboratoire doit disposer de postes de travail dédiés à la pesée, à l’observation des échantillons, au séchage, au tamisage et aux autres analyses. L’analyse se déroule selon les étapes suivantes: 2.1 Prélèvement et stockage de l’échantillon Plusieurs instruments sont utilisés au prélèvement de l’échantillon de sol. Le nom de l’échantillon doit être indiqué au marqueur indélébile sur le côté du tube (pilulier) qui le contient et sur le bouchon. 2.2 Lavage de l’échantillon Dans certains cas le matériau doit être lavé à l’eau distillée. On peut rajouter cette eau et mélanger le sédiment à l’eau à l’aide d’un agitateur en verre. On laisse décanter jusqu’à ce que l’eau soit parfaitement claire. On siphonne ensuite le trop-plein à l’aide d’un tube 11 chirurgical en latex par exemple. L’opération peut être répétée plusieurs fois jusqu’à ce que le sédiment soit parfaitement débarrassé des sels qu’il contient. Lors de cette opération, on ôte à l’aide d’une pince tous les débris (bois, algues, …) qui flottent en surface. Certains échantillons demandent une préparation plus longue car les grains ne peuvent pas se détacher aisément du fait qu’ils sont liés entre eux par un ciment. Après avoir rincé les tubes, il est nécessaire d’effectuer une légère attaque au peroxyde d’hydrogène (à 50%). La capsule est ensuite placée sur une plaque chauffante à 40°C pendant une dizaine de minutes. Les grains se détachent progressivement et tombent au fond de la capsule. 2.3 Séchage de l’échantillon Les échantillons décantés sont placés dans une étuve (Fig. 2.1) pour y être séchés. Selon la nature du sol et le type d’analyse, les échantillons vont sécher de 24 à 48 h à une température de 50°C à 60°C. Lors de la montée en température, il est souhaitable de rester à proximité de l’étude pour en vérifier le bon fonctionnement. Figure 2.1: Etuve à thermostat 2.4 Tamisage de l’échantillon Un tamis (Fig. 2.2) est composé d’une toile de mailles dont l’ouverture est déterminée. Généralement les tamis les plus petits ont une taille de 40µm . Les tamis les plus larges sont nommés passoires (à partir de 3.315mm ). Pour information, les tamis AFNOR respectent la progression suivante: 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800 µm , 1, 1.25, 1.6, 2, 2.5mm et les passoires: 3.315, 4, 5, 6.3, 8, 10, 12.5, 16, 20, 25 mm. D’autres nomenclatures sont parfois utilisées, avec des tamis en unités ϕ= − log 2 (d) par exemple. Figure 2.2: Tamis 12 Les tamis sont placés les uns sur les autres dans le sens décroissant. Le sédiment sec est déversé au sommet de la colonne (Fig. 2.3). On utilise un fond étanche à la base de la colonne pour récupérer le refus final. La colonne est placée sur une tamiseuse (Fig. 2.3) qui va la faire vibrer à une fréquence connue pendant un temps connu (généralement moins de 10 minutes). Le sédiment va ainsi être trié selon la taille des grains qui le compose. Chaque refus est alors versé délicatement dans une capsule pour être pesé. Un grand soin doit être apporté lorsque l’on enlève les derniers grains qui restent dans le tamis. On utilise généralement un pinceau ou une brosse (selon la finesse de la maille). On ne doit jamais appuyer sur le tamis à l’aide de la brosse et on ne doit jamais enlever par la force un grain resté bloqué dans une maille. Il existe des systèmes de nettoyage des tamis qui utilisent les ultra-sons. Figure 2.3: colonne de tamisage et tamiseuse 2.5 Pesage des refus Chaque refus de tamis est pesé à l’aide d’une balance de précision, préalablement stabilisée sur un plan parfaitement horizontal, tarée et à l’abri des mouvements d’air (Fig. 2.4). Il est également essentiel que la balance de précision soit étalonnée par un organisme certifié avec une périodicité adaptée. Les données sont notées sur une feuille de résultats avant d’être intégrées dans un tableur (Excel par exemple) pour effectuer des analyses statistiques. Les refus sont stockés pour archivage dans des sachets clairement identifiés. Il est souvent utile de stocker séparément les fractions supérieures et inférieures à 40 ou 63 µm . 