Les constituants du béton : Les granulats

20 Mars 2019
 

Généralités

On désigne en général par granulats l’ensemble des matériaux inertes - naturels ou artificiels - qui sont solidarisés par le ciment. Les granulats occupent environ les trois quarts du volume du béton et forment le sque lette inerte du béton. Les propriétés du béton frais et celles du béton durci, comme la résistance à la compression et la durabilité, dépendent fortement des propriétés des granulats utilisés.

Comme l’illustre le tableau 1.3.1, on fait la distinction entre trois sortes de granulats : le sable (rond ou concassé), le gravillon, parfois dénommé gravier dans le cas d’origine alluvionnaire (ces gravillons sont en général arrondis) et la grave (désignée également par le terme "mélange de gravillons et sables").

Tab 1.3.1 Définition avec exemples des termes "sable", "gravillon" et "grave
Tab 1.3.1 Définition avec exemples des termes "sable", "gravillon" et "grave


Le terme filler est également couramment utilisé. Il désigne un granulat dont la plupart des grains passent au tamis de 0,063 mm et qui peut être ajouté aux matériaux de construction pour leur conférer certaines propriétés.
 

Caractéristiques

Les exigences concernant les caractéristiques des granulats pour béton sont spécifiées dans la NBN EN 12620 "Granulats pour béton" et le PTV 411 "Codification des granulats".

Les caractéristiques principales des granulats pour béton sont les suivantes :

  • caractéristiques géométriques (granularité, teneur en fines, forme, propreté des sables, teneur en coquillages)
  • caractéristiques physiques (Los Angeles, micro-Deval, masse volumique et absorption d’eau, résistance au polissage)
  • caractéristiques chimiques (pétrographie, classification des recyclés, soufre, sulfates solubles, chlorures, constituants influençant le durcissement du béton)
  • caractéristiques de durabilité (résistance au gel-dégel, réactivité alcali-silice, stabilité volumique).
     
Dimensions des tamis pour la spécification des classes granulaires
Tab 1.3.2 Dimensions des tamis pour la spécification des classes granulaires

Caractéristiques géométriques

Granularité ou courbe granulométrique

La granularité influence de manière déterminante la porosité du squelette granulaire, et par conséquent la densité du béton et sa résistance. Elle a également une influence considérable sur la demande en eau et sur l’ouvrabilité du béton.

 

La granularité représente la distribution dimensionnelle des grains, exprimée en pourcentage de masse passant au travers d’un ensemble spécifié de tamis. En tamisant le granulat au moyen d’une série de tamis normalisés, on obtient pour chaque tamis un refus qui permet de désigner les granulats en termes de dimension inférieure (d) et supérieure (D), exprimé en d/D. Comme les classes granulaires d’un granulat présentent généralement plus ou moins toutes la même masse volumique, il est suffisant de spécifier la granularité en pourcentage de masse (fig 1.3.1, page suivante, exemples de courbes granulométriques). Les tamis qui délimitent les classes granulaires (série de base et séries complémentaires) sont indiqués au tableau 1.3.2. En Belgique, on utilise couramment "série de base + série 2".

 

D’une manière générale les granulats sont livrés et utilisés en classes granulaires bien définies (tab 1.3.3).

 

Lorsqu’une classe granulaire fait partiellement ou totalement défaut dans une formule béton, on parle de granularité "discontinue". A l’endroit de la classe manquante, la granularité (courbe granulométrique) est caractérisée par un palier horizontal ou légèrement incliné (fig 1.3.2). En général, on cherche à avoir une courbe continue, ce qui est favorable à une bonne ouvrabilité des bétons.

