Matériaux innovants

Université Aboubekr Belkaïd – Tlemcen Faculté de Technologie Département de génie civil

TRAVAUX PRATIQUES MATERIAUX INNOVANTS -M1-

Programme expérimental :

TP1 :

Confection et Caractérisation des BAP Etalement – J-Ring – Boite en L – V-Funnel – Stabilité St abilité au tamis

TP2 :

Etude de la capillarité par absorption d’eau Béton – plâtre - brique

TP3 :

Etude de la maniabilité des mortiers en fonction du taux des additions minérales Fillers Calcaires – Pouzzolane.

TP4 :

Maçonnerie

TP5 :

Essai d’écoulement au cône de Marsh

TP6 :

Confection et caractérisation des BHP. Elaboré par : TALEB Omar HOUTI Farid GHOMARI Fouad Année Universitaire 2016 - 2017

TP Matériaux innovants

TRAVAUX PRATIQUES MATERIAUX INNOVANTS La lecture du cahier de TP est obligatoire avant de se présenter à la séance. En raison de l’utilisation de produits salissants, la blouse en coton est obligatoire ainsi que les chaussures de sécurité. Avant de quitter la salle de TP, chaque groupe devra nettoyer soigneusement son poste de travail (matériel utilisé et paillasse). Un état des lieux et du matériel est réalisé en fin de séance. N’oubliez pas que l’utilisation d’un matériel non entretenu peut être une source d’erreurs dans les mesures. Afin de maintenir le laboratoire et le matériel dans un état correct de fonctionnement, suivez les consignes données par l’enseignant (e). Toute casse de matériel devra être immédiatement signalée et sera sanctionnée. Il est formellement interdit de vider du ciment, du sable, du mortier, du béton... dans les éviers. Des poubelles sont à votre disposition. Toute absence non justifiée sera accompagnée d’une note 0.0 pour la séance manquée. A la fin du semestre, chaque groupe de travail rendra un document intitulé « Cahier de TP MATERIAUX INNOVANTS ». Ce cahier devra être la synthèse des résultats et des observations que vous aurez obtenues lors des différentes séances. Tout rapport rendu en retard sera sanctionné par des points en moins (5 points en moins par jour de retard). L’essentiel de votre travail devra y figurer. Ce document de synthèse comportera obligatoirement une introduction, un corps (compte rendu de manipulations, analyse des résultats obtenus...) et une conclusion. La date limite de remise du document de synthèse sera fixée ultérieurement.

1.

PRENEZ SOIN DU MATERIEL ET DES LOCAUX

2.

TRAVAILLEZ AVEC RIGUEUR ET APPLICATION APPLICATION �


TP N°1 : CONFECTION ET CARACTERISATION DES BETONS AUTOPLAÇANTS OBJECTIF Confectionner et caractériser les bétons autoplaçants à l’état frais en utilisant la norme 206-9. .

MATERIEL - - -

balance avec une précision de 0,1 g malaxeur à béton chronomètre cône d’Abrams Anneau japonais Boite en L Tamis 5 mm V-Funnel matériel de manutention et de nettoyage

MATERIAUX UTILISES -

ciment CEM II 42,5 sable 0/4 gravier 4/8 gravier 8/16 additions minérales superplastifiant

MODES OPERATOIRES 1. Confection : La composition pour 1 m3 est : - ciment : 350 kg - fillers calcaires : 110 kg - sable : 810 kg - gravier 4/8 : 270 kg - gravier 8/16 : 540 kg - eau : 210 litre - Adjuvant : TEKSUPERFLOW : 1,7% (7,82 kg)

Mode de malaxage : 1- Introduire les graviers dans le malaxeur, 2- introduire les poudres (ciment + additions) dans le malaxeur, 3- introduire le sable dans le malaxeur, 4- malaxage à sec pendant 1 minute, �


5- introduire 1/3 de la quantité d’eau et malaxage pendant 30 secondes, 6- introduire le superplastifiant avec la quantité d’eau restante (2/3) et procéder à un malaxage de 3 minutes. (le superplastifiant doit être mélangé avec l’eau).

2. L’essai d’étalement au cône d’Abrams : Cet essai nécessite un cône d’Abrams et une plaque métallique plane de 90 cm de côté, graduée à un diamètre de 50 cm.

