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Identification géotechnique de matériaux concassés-types en corps de chaussées et évaluation de leur qualité

( Télécharger le fichier original )
par Makhaly BA
Université Cheikh Anta Diop - DEA 2008
  

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Chapitre 2. - Les caractéristiques mécaniques des granulats

L'aptitude des granulats à être utilisés dans les assises de chaussée est appréciée par un certain nombre d'essais. Ces essais ont été effectués au laboratoire de géotechnique de Jean Lefebvre Sénégal dans le cadre du projet de construction de l'autoroute Patte d'oie - Malick Sy.

1. - Essais caractéristiques de la fabrication

1.1. - Analyse granulométrique

On appelle analyse granulométrique l'opération permettant de déterminer :

o La granulométrie : c'est-à-dire la détermination de la grosseur des grains et les pourcentages pondéraux respectifs des différentes familles de grains constituant les échantillons,

o La granularité : c'est-à-dire la répartition dimensionnelle des grains dans un granulat.

L'analyse granulométrique consiste à fractionner le matériau en différentes coupures à l'aide de tamis à maille carrée. Elle s'applique à tous les granulats de dimension nominale inférieure ou égale à 63 mm, à l'exclusion des fillers. Les masses des différents refus sont rapportées à la masse initiale sèche du matériau. Les pourcentages ainsi obtenus sont exploités sous forme de graphique en portant les ouvertures des tamis en abscisse, sur une échelle logarithmique, et les pourcentages en ordonnée, sur une échelle arithmétique (Figures 22 à 25). La courbe appelée courbe d'analyse granulométrique est tracée de manière continue et peut ne pas passer rigoureusement par tous les points.

Les tamis sont normalisés. Les ouvertures de mailles carrées permettent un classement
granulaire. Les dimensions successives des mailles carrées suivent des progressions

géométriques de raison Normalisation).

 

= 1,25 pour la norme AFNOR (Association Française de

 

100

40

60

20

90

80

70

50

30

10

0

100

45/15/15/25 Branche inf fuseau Branche sup fuseau

10

Diamètre (mm)

Pourcentage de fines f = 4,6 %

1

0,1

0,01

Fig. 23. - Courbe granulométrique de la fraction 0/31,5 mm du basalte dans le fuseau 0/31,5
mm - concassés 0/d (BCEOM-CEBTP, 1984)

36

100

10

1

0,1

0,01

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Pourcentage de fines f = 6,9 %

30/15/20/35 Branche inf fuseau Branche sup fuseau

Diamètre (mm)

Fig. 24. - Courbe granulométrique de la fraction 0/31,5 mm du calcaire dans le fuseau 0/31,5
mm - concassés 0/d (BCEOM-CEBTP, 1984)

100

40

90

80

60

50

30

20

70

10

0

100

30/15/20/35 Branche inf fuseau Branche sup fuseau

10

Diamètre (mm)

Pourcentage de fines f = 3,6 %

1

0,1

0,01

Fig. 25. - Courbe granulométrique de la fraction 0/31,5 mm du silexite dans le fuseau 0/31,5
mm - concassés 0/d (BCEOM-CEBTP, 1984)

37

Les différentes courbes granulométriques indiquent une granularité continue et étalée. Seul le calcaire n'entre pas dans le fuseau de spécification du CEBTP ; cela est du à un pourcentage de refus faible au niveau du tamis de maille 20 mm. En effet c'est la forme de la courbe qui est plus importante. Elle conditionne l'aptitude au compactage, l'absence de ségrégation et la compacité du matériau. Plus les contacts entre les grains sont nombreux, plus la couche sera stable, plus le matériau sera compact, moins on risquera de voir se produire des déplacements des grains et par suite des tassements. A cet égard, ce sont donc les courbes continues et bien graduées qui sont les plus satisfaisantes.

Le pourcentage de fines est satisfaisant. Si ce pourcentage est nul ou insuffisant pour combler les vides entre les gros grains, le matériau est peu compact. S'il est excessif il y a formation de boue au compactage et donc une augmentation ultérieure des déformations permanentes. Cependant pour le calcaire le malaxage et le compactage produisent des fines qui peuvent passer d'un pourcentage de 7 à 17,31 % (Figure 25). C'est pourquoi la fourchette de 4 à 10 % de fines proposée par le CEBTP semble ne pas être adaptée à toutes les catégories de granulats. Si le pourcentage de fines après compactage risque de dépasser un certain seuil, il faudrait diminuer cette fourchette.

100

40

80

60

20

90

70

50

30

10

0

100 10 1 0,1

Diamètre (mm)

avant compactage après compactage fort

après compactage faible

0,01

Fig. 26. - Granulométrie après compactage du calcaire

1.2. - Le coefficient d'aplatissement

La forme d'un granulat est définie 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

G

éléments qui vérifient la relation : > 1,58

E

On fait un 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 sont
telles que D = 1 ,25d. Les différentes classes granulaires d/D ainsi isolées sont tamisées une à

38

une sur une grille à fentes parallèles d'écartement E = d/1,58 (ce qui correspond aussi à E = D/2).