 

Classes granulaires usuelles
Tab 1.3.3 Classes granulaires usuelles

 

Influence du sable et de la teneur en fines

La fraction 0-4 mm a une influence primordiale sur la qualité d’ensemble du mélange de granulats. C’est sa porosité et la forme de sa granularité qui va jouer un grand rôle sur la demande en eau. Un bon mélange de sable à béton doit avoir environ un tiers de ses grains compris entre 0,250 et 0,500 mm. Pour cette raison, il peut être nécessaire de recomposer la fraction 0-4 mm à partir de sable rond lavé (de mer et/ou de rivière), de sable concassé lavé et/ou de sable concassé sec (pour les bétons maigres).
Les fines (≤ 0,250 mm) jouent aussi un rôle déterminant. L’expérience a montré que la teneur totale en fines (ci ment, additions et part des granulats de dimensions ≤ 0,250 mm) doit s’approcher des valeurs reprises au tableau 1.3.4. 
 

Cette quantité de fines permet notamment :

  • un pompage facile du béton
  • une bonne qualité de parement
  • une stabilité (absence de ressuage et de ségrégation) du béton.

 

Il faut cependant veiller à ce que les fines soient propres.

Teneur en fines (≤ 0,250mm) recommandée en fonction de la dimension maximale des granulats pour le béton pompé et le béton apparent
Teneur en fines (≤ 0,250mm) recommandée en fonction de la dimension maximale des granulats pour le béton pompé et le béton apparent

 

exemple de courbes granulometriques de sable et gravillons
Fig 1.3.1 Exemple de courbes granulométriques de sable et gravillon

 

 

courbe granulometrique dun melange granulaire
Fig 1.3.2 Courbe granulométrique d’un mélange granulaire formulé avec (courbe continue) et sans (courbe discontinue) fraction intermédiaire 4/8

 

 

Forme
La porosité et la forme des grains, mais aussi leur état de surface et leur distribution dimensionnelle influencent considérablement le besoin en eau, l’ouvrabilité et la stabilité (ressuage) du béton (tab 1.3.5).
 

L’expérience a montré qu’un mélange pour béton comprenant exclusivement des classes granulaires de gravillons concassés peut très bien être utilisé. Les granulats concassés améliorent la résistance mécanique du béton (traction, compression, abrasion) mais influencent défavorablement l’ouvrabilité. La limitation des gravières exploitables entraîne un épuisement progressif des gisements de sables et de graviers roulés, raison pour laquelle le recours aux granulats concassés et recyclés sera de plus en plus fréquent à l’avenir. Ceci ne pose aucun problème, pour autant que le volume de pâte de ciment soit adapté en conséquence.

Propreté
Une propreté insuffisante des granulats est préjudiciable à la qualité du béton. Il en résulte, par exemple, une altération de la prise et du durcissement ainsi qu’une diminution de la résistance au gel. Raison pour laquelle beaucoup de granulats doivent être lavés (fig 1.3.3), afin d’être exempts de matières organiques, dangereuses pour l’hydratation des ciments, et de particules argileuses, dont la nocivité sera appréciée par des essais tels que équivalent de sable et bleu de méthylène.

 

Fig 1.3.3 Lavage industriel des gravillons
Fig 1.3.3 Lavage industriel des gravillons

 

relation entre la forme des grains et leurs proprietes
Tab 1.3.5 Relation entre la forme des grains et leurs propriétés

 

 

Caractéristiques physiques

Masse volumique et absorption d’eau

L’origine minéralogique et la porosité des granulats déterminent leur masse volumique (tab 1.3.6). 

La masse volumique en vrac (mesurée selon la NBN EN 1097-3) correspond à la masse de matériau en vrac par unité de volume. Elle est utilisée pour l’estimation d’un stock. La masse volumique réelle (mesurée selon la NBN EN 1097-6) correspond à la masse de matériau séché à l’étuve par rapport au volume qu’il occupe dans l’eau, y compris le volume des pores fermés ou accessibles à l’eau. Elle est utilisée comme donnée d’entrée pour la formulation des bétons. 