13 Figure 2.4: Balance de précision Pour effectuer la mesure des refus, un récipient pour recueillir les granulats est d’abord posé sur la balance et est tarée, Fig. 2.5. Le plus grand tamis est vidé dans le récipient. La balance va alors indiquer la masse des granulats refusés dans ce tamis. Sans vider le récipient, le tamis suivant est à son tour vidé dans le récipient, Fig. 2.6. La blanque indique alors le cumul des masses des granulats refusés dans chaque tamis. Cette opération est reproduite ainsi de suite jusqu’au fond étanche. Figure 2.5: Récipient posé sur la balance et tarage de celle-ci Figure 2.6: Vidage du tamis dans le récipient et pesée 14 La liste des normes marocaines traitant de l’analyse granulométrique comprend : NM 10.1.020-1974 Matériaux de construction-Granulométrie et granulats; NM 00.1.004-1975 Tamisage-Analyse granulométrique par tamisage; NM 13.1.008-1998 Analyse granulométrique-Tamisage; NM 10.1.338-2004 Produits spéciaux destinés aux constructions en béton hydrauliqueProduits à base de liants hydrauliques ou de résines synthétiques - Analyse granulométrique des poudres. 3. Mode opératoire 3.1 Les tamis Un tamis est constitué d’une toile métallique ou d’une tôle perforée définissant des mailles de trous carrés, la taille des mailles est normalisée. Cette taille correspond aux termes d’une suite géométrique de raison 1.259. Les tamis sont également repérés par un numéro d’ordre appelé « module », selon une progression arithmétique de raison 1, voir tableau ci-contre. Il n’est pas toujours nécessaire d’utiliser tous les tamis. On peut n’utiliser que les tamis 20 à 38 par exemple (analyse d’un sable) ou une suite de tamis espacés de quelques modules, par exemple 38, 35, 32, 29 … Dans le cadre de ce TP, on utilisera exclusivement les tamis: 43, 40, 37, 34, 31, 28. 3.2 L’échantillon Il faut que l’échantillon analysé soit en quantité suffisante pour être mesurable et pas trop importante pour éviter de saturer les tamis. En pratique la masse de l’échantillon M0 exprimées en kg doit dépasser 0.2D max où le diamètre D max est exprimé en mm. Il est essentiel que l’échantillon soit sec (Etuvage à la température de 105°C maximum). Dans notre cas, on prendra M0 = 2kg . 3.3 Analyse granulométrique Empiler la série de tamis suivant leur module croissant: 43, 28, 31, 34, 37, 40. - Placer le récipient à fond étanche sous le dernier module. - Fixer la série constituée sur le cadre vibrant. - Tamiser par vibration pendant 2 minutes à l’amplitude 0.5mm. Peser selon la méthode décrite dans la section 2.5, la quantité cumulée de refus (notée Ric) et noter le résultat dans le tableau de la page suivante: 15 Opérateur: Référence de l’échantillon: Date: Masse totale sèche (le cas échéant après lavage) en grammes: M0 = Ouverture tamis en mm Masse des refus cumulés (Ric) en grammes Pourcentage refus cumulés 100*(Ric/M0) % tamisats cumulés Ti=100-100*(Ric/M0) 16 8 4 2 1 0.5 Passant au dernier « fond », P =……………………… Rnc + P = ……………………………………………. 100*[M0 – (Rnc + P)] / M0 = ………………………. < 1% 3.4 La validité de l’analyse granulométrique La somme des passants, Rnc et P, ne doit pas différer de plus de 1% de la masse M0; pour éviter que l’analyse ne soit fausse. 