L'échantillon est tamisé sur un tamis de 4 mm d'ouverture et le refus de masse M0 est utilisé pour la détermination de A.

Pour une classe granulaire d/D donnée, on peut définir un coefficient d'aplatissement partiel. Ai = 100Mei Mgi

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 du mélange s'exprime en intégrant les valeurs partielles déterminées sur chaque classe granulaire (Tableau 4) :

A =Mei M gi

Caractéristique

Basalte

Calcaire

Silexite

Coefficient d'aplatissement (%)

14,93

6,1

24,93

Tableau 4. - Coefficients d'aplatissement des différents types de granulats

La forme des granulats calcaires est meilleure que celle des granulats de basalte et de silexite. Ceci indique une difficulté relative au concassage des basaltes et des silexites due à leur aspect trop massif. Toujours est-il que les granulats de silexite ont une forme plus plate que celle des granulats de basalte.

Des matériaux très anguleux ne se mettent pas toujours facilement en place et la compacité après compactage peut ne pas être élevée. C'est ainsi que les graves concassées, qui comportent une fraction importante de sable rond, sont plus maniables et plus aisément compactables. Cependant la forme des granulats a également une forte influence sur la résistance aux déformations permanentes. En effet les matériaux alluvionnaires roulés résistent mal à l'orniérage. Une étude au triaxial de l'influence de la forme des granulats (roulés ou concassés) sur le comportement des Graves Non Traitées a montré que les matériaux concassés ont la meilleure résistance aux déformations permanentes.

1.3. - L'Equivalent de Sables

L'Equivalent de sables est un rapport conventionnel volumétrique entre les grains fins et les autres. Il permet donc de caractériser l'importance des fines par une valeur numérique (Tableau 5).

Cet essai s'applique assez bien aux sols faiblement plastiques et peut s'appliquer à tous les matériaux grenus.

L'essai est effectué sur la fraction 0/5 mm du matériau 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.

Il existe deux types de mesures en fonction du degré d'argilosité du matériau. En effet pour les sols par exemple, la mesure de la hauteur H2 peut être délicate, on substitue à l'essai visuel, l'essai au piston.

ES=100H2 H1

39

Caractéristique

Basalte

Calcaire

Silexite

Equivalent de Sables (%)

50,82

45,22

52

Tableau 5. - Equivalent de sables des différents types de granulats

L'Equivalent de sables satisfait à tous les niveaux de trafic. Il indique le degré de pollution des éléments sableux des granulats. Plus l'Equivalent de sables est élevé, moins le matériau contient d'éléments fins nuisibles. A cet égard les calcaires sont moins propres que les basaltes et les silexites. Cet essai rend compte globalement de la quantité des éléments les plus fins mais est moins fiable en ce qui concerne l'aspect qualitatif c'est-à-dire donne peu d'informations sur la nature minéralogique de ces fines. En effet, il faut savoir si ces particules fines sont « inertes » c'est-à-dire sont un simple filler minéral provenant du broyage de la roche par concassage comme les fines siliceuses ou calcaires, ou s'il s'agit de particules « actives » c'est-à-dire des particules argileuses qui vont se gonfler en présence d'eau faisant chuter le frottement interne jusqu'à l'annuler presque totalement entraînant l'orniérage de la couche incriminée.

2. - Les essais caractéristiques des propriétés intrinsèques 2.1. - Masses volumiques

2.1.1. - Définitions

o La masse volumique absolue

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

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.

o La masse volumique réelle

La masse volumique réelle d'un matériau est la masse de l'unité de volume 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 (Tableau 6).

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.

o La masse volumique apparente

La masse volumique apparente d'un matériau est la masse de l'unité de volume du matériau pris en tas, comprenant à la fois des vides perméables et imperméables de la particule ainsi que les vides entre particules.

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

Caractéristique

Basalte

Calcaire

Silexite

Poids spécifique ãs (kN/m3)

27,25

24,44

24

Tableau 6. - Poids spécifiques des différents types de granulats
40

2.2. - Résistance à l'usure et aux chocs

2.2.1. - Essai Los Angeles

Cet essai permet de mesurer les résistances combinées à la fragmentation par choc et à l'usure par frottements réciproques des éléments d'un granulat (Tableau 7). Il consiste à mesurer la quantité d'éléments inférieurs à 1,6 mm produite en soumettant le matériau à une série de chocs et de frottements dans la machine Los Angeles. A un coefficient Los Angeles faible correspond un excellent matériau. Dans la machine Los Angeles, introduire la prise d'essai M = 5000 g et la charge de boulets de la classe granulaire choisie. Après 500 rotations de la machine, à une vitesse régulière comprise entre 30 et 33 tr/min, recueillir le granulat et le tamiser à 1,6 mm, peser le passant m.

m

Par définition le coefficient Los Angeles est le rapport : =

LA

× 100

M

2.2.2. - Essai Micro-Deval

L'essai permet de mesurer la résistance à l'usure par frottements entre les granulats et une charge abrasive (Tableau 7). Il consiste à mesurer la quantité d'éléments inférieurs à 1,6 mm produite dans un broyeur, dans des conditions bien définies, à sec ou en présence d'eau. Plus le coefficient Micro-Deval est faible, meilleur est le matériau.