Classe d’étalement (NF – EN 206-9) Classe d’étalement

Etalement au cône d’Abrams (mm)

SF1

SF2

SF3

550 à 650

660 à 750

760 à 850

L’essai d’étalement au cône d’Abrams permet aussi de détecter visuellement les premiers signes de ségrégation du béton qui se matérialisent par la présence d’une auréole de laitance en périphérie de la galette et l’amoncellement de gros granulats au centre d’une galette de mortier. Il serait donc judicieux d’illustrer le résultat de cet essai au moyen de photographies.

Figure: Cas de ségrégation d’un BAP

3. L’essai de l’anneau japonais (J-Ring) : Le test J-Ring permet d’évaluer la différence entre le comportement du béton avec et sans obstacles. Ce dispositif est utilisé conjointement avec l’essai d’étalement au cône d’Abrams. L’anneau et le cône d’Abrams sont centrés sur la plaque, avant de soulever le cône et observer l’écoulement du béton à travers les armatures. �


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L’essai d’étalement au cône d’Abrams doit être effectué deux fois, la première fois sans JRing et la seconde fois en utilisant l’anneau japonais. La différence entre les diamètres moyens des deux essais met en évidence la perte de remplissage due à la présence d’armatures. Cette différence ne doit pas être supérieure à 50 mm. Il est également possible de mesurer la différence entre les hauteurs de matériau obtenues à l’intérieur et à l’extérieur du J-Ring. Un béton recommandé devrait présenter une différence de l’ordre de 10 – 15 mm.

4.

Essai de l’écoulement à la boite en L:

Ce banc d’essai permet de tester l’écoulement du béton en milieu confiné (capacité de passage). Il permet aussi de mesurer le taux de remplissage et le temps d’écoulement du béton. Pour procéder à la réalisation de l’essai de l’écoulement à la boite en L, on remplit la partie verticale du dispositif de béton (volume nécessaire de l’ordre de 13 litres (2 seaux)). Après arasement, le matériau est laissé au repos pendant 1 min. La trappe est ensuite soulevée afin de laisser s’écouler le béton à travers le ferraillage. A la fin de l’essai, les hauteurs de béton, de la partie verticale et de l’extrêmité de la partie horizontale, sont mesurées (respectivement H1 et H2). Le rapport H2 /H1 permet de caractériser la dénivellation et doit être supérieur à 0,8. Un mauvais écoulement du béton à travers le ferraillage et un amoncellement de granulats au niveau de la grille sont signes d’un problème de blocage ou de ségrégation.

Figure : Schéma de la boite en L

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5. Essai de l’écoulement à l’entonnoir (V-Funnel) : Cet essai consiste à observer l’écoulement d’un volume de 12 litres de béton à travers l’entonnoir et à mesurer le temps d’écoulement entre le moment où la trappe est libre et le moment où l’on aperçoit le jour par l’orifice. Le BAP doit s’écouler avec une vitesse constante ; un simple changement de vitesse de l’écoulement est un signe de blocage, donc de ségrégation dans le béton. Un temps d’écoulement trop long et un flux discontinu lors d’un essai au « V-Funnel » peuvent indiquer une séparation des granulats de la matrice et la formation de voûtes bloquant l’écoulement.

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Figure 3.10 : Schéma du V-Funnel. Tableau : Classe d’écoulement dans le V-Funnel (NF EN 206-9)

Classes

V-Funnel (s)

VF1

≤ 8

VF2

9 à 25

6. Essai de la stabilité au tamis: La résistance à la ségrégation statique d’un BAP doit impérativement être caractérisée. Cet essai consiste à évaluer le pourcentage en masse de laitance d’un échantillon de béton, et donc qualifier le BAP vis-à-vis du risque de ségrégation. Le test consiste à remplir le sceau de 10 litres et à laisser le béton couvert et au repos pendant 15 minutes. Un échantillon de ce béton (4,8 kg ± 0,2 kg) est versé à travers le tamis de 5 mm posé sur le fond, et laissé deux minutes, avant de peser la masse de la laitance traversant le tamis.

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Figure : Schéma de l’essai de stabilité (GTM).