3.5 Tracé de la courbe Elaboration de la courbe granulométrique: - On trace un repère orthonormé; - On place sur l’axe des abscisses (horizontal) le logarithme décimal de l’ouverture du tamis i; - On place sur l’axe des ordonnées (vertical) les tamisat Ti en %. 16 Annexe A1. Qualité granulaire des sables: fuseau et module de finesse A1.1 Les fuseaux Graphiquement, il est possible de représenter un secteur, appelé fuseau dans lequel la courbe granulaire doit se situer pour vérifier le critère de qualité granulaire. A1.2 Le module de finesse Selon la norme NF P 18-304 relative à la confection du béton, on détermine le module de finesse du sable utilisé. Cette grandeur indique si un granulat comporte des grains plutôt fins, grossier. Il permet donc de détecter une discontinuité en début ou en fin de courbe et de définir une tolérance vis-à-vis de ces discontinuités. Le module de finesse FM d’un granulat est défini par le 1/100 de la somme des refus cumulés, exprimés en pourcentage, sur les différents tamis de la série: 0.125-0.250-0.50-1.00-2.0-4. Le module de finesse MF est une caractéristique importante surtout en ce qui concerne les sables. Un bon sable à béton doit avoir un module de finesse MF compris entre 2.2 et 2.8 ; audessous, le sable a une majorité d’éléments fins et très fins, ce qui nécessite une augmentation du dosage en eau ; au-dessus, le sable manque de fines et le béton y perd en ouvrabilité. Pour 1.8<MF<2.2 le sable est à utiliser si l’on recherche particulièrement la facilité de mise en œuvre au détriment probable de la résistance. Pour 2.2<MF<2.8 le sable est à utiliser si l’on recherche une ouvrabilité satisfaisante et une bonne résistance avec des risques de ségrégation limités. Pour 2.8<MF<3.2 le sable est à utiliser si l’on recherche des résistances élevées au détriment de l’ouvrabilité et avec des risques de ségrégation. Pour MF >3.2 le sable est à rejeter. A2. Classe granulaire La norme NF P 18-304 détermine la classe granulaire en numérisant les critères de plus petits et de plus grands diamètre ainsi que le critère de représentativité. 17 TP4: Essai d’équivalent de sable 1. Introduction Les impuretés peuvent perturber l’hydratation du ciment ou entraîner des défauts d’adhérence granulats-pâte, ce qui peut avoir une incidence négative sur la résistance du béton. La propreté traduit l’absence d’éléments fins indésirables dans les granulats. En abaissant l’adhérence de la pâte de ciment sur les granulats, la présence de particules argileuses est défavorable, autant à la mise en œuvre du béton qu’à ses performances finales. Au-delà d’une certaine quantité, l’argile absorbe une partie de l’eau du béton pour former une boue. Cette boue gênera l’adhérence du ciment avec les granulats. Le béton une fois sec s’effrite et manque de résistance. En absorbant trop d’eau, l’argile en trop forte quantité, provoque un phénomène de retrait important par l’évaporation de l’eau. Pour éviter que tous ces phénomènes n’apparaissent il faut vérifier que les granulats ne comportent pas une quantité d’argile nuisible au béton. La présence d’argile dans le sable naturel en quantité modérée peut toutefois contribuer à faciliter la mise en œuvre du béton. En effet, par leur petite dimension les grains d’argile se comportent comme des roulements à billes qui limitent le frottement entre les granulats. En faible proportion, l’argile permet ainsi de faciliter la mise en œuvre du béton sans en altérer la résistance. Le sable de qualité est donc un sable qui contient de l’argile dans des proportions qui