Dans les cylindres de la machine, introduire chaque prise d'essai M = 500 g et la charge abrasive (billes en acier de 10 mm de diamètre) correspondant à la classe granulaire choisie. Les essais peuvent s'effectuer à sec ou en présence d'eau. Dans ce dernier cas, on ajoutera 2,5 litres d'eau par essai. Après rotation des cylindres à une vitesse de 100 tr/min pendant 2 heures, tamiser le matériau sur le tamis de 1,6 mm et peser passant m.

m

Par définition le coefficient Micro-Deval est le rapport : =

M D

× 100

M

Les valeurs de LA et MDE ont été fournis par des rapports de IK Consultance et du CEREEQ.

Caractéristiques mécaniques

Basalte

Calcaire

Silexite

Los Angeles (%)

12,54

32,65

21

Micro-Deval (%)

16

54,7

17

Tableau 7. - Coefficients Los Angeles et Micro-Deval des différents types de granulats

Les coefficients Los Angeles et Micro-Deval du basalte et du silexite sont conformes aux spécifications. Les granulats de basalte et de silexite montrent une grande résistance à l'usure et à la fragmentation due à leur aspect trop massif. Cependant le silexite est moins résistant que le basalte. Les calcaires ont une faible résistance à l'usure et au frottement.

3. - Essai Proctor - Essai CBR

3.1. - Essai Proctor modifié

Cet essai simule l'évolution du sol au cours du compactage et permet de déterminer pour une énergie de compactage donnée, la teneur en eau optimale pour obtenir la densité sèche maximale (Figure 26).

L'essai consiste à compacter l'échantillon dans un moule standard, à l'aide d'une dame normalisée, à raison de 55 coups par couche (5 couches). Le compactage s'effectue avec des teneurs en eau croissantes rapportées au poids du matériau sec. Après chaque opération on mesure la masse apparente (ãh) du matériau et la teneur en eau (w) puis on calcule la masse volumique sèche (ãd).

41

On trace ensuite la courbe Proctor du matériau avec en abscisse les teneurs en eau et en ordonnée les masses volumiques sèches. On détermine ensuite la teneur en eau optimale (w opt) qui correspond à la masse volumique sèche maximale (ãd max).

24,5

23,5

22,5

21,5

20,5

19,5

24

23

22

21

20

19

5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5

Teneur en eau (%)

Basalte 0/31,5 Calcaire 0/31,5 Silexite 0/31,5

Fig. 27. - Courbes Proctor des différents types de granulats

Caractéristiques physiques

Basalte

Calcaire

Silexite

ãd max (kN/m3)

24,04

21,6

20,21

W opt (%)

6,8

7,65

9,5

ãs (kN/m3)

27,25

24,44

24

Porosité n (%)

11,84

12

15,64

Tableau 8. - Caractéristiques physiques des différents types de granulats

3.2. - Essai CBR

Il sert à caractériser la portance du matériau c'est à dire la charge qu'il peut supporter sans se rompre, mais également à mesurer l'aptitude d'une chaussée à une perméabilité amenée par une forte immersion en cas de fortes pluies. Le CBR est un nombre sans dimension exprimant en pourcentage le rapport entre les pressions produisant dans le même temps un enfoncement donné dans le matériau étudié d'une part et dans un matériau de référence (13,6 kN) d'autre part.

Par définition cet indice est pris égal à la plus grande des deux valeurs suivantes :

- ICBR2 , 5 = 100F2 , 5 13,6 - ICBR5 =100F 5 20,5

ICBR = max(ICBR2 , 5 ; ICBR5)

F2, 5 = Force à 2,5 mm d'enfoncement, F5 = Force à 5 mm d'enfoncement.

42

Le matériau est compacté à la teneur en eau optimale suivant les procédures de l'essai Proctor modifié : 3 moules CBR qui seront compactés respectivement à raison de 55, 25, et 10 coups par couche (5 couches par moule). Après immersion des moules pendant 4 jours, on détermine son poids, sa densité et sa compacité. On poinçonne ensuite le moule avec un piston de 4,9cm de diamètre à une vitesse de 1,27 mm/min. On trace la courbe indices CBR/Compacités.