Le pourcentage P de laitance traversant le tamis par rapport à la masse de l’échantillon est donné par la relation suivante :

P=

Masse de lai tan ce Masse de l' échantillon

⋅ 100

Tableau : Critères de stabilité (GTM).

Conditions

Critères de stabilité

Remarques

0 ≤ P ≤ 15 %

Stabilité satisfaisante

Béton homogène et stable

15 ≤ P ≤ 30 %

Stabilité critique

Vérifier les autres critères d’ouvrabilité

P ≥ 30 %

Stabilité très mauvaise

Ségrégation systématique, béton inutilisable

TRAVAIL DEMANDE 1/ Procéder à la confection du BAP. 2/ Déterminer la masse volumique théorique du béton, 3/ Déterminer la masse volumique du béton à l’état frais. 4/ Déterminer l’étalement avec et sans anneau japonais, le rapport H2/H1 de la boite en L, le pourcentage P et le temps d’écoulement au V- Funnel 5/ Commenter les résultats obtenus. 6/ Quelles sont les solutions appropriées dans les cas suivants : L’étalement < 550 mm. • H2/H1 < 0,5 • Temps d’écoulement au V- Funnel < 30 s • Stabilité au tamis : P = 45%. •

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TP N°2 : ETUDE DE LA CAPILLARIT P R ABSORPTION D’EAU OBJECTIF Evaluer l’ascension capillaire d’eau dans un matériau poreux afin e comprendre les phénomènes qui peuvent provoquer l’invasion des murs, planc ers, dalles de bâtiment par l’eau présente dans les sols.

MATERIEL - - -

balance avec une préci ion de 0,1 g récipient chronomètre matériel de manutentio et de nettoyage

MATERIAUX UTILISE - briques - éprouvettes en béton - éprouvettes en plâtre

MODE OPERATOIRE Le principe de l’essai con iste à placer un échantillon de dimension connue au contact d’une nappe d’eau libre dont le niveau est maintenu constant et d’effectuer pour des éc éances de temps données un suivi pondéral de l’échantillon. La masse initiale de l’éprouvette M0 dans l’air doit être mesur e avant toute introduction de l’échantillon dans l’eau.

Figur Schéma du dispositif opératoire Des précautions doivent êt e prises pour la pesée des échantillons. Afin de laisser le plateau de la balance s c et d’éviter les erreurs de pesée, à ch que échéance �

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de mesure, les éprouvettes sont sorties du bac, essuyées à l’aide d’une éponge humide, pesées puis replacées dans le récipient. Le niveau d’eau du bac devra être contrôlé et ajusté si nécessaire pour que l’éprouvette soit constamment immergée d’environ 3-5 mm dans l’eau. La manipulation sera réalisée à chaque fois pour 2 éprouvettes.

EXPRESSION DES RESULTATS Pour chaque éprouvette, tracer, sur le même graphique, les courbes d’absorption d’eau représentant la masse d’eau absorbée ramenée à l’unité de surface de matériau par rapport à la racine carrée du temps exprimé en heures. Soit M (kg/m2) = f (√temps (heure)) Le coefficient d’absorption capillaire est défini par la relation suivante :

C a =

où

M x − M 0 A

 kg/m 2 

Mx est la masse de l’éprouvette à une échéance donnée (kg) M0 est la masse initiale de l’éprouvette (kg) A est la section de l’éprouvette (m2)

TRAVAIL DEMANDE 1/ Relevez la masse des éprouvettes aux échéances de temps suivantes : t = 30”, 1’, 3’, 5’,10’,15’,20’,30’,40’,50’,60’,70’, 80’,90’ 2/ Tracer les courbes d’absorption d’eau : Meau [kg/m2] = f(√temps) 3/ Tracer les courbes des coefficients d’absorption capillaire = f(√temps) 4/ Commenter les résultats

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TP N°3 : ETUDE DE LA MANIABILITE DES MORTIERS EN FONCTION DU TAUX DES ADDITIONS MINERALES OBJECTIF Mesurer et comparer la maniabilité des mortiers à différents taux d’additions minérales (fillers calcaires).