permettent de faciliter la mise en œuvre du béton tout en garantissant la résistance souhaitée. La proportion des granulats par rapport à l’argile considérée comme un polluant définit la propreté. Dans le cas des gravillons, la propreté est donnée par le pourcentage de passant au tamis de 0.5mm (tamisage effectué sous eau). Dans le cas des sables, la propreté est fournie par l’essai appelé «équivalent de sable» qui permet de mesurer la fraction argileuse du matériau. L’essai d’équivalent de sable (ES) consiste à séparer le sable des matières argileuses ou fines, qui remontent par floculation à la partie supérieure de l’éprouvette où l’on a effectué le lavage. Plus la valeur de ES est grande, plus le sable est propre. La propreté d’un sable peut également être évaluée par l’essai au bleu de méthylène (VB). Le bleu de méthylène est absorbé préférentiellement par les argiles et les matières organiques. L’essai standard est tel que VB exprime la quantité de bleu de méthylène absorbée par 100g de fines. Plus la valeur de VB est petite, plus le sable est propre. 2. Principe de l’essai d’équivalent de sable Le but de cet essai est de mesurer la propreté des sables entrant dans la composition des bétons. L’essai consiste à déterminer l’importance des fines (<63µm) floculables contenues dans le sable. Une procédure normalisée permet de déterminer un coefficient d’équivalent de sable ES selon une norme donnée: LPC (mode opératoire S.I. 5-1963), NF EN 933-8 ; NF P18-597; NF P18-598. Au Maroc, on se réfèrera aux normes nationales: NM 10.1.147-1995: Granulats - Equivalent de sable. NM 10.1.169-1995: Granulats - Détermination de la propreté superficielle. NM 10.1.283-2008: Essais pour déterminer les caractéristiques géométriques des granulats Évaluation des fines - Équivalent de sable. NM 10.1.732-2009: Granulats - Détermination de la propreté des sables - Equivalent de sable à 10% de fines. Le principe de l’essai s’appuie sur le fait qu’en présence d’une solution de glycérine, formaldéhyde et de chlorure de calcium, l’argile flocule. C’est-à-dire que l’argile se rassemble 18 sous forme de petits flocons. Après agitation dans cette solution, ces flocons descendent par gravité de façon très lente. Cela signifie qu’après agitation le sable brut descend très rapidement alors que l’argile se dépose beaucoup plus lentement en une vingtaine de minutes. Ainsi le sable brut peut être visiblement séparé de l’argile qui se déposera lentement au dessus, voir figure 1. La hauteur totale représente la hauteur de l’échantillon. Le rapport entre la hauteur de sable brut et la hauteur totale représente la proportion de sable brut dans le sable. Cette proportion exprimée en pourcentage est appelée ES (Equivalent de Sable). Figure 1: Dépôt du sable et décantation du floculat dans un tube d’essai ES 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 effectue la mesure. Cette dernière peut être réalisée de deux façons différentes : - Avec piston Figure 2: Mesure de l’équivalent de sable dans le cas de la méthode avec piston ES = 100 h2 h1 19 - Sans piston h ′2 Figure 3: Mesure de l’équivalent de sable dans le cas de la méthode à vue ESv = 100 h ′2 h1 - hauteur h1 : sable propre + éléments fins - hauteur h 2 : sable propre seulement (à vue) - hauteur h ′2 : sable propre seulement (au piston) On a toujours: ES < ESv . 