Le taux d’humidité des granulats comprend l’eau à la surface des grains et celle absorbée par ceux-ci. L’humidité des sables est généralement comprise entre 4 et 10% de la masse, tandis que celle des granulats plus grossiers n’excède pas 5%. Le taux d’humidité des granulats doit être pris en compte pour le calcul des volumes de granulats et pour celui de l’eau de gâchage.

L’eau absorbée par les granulats n’est pas disponible pour l’hydratation et la fluidité du béton. L’eau absorbée par les gravillons peut être néfaste pour la résistance au gel.

Los Angeles 

Le coefficient Los Angeles détermine la résistance à la fragmentation d’un gravillon. Un faible coefficient LA signifie une bonne résistance à la fragmentation.

Autres caractéristiques éventuelles
Pour certaines applications (ex : béton pour revêtement routier), il est parfois nécessaire de spécifier certaines caractéristiques supplémentaires  : résistance à l’usure (via l’essai micro-Deval MDE), résistance au polissage (via l’essai PSV anciennement CPA).
 

Classification des granulats en fonction de leur masse volumique
Tab 1.3.6 Classification des granulats en fonction de leur masse volumique


Caractéristiques chimiques 

Chlorures
La teneur en ions chlorures solubles dans l’eau doit être connue afin de faire le bilan en chlorures du béton.
La quantité de chlorures contenue dans le béton doit être maîtrisée afin de limiter les risques de corrosion des armatures (voir chapitre 4.3). Certains chlorures sont de surcroît accélérateurs de prise et de durcissement du béton. Ils se retrouvent essentiellement dans les granulats marins peu ou pas lavés.

Soufre et sulfates solubles
Les teneurs en soufre total et en sulfates sont des caractéristiques qui régionalement sont indispensables pour évaluer l’impact d’une source de granulat sur la durabilité des bétons vis-à-vis d’éventuelles réactions ettringétiques secondaires (voir chapitre 4.6).
A noter que dans le cas des granulats recyclés, la méthode d’essais est modifiée pour ne recueillir que les sulfates solubles dans l’eau. En effet, les sulfates liés présents dans la fraction mortier en seraient libérés par l’attaque acide de la méthode d’essais granulat naturel avec comme conséquence une valeur largement surévaluée de la teneur en sulfates actifs.

La présence de sulfures de fer (pyrite, marcassite, …) est une information à prendre en compte dans le cas de béton dont l’aspect esthétique est une caractéristique importante (risque de taches de rouille). 

Caractéristiques de durabilité

Gélivité
Lorsque le béton doit résister au gel, il convient de s’assurer de la résistance au gel-dégel des gravillons. Un gravillon ayant une absorption d’eau ≤ 1% et/ou un LA ≤ 25 sera considéré comme non gélif (sans essais complémentaires nécessaires). Certains granulats peuvent avoir un coefficient d’absorption d’eau > 2% et offrir une résistance au gel - dégel adéquate.
L’essai de gélivité des granulats consiste à faire subir des cycles de gel-dégel aux granulats saturés en eau et à mesurer la perte de masse par tamisage.

Sensibilité à la réaction alcali-silice
La réaction alcali-silice est traitée au chapitre 4.9.
 

Réglementation

Depuis le 1er juin 2004 les granulats mis sur le marché sont soumis à l’obligation réglementaire du marquage CE.
Le producteur doit déclarer la performance de ses granulats vis-à-vis de la norme NBN EN 12620. Un certificat d’Evaluation et Vérification de la Constance des Performance atteste de cette déclaration. Un certificat de niveau 4 correspond à la déclaration par le fabricant. Un certificat de niveau 2+ implique en plus qu’un organisme notifié de certification surveille, évalue et apprécie le contrôle de production en usine.
 

Certification

La marque BENOR est une démarche volontaire, elle certifie la codification des granulats selon le PTV 411 ainsi que leurs éventuelles caractéristiques complémentaires. Elle garantit que les caractéristiques des produits ont été vérifiées et validées par des auditeurs et laboratoires indépendants et qu’elles sont effectivement contrôlées et respectées de façon continue par le producteur.