MATERIEL - -

balance avec une précision de 0,1 g malaxeur à mortier chronomètre matériel de manutention et de nettoyage Cône d’affaissement pour mortier Moule 4x4x16 .


ciment CEM II 42,5 sable 0/4 additions minérales

MORTIERS ETUDIES Mortier: - ciment : 450 g - sable : 1350 g - eau nécessaire pour obtenir E/C = 0,50 - fillers calcaires nécessaires pour obtenir F/C+F = 10%, 20%.

MODE OPERATOIRE POUR LE MALAXAGE Opérations

Introduction de l’eau

Introduction du ciment

Durée Arrêt

Introduction du sable 30s 30 s Vitesse lente

30s Vitesse rapide

Raclage de la cuve 15s 1min15s Arrêt

60 s Vitesse rapide

L’affaissement ou l’étalement du mortier est mesurer par un mini-c6ne dont les dimensions sont déduites de celles du c6ne d'Abrams par un rapport homothéïque de deux.

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Les moules 4x4x16 sont remplis avec les mortiers préparés. Le serrage du mortier dans ce moule est obtenu en introduisant le mortier en deux couches et en appliquant au moule 60 chocs à chaque fois. Après quoi, le moule est arasé, recouvert d’une plaque de verre. Entre 20 et 24 h après le début du malaxage, les éprouvettes sont démoulées et entreposées dans l’eau à 20°C jusqu’au moment de l’ essai e rupture. Au jour prévu, les éprouvettes sont rompues en flexion et en compression. RESISTANCE A LA TRACTION 4 × 4 × 16 BUT : Définir les qualités de résistance à la traction d’un ciment. 1. Placer le prisme dans le dispositif de flexion avec une face latérale de moulage sur les rouleaux d'appui et son axe longitudinal perpendiculaire à ceux-ci. 2. Appliquer une charge verticalement par le rouleau de chargement sur la face latérale opposée du prisme jusqu’a rupture. 3. Conserver les demi-prismes jusqu'au moment des essais en compression. 4. Renouveler l’essai sur les 2 autres éprouvettes La résistance en flexion Rf (en N/mm2) est calculée à l’aide de la formule suivante :

 � �  Où : Rf: est la résistance en flexion, en newtons par millimètre carré ou en MPa. b : est le côté de la section carrée du prisme en millimètres. Ff : est la charge appliquée au milieu du prisme à la rupture en newtons. l : est la distance entre les appuis en millimètres.

Schéma de l’essai de traction de l’éprouvette 4x4x16

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RESISTANCE A LA COMPRESSION 4 × 4 × 16 BUT : Définir les qualités de résistance à la compression d’un ciment. 1. centrer chaque demi-prisme latéralement par rapport aux plateaux de la machine à ±0.5 mm près et longitudinalement de façon que le bout du prisme soit en porte-à-faux par rapport aux plateaux d'environ 10 mm (figure 3.20). 2. Augmenter la charge avec une vitesse constante durant toute l'application de la charge jusqu'à la rupture.

3. Relever la force de rupture : Fc (pour chaque demi-éprouvette) La résistance en compression Rc(en N/mm2) est calculée à partir de la formule suivante

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 : Résistance à la compression en (MPa). Fc: Charge de rupture en (N). b2 : Côte de l'éprouvette est égale à 40mm.

Schéma de l’essai de compression de l’éprouvette 4x4x16

TRAVAIL DEMANDE 1/ Gâcher les différents mortiers et mesurer leur maniabilité 2/ Donner le tableau des mesures et tracer la courbe de l’affaissement en fonction du rapport du taux d’additions. 3/ déterminer les résistances à la traction et à la compression du mortier 4/ Commenter les résultats � � ��


T N°4 : MAÇONNERIE Objectif: A l'issue de cette séance de TP, l'étudiants doit être capable de réalisé des mu es en maçonnerie et déterminer les résistances à la compression et au cisaillement de la maçonneri Principe : Nous allons étudier les essais qui permettent de mesurer les caractéristiq es de résistance en compression et au cisaillement de la maçonnerie et leurs modes de rupture. On demande : � De réalisé des murs en maçonnerie � De déterminer la résistance à la compression du triplet en maçonnerie à l’ ide de la presse � De déterminer la résistance à la cisaillement du mur à l’aide de la presse. � De déduire les modes de r ptures. � Interprétation des résultats

CONFECTION DES M RETS : 1) Matériel utilisé :

Seau

Gabarits

Bac

Dispositif en bois de 1 cm

Main écope Gants

Fil à plomb

Lunette

Maillet

Masque

Mètre

Niveau à bulle

Truelles

Auge

Taloche Figure1:

utils utilisés pour la construction des murets.