3. Matériel utilisé L’ensemble pour équivalent de sable (EN933-8), voir figure 4, se compose de: Figure 4: Kit du matériel utilisé selon la norme EN 933-8 4 éprouvettes pour équivalent de sable gradué sur 100 et 380mm 1 règle graduée 500mm 2 bouchons pour éprouvette 20 1 entonnoir 1 récipient de mesure 200ml 1 bonbonne 5L en plastique 1 tube laveur avec tuyau en caoutchouc, siphon et bouchon 1 poids tare selon NF P18-598 1 solution mère concentrée, 1000 ml 4. Composition de la solution floculante La solution lavante est élaborée à base d’un mélange concentré obtenu en mélangeant: - 219g de chlorure de calcium CaCl2, 6H2O dissous à chaud dans 350ml d’eau déminéralisée, - 480g de glycérine, - 12.5g de formaldéhyde (solution 40% volumique), ce mélange est complété à l’eau déminéralisée pour obtenir 1L. Dans notre cas, le mélange concentré est commandé déjà prêt. Note: cette solution ne peut se conserver que 28 jours, la solution concentrée pouvant se conserver un an à l’abri de la lumière dans un endroit tempéré. 5. Mode opératoire de l’essai d’équivalent de sable La procédure d’essai est décrite précisément dans la norme NP 18-598, octobre 1991. L’essai s’effectue sur un échantillon de sable humide afin d’éviter les pertes d’argile. Il faut vérifier que les grains de sable ont un diamètre inférieur à 5mm par tamisage et vérifier que la masse sèche de l’échantillon soit de 120g. Puis remplir l’éprouvette avec la solution lavante jusqu’au premier trait et introduire l’échantillon de masse M =120g dans l’éprouvette normalisée. (1)- Préparer une solution lavante en diluant la solution concentrée de 125ml dans 5L d’eau distillée. (2)- Prendre un échantillon du sable humide à étudier de masse égale à M0 = 700g . (3)- Passer au tamis de 5mm le sable à étudier. (4)- Prélever trois échantillons du sable d’environ 40g chacun afin de mesurer la teneur en eau w. Les échantillons extraits passent pour cela à l’étuve dont la température est fixée à 105°C durant 24h. Il faudra diviser la quantité du sable restant en deux parties d’égale masse et placer chaque partie dans un sac de plastique afin de conserver son humidité. (5)- Prélever deux fractions de sable humide à l’aide du godet ( H = 45mm , φ= 50mm ) et 100 + w arasé. La masse nécessaire est: M =120 où w est la teneur en eau en %. 100 (6)- Remplir deux éprouvettes avec la solution lavante jusqu’au 1er trait. (7)- Verser dans chaque éprouvette, contenant la solution floculante, la prise d’essai de sable humide M =120(1+ w) . Eliminer les bulles d’air (frapper contre la paume de main, laisser se reposer 10min ). (8)- Boucher les deux éprouvettes et les agiter à l’agitateur 90 cycles pendant 30 secondes (Faute d’un agitateur équivalent de sable standard, il faut prévoir une agitation manuelle uniforme, avec autant que possible, l’exécution d’oscillations uniforme d’amplitude 20cm avec une fréquence de 3cycles/s). (9)- Rincer le bouchon au-dessus de l’éprouvette. Faire descendre le tube laveur en le faisant tourner entre les doigts: on lave ainsi les parois intérieures de l’éprouvette. Faire descendre et remonter lentement le tube laveur que l’on tourne entre les doigts dans la masse de la prise afin d’agiter la burette et de favoriser la remontée des fines et éléments argileux. (10)- Sortir le tube laveur et fermer le robinet lorsque le niveau du liquide atteint le trait supérieur. (11)- Laisser reposer 20mn . 