On peut alors déterminer les Indices CBR à 25, 95 ou 98 % de compacité (Figure 27 à 32).

250

200

150

100

50

0

88 90 92 94 96 98 100 102

CBR (95%OMP) = 82 CBR (98%OPM) = 160

Com pacité(%)

Fig. 28. - Etude CBR après 96 heures d'imbibition du basalte 0/31,5 mm

250

150

100

50

0

200

CBR (95% OPM) = 105
CBR (98% OPM) = 162

88 90 92 9496 98 100

Compacité (%)

Fig. 29. - Etude CBR après 96 heures d'imbibition du silexite 0/31,5 mm
43

350

300

250

CBR (95% OPM) = 230
CBR (98% OPM) = 280

200

88 90 92 94 96 98 100 102

Com pacité(%)

150

100

Fig. 30. - Etude CBR après poinçonnement immédiat du calcaire 0/31,5 mm

300

250

200

150

100

Fig. 31. - Etude CBR après 96 heures d'imbibition du calcaire 0/3 1,5 mm

50

400

250

200

350

300

150

100

0

88 90 92 94 96 98 100 102

Compacité (%)

88 90 92 94 96 98 100 102

CBR (95%OPM) = 219
CBR (98% OPM) = 305

CBR (95 P) = 165

CBR (95% OPM) = 165

CBR (98 )

CBR (98% OPM) = 220

Com pacité(%)

Fig. 32. - Etude CBR après 8 jours d'imbibition du calcaire 0/31,5 mm
44

250

50

0

200

150

100

CBR (95%OPM) = 116 CBR (98%OPM) = 170

88 90 92 94 96 98 100 102

Com pacité(%)

Fig. 33. - Etude CBR après 16 jours d'imbibition du calcaire 0/31,5 mm

Indice CBR

Basalte

Calcaire

Silexite

95 %OPM

82

219

105

98 %OPM

160

305

162

Tableau 9. - Les Indices Portant CBR après 96 heures d'imbibition des différents types de
granulats

L'Indice Portant CBR à 95 % de l 'OPM (Tableau 9) du calcaire (219) est largement supérieur à celui du silexite (105) et du basalte (82). En se basant sur cet essai on a tendance à penser, à tort, que le calcaire a les meilleures performances mécaniques que le basalte. Ceci est du au fait que malgré la dureté du squelette, le basalte est un matériau moins cohésif, tirant sa stabilité du seul frottement interne, donc sujet à l'attrition. C'est ainsi que le CBR à 98 % de l'OPM peut atteindre 160 chez le basalte, 162 chez le silexite, et plus de 300 chez le calcaire, ce qui démontre clairement les exigences de compacité des matériaux non liés. On doit avoir au moins 98 % de compacité in situ (BCEOM-CEBTP, 1984).

Indice CBR

Immédiat

4 jours

8 jours

16 jours

95 %OPM

230

219

165

116

98 %OPM

280

305

220

170

Tableau 10. - Tableau de variation de l'Indice CBR du calcaire en fonction de la durée
d'imbibition

45

250

200

350

300

150

100

50

0

0 4 8 12 16

Jour

95%OPM
98%OPM

Fig. 34. - Evolution du CBR du calcaire en fonction de la durée d'imbibition

Il a été observé à 98 % de compacité que l'Indice Portant CBR du calcaire après 96 heures d'immersion (305) est supérieur à l'Indice Portant après poinçonnement immédiat (280) (Tableau 10). Ce comportement peut laisser penser que la présence de l'eau a contribué à l'hydratation de la chaux entraînant une cimentation plus forte. C'est pourquoi il a été effectué des essais sur des échantillons immergés pour des durées de 8 à 16 jours pour mieux comprendre l'effet de l'eau (Figure 33). Le constat est que l'accroissement de la portance n'est pas un phénomène continu. Au-delà de 96 heures d'imbibition, la portance du matériau diminue.

Le Tableau 11 donne les spécifications et les résultats des différentes caractéristiques des granulats.

Caractéristiques

Spécifications

Basalte

Calcaire

Silexite

Fuseau

 

0/3 1,5 mm

Conforme

Non conforme

Conforme

% fines

 

4 < f < 10

4,6

6,9

3,6

ES

T1-T2

~ 30

50,82

45,22

52

T3-T4

~ 40

CBR

95 %OPM

~ 80

82

219

105

98 %OPM

 

160

305

162

Porosité

 

< 15

11,84

12

15,64

LA

T1-T3

S 45

12,54

32,65

21

T4-T5

S 30

MDE

T1-T3

S 15

16

54,7

17

T4-T5

S 10

A

 

< 30

14,93

6,1

24,93

Tableau 11. - Tableau récapitulatif des caractéristiques des différents types de granulats
46

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