2) Méthodologie de la confe tion des murets :

Pour la réalisation des murets, es opérations suivies sont Découper Les briques u laboratoire à l’aide de la scie à béton. • Humidifier préalablement l’auge et aussi les briques dans tous les côtés pour éviter • l’absorption de l’eau du mortier pendant la réalisation de la maçonnerie. Poser le Dispositif de ois pour délimiter à l’aide du niveau à bulle l s lignes horizontale • et verticale de montag des briques, qui seront nos points de repèr pour la confection des murets. ��

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Placer le fil avant la disposition des briques ou blocs en maçonnerie. Mélanger le sable 0/2 et le ciment à sec ensuite on ajoute la quantité d’eau pesée. Poser les premières briques et Appliquez une couche de mortier entre les deux boutisses à l’aide de la truelle de façon qu'elle remplisse largement l'espace, on utilise des gabarits pour obtenir des joints verticaux de largeur égale entre les briques, jusqu’à ce que ce dernier ne fasse plus qu’1 cm d’épaisseur. étaler ensuite un lit de mortier sur la zone de pose, à l’aide d’un gabarit de 1cm d’épaisseur en fixant ainsi les dimensions du joint. Posez les briques suivantes selon la même technique. Utilisez le niveau à bulles pour contrôler cette horizontalité. tapoter le dessus de la brique avec le maillet pour enfoncer plus ou moins chaque élément dans le mortier et l’ajuster à la hauteur du fil pour avoir la bonne épaisseur du joint. A chaque rangée, enlevez le surplus du mortier à l’aide de la truelle et vérifiez immédiatement avec le niveau à bulle l’ajustement des briques. Vérifier la planéité du mur à l’aide du fil à plomb et du niveau à bulle. Après 24 heures, effectuer un surfaçage avec un mortier en ciment (1volume de ciment : 2 volume de sable 0/2). près de 7 jours, les murets sont ensuite transportés et stockés pour toute la durée de la cure. L’écrasement est effectué après 28 jours de cure aux conditions du laboratoire.

Figure 2: la confection d’un triplet en parpaing

Figure 3 : confection du muret en briques de terre cuite creuse

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Surfaçage horizontal Surfaçage verticale

Figure 4: surfaçage du muret pour l'essai de cisaillement.

TRAVAIL DEMANDE 1) Méthodologie • Tamiser le sable au tamis 2 mm, et considéré la fraction 0/2.

Déterminer la masse volumique apparente du sable et du ciment Déterminer la masse nécessaire du ciment et du sable pour un mortier 1/6. • Considéré 1 kg de ciment et déduire celles du sable et de l'eau de gâchage. • 2) Confection des murs testes 1 muret de 3 briques superposé (triplet) en blocs de béton creux (parpaing) de 40 x 60 cm² • (figure 5a), 1 muret en briques de terre cuite creuses de 60 x 60 cm² (voir figure 5b) • dans les deux cas utilisé un mortier en ciment 1/6 (1 volume de ciment et 6 volume de sable • 0/2), la quantité d'eau de gâchage est E/C =1.18, • L'épaisseur du mortier de jointement est de 1 cm pour le joint vertical et horizontal. • 3) Essais d'écrasement à la compression et au cisaillement des murets. Après 28 jours de cure, réaliser les écrasements jusqu'a la rupture du triplet en compression et le muret au cisaillement selon le dispositif de la figure 6 et 7. Décrire les modes de rupture observés et déterminé la contraintes de compression  et de cisaillement . •

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0 6

40

(a)

(b)

Figure 5 : Géométrie du murets (a) : en brique de terre cuite creuse 60 x 60 x 09 cm 3 (b) : triplet en parpaing 40 x 60 x 9 cm 3

DISPOSITIF D’ESSAI 1) Essai de cisaillement :

Portique

Vérin

Pompe hydraulique

160 KN

Figure 6: Banc didactique pour l’essai de cisaillement

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Acquisition des données

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1) Essai de compression :

Figure7: Banc didactique pour l’essai de compression.