21 (12)- Mesurer la hauteur h1 au niveau supérieur du floculat puis faire descendre lentement, par son poids propre jusqu’à stabilisation, le piston taré dans le liquide à travers le floculat, le manchon prenant appuis sur le bord supérieur de l’éprouvette. L’immobiliser au contact du sable et mesurer h 2 . (13)- Calculer la valeur ES . (14)- Si les deux valeurs de ES diffèrent de plus de 4 il faudrait refaire l’essai. On ne le refera pas durant le TP. 6. Interprétation des résultats ES<70%: sable pollué ES>75%: sable propre ES à vue ES au piston ES < 65% ES < 60% 65% < ES < 75% 60% < ES < 70% 75% < ES < 85% 70% < ES < 80% 85% < ES 80% < ES Nature et qualité Sable argileux : risque de retrait ou de gonflement Sable à rejeter pour des bétons de qualité Sable légèrement argileux de propreté admissible pour les bétons de qualité quand le retrait n’a pas de cons équence notable sur la qualité du béton. Sable propre à faible proportion de fines argileuses convenant parfaitement pour les bétons de haute qualité Sable très propre. L’absence presque totale de fines argileuses risque d’entraîner un défaut de plasticité du béton qu’il faudra compenser par une augmentation du dosage en eau. 22 Module Géotechnique 1 : Fiche TP1 Opérateurs: ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………….... Masse de la tare vide en grammes Masse avant étuvage en grammes Masse après étuvage en grammes Teneur en eau en % Essai 1 w1 = Essai 2 w2 = Essai 3 w3 = Teneur en eau moyenne: w m = w1 + w 2 + w 3 = ……………….…. 3 SCE = (w1 − w m )2 + (w 2 − w m ) 2 + (w 3 − w m ) 2 = ……………..…….. N = ……………………………………………………………….. r = 2.83 SCE = …………………………………………….…….. N −1 23 Module Géotechnique 1: Fiche TP2 Date: Opérateurs: ………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… - Température: T = ……….. °C - Masse du pycnomètre à vide: m0 = ……. g - Masse du pycnomètre rempli d’eau jusqu’au trait de jauge: m1 = ………… g - Masse du pycnomètre contenant le sol sec: m2 = ………… g - Masse du pycnomètre contenant le sol et rempli d’eau jusqu’au trait de jauge: m3 = …… g - Masse volumique de l’eau: ρw = ………. kg / m3 - Poids volumique de l’eau: γ w = ………. N / m3 - Poids volumique des grains solides du sol: γs = ……….. N / m3 - Densité des grains solides: Gs = ……… - Incertitude relative sur γs : ∆γs / γs = ……….. % Remarques: - On prendra g = 9.81m /s2 . - L’incertitude absolue sur la masse pesée par la balance 8100 g est: ∆m = 0.1g . - Dans la pratique, il faudra répéter les mesures précédentes 3 fois pour augmenter la précision. Il faudra aussi travailler avec des balances de haute précision. 24 Module Géotechnique 1: Fiche TP3 Date: Référence de l’échantillon: Opérateurs: ………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… Masse totale sèche en grammes: M0 = Ouverture tamis en mm Masse des refus cumulés (Ric) en g Pourcentage refus cumulés 100*(Ric/M0) % tamisats cumulés Ti=100-100*(Ric/M0) 16 8 4 2 1 0.5 Passant au dernier « fond », P =……………………… Rnc + P = ……………………………………………. 100*[M0 – (Rnc + P)] / M0 = ………………………. < 1% 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 1 10 10 Courbe granulométrique 25 Module Géotechnique 1: Fiche TP4 Opérateurs: ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………….... Masse avant étuvage en grammes Masse après étuvage en grammes Teneur en eau en % Echantillon 1 w1 = Echantillon 2 w2 = Echantillon 3 w3 = Teneur en eau moyenne: w = w1 + w 2 + w 3 = ……………….…. 3 Masse idéale de sable humide: M =120 100 + w = ……………….…. 100 Masse de l’échantillon équivalent de sable 1: M1 = ……………….…. Masse de l’échantillon équivalent de sable 2: M 2 = ……………….…. Hauteur h1 de l’échantillon 1: h11 = ……………….…. Hauteur h 2 de l’échantillon 1: h12 = ……………….…. Equivalent de sable de l’échantillon 1: ES1 =100 h12 h11 Hauteur h1 de l’échantillon 2: h 21 = ……………….…. Hauteur h 2 de l’échantillon 2: h 22 = ……………….…. Equivalent de sable de l’échantillon 2: ES2 =100 h 22 h 21 ∆(ES) = ES2 − ES1 = ……………….…. Interprétation des résultats : ……………….….……………….….……………….….……….. ……………….….……………….….……………….….……………….….……………….…. ……………….….……………….….……………….….……………….….……………….…. 26