LES EXPRESSIONS DE CALCUL : 1) Compression :

La résistance à la compression expérimentale du muret ou triplet est :

ϭ �  Où : P : charge de rupture en N S : section effective moyenne du muret en mm² ϭc

: résistance à la compression du muret en MPa

2) Cisaillement (La norme ASTM E 519-02):

Le calculer la contrainte de cisaillement pour les mures sur la base de la superficie nette est:

  � � 

Où: τ = contrainte de cisaillement sur la surface nette en MPa P = charge appliquée en N. An = superficie nette de l'échantillon en mm 2 calculé comme suit :

 �  �  �

Où: w = largeur du mure en mm. h = hauteur du mure en mm. t = épaisseur totale du mure en mm. n = pour cent de la superficie brute de l'unité est solide, exprimée sous forme décimale ��

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(n= 0.7 dans le cas de la brique en terres cuites creuses)

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TP N°5 : ESSAI D’ECOULEMENT AU CÔNE DE MARSH (Détermination du dosage de saturation de l’adjuvant) OBJECTIF : Déterminer le dosage de saturation d’un superplastifiant en utilisant le cône de Marsh.

MATERIEL UTILISE : Cône de Marsh • Balance, • Becher 250 ml, • Spatule, • Chronomètre •

MODE OPERATOIRE : - Peser 1,8 Kg de ciment. - Peser la quantité appropriée d’eau dans le contenant où sera effectué le malaxage (E/C = 0,4). - Peser la quantité de superplastifiant et l’ajouter à la quantité d’eau précédente. - Démarrer le système de malaxage en introduisant progressivement la quantité de ciment en moins de 1 minute et 90 secondes. - Arrêter le malaxage pendant 15 secondes de façon à nettoyer avec une spatule le ciment qui reste collé sur les bords du contenant. - Malaxer pendant 60 secondes. - Mesurer la température, - Mesurer ensuite le temps qu’il faut pour remplir de coulis un vase gradué de 1 litre, - Nettoyer le cône de Marsh avec de l’eau et les sécher pour pouvoir procéder à l’essai suivant. Les dosages de l’adjuvant sont : 0% ; 1% ; 1,5% ; 2%

TRAVAIL DEMANDE : - Déterminer le temps d’écoulement pour chaque dosage en superplastifiant. - Déterminer le dosage de saturation. - Commenter les résultats.

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TP N°6 : BETONS HAUTE PERFORMANCE OBJECTIF : Confectionner et caractériser les bétons de haute performance à l’état frais et à l’état durci.

MATERIEL UTILISE - malaxeur à béton - main écope - chronomètre - balance - cône d’abrams


ciment CEM II 42,5 sable 0/4 gravier 4/8 gravier 8/16 gravier 16/25 fumée de silice superplastifiant

MODE OPERATOIRE 1. Confection : La composition pour 1 m3 est : - ciment CEM II/A 42.5.: 420 kg - fumée de silice : 30 kg - sable : 750 kg - gravier 4/8 : 150 kg - gravier 8/16 : 600 kg - graver 16/25 : 300 kg - eau : 150 litres - Adjuvant : TEKSUPERFLOW : 1,7% (7,82 kg)

Mode de malaxage : 1- Introduire les graviers dans le malaxeur, 2- introduire les poudres (ciment + additions) dans le malaxeur, 3- introduire le sable dans le malaxeur, 4- malaxage à sec pendant 1 minute, 5- introduire 1/3 de la quantité d’eau et malaxage pendant 30 secondes,

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6- introduire le superplastifiant avec la quantité d’eau restante (2/3) et procéder à un malaxage de 3 minutes. (le superplastifiant doit être mélangé avec l’eau).

TRAVAIL DEMANDE 1/ Procéder à la confection du BHP. 2/ Déterminer la masse volumique théorique du béton, 3/ Déterminer la masse volumique du béton à l’état frais. 4/ Mesurer l’affaissement du béton 5/ Déterminer la résistance du béton à 7 jours

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