Les btons compacts au rouleau Principes, applications et nouveaux dveloppements Richard Gagn ing. Ph.D.CRIB Universit de Sherbrooke Dpartement de gnie civil

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Contenu Introduction Historique Exemples dapplications Principes de base de la technologie des BCR Proprits fondamentales des BCR Principes de formulation des BCR Quelques considrations conomiques Les dfis relever Conclusions

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Introduction Quest-ce quun BCR ? Quest Le BCR est un bton raide daffaissement nul Les BCR sont gnralement fabriqus avec les mmes matriaux que ceux utiliss pour le bton conventionnelGros granulats et granulats fins (attention la granulomtrie) Liant : ciment Portland, CV, FS, laitiers, etc. Adjuvants : rducteur deau, retardateur, entraneur dair

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IntroductionAspect typique dun BCR pour barrage Aspect typique dun BCR pour pavage

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Introduction La consistance trs sche du BCR

requiert toujours lapplication dun effort de compactage

Rapprocher les particules du granulat pour permettre la pte de ciment de combler les vides granulaires

Un BCR bien formul et bien compact est

en mesure de dvelopper des proprits mcaniques semblables celles dun bton conventionnel fabriqu avec le mme rapport E/L

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Introduction De par sa consistance particulire, le BCR est

gnralement mis en place et compact avec les mmes quipements gnralement utiliss pour la construction routire

Camions benne basculante Niveleuse (barrage), pandeuse (pavages) Rouleau compacteur (avec ou sans vibration)

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Introduction Le BCR sest dvelopp selon deux axes

diffrents:

BCR pour barrages et ouvrages massifs BCR pour pavages

La formulation, les mthodes de

construction et les mthodes de mise en places diffrent en fonction du type de BCR

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Historique 1935: Premires 1935:

utilisations du ciment pour la construction de routes (sol(sol-ciment) 1960: Premires 1960: utilisations du BCR

Btons trs maigres, compacts au rouleau Construction de barrages

La technologie des BCR

pour barrages est maintenant prouve

Des centaines de barrages en BCR ont dj t construits

Horseshoe Bend Dam Nouvelle Zlande

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Historique 1970: Premires 1970:

utilisations des BCR pour la construction de routes

Chemins forestiers en ColombieColombie-Britannique

La technologie des BCR

pour pavages est une volution de la technologie des BCR pour barrages

Btons sans affaissement Faible volume de pte

Rsistance la

compression gnralement comprise entre 40 MPa et 60 MPa

Technologie prouve9

Historique Principales applications des BCR pour pavages

Industrie forestire Secteur minier Municipal Ptes et papier Secteur agricole Aire de manutention, entreposage (solide / vrac) Quai de chargement Stationnement pour lindustrie lourde Compostage / recyclage Dpt de neige use Fondation de routes10

Surface (m 2 )80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0

Historique

ie r Bo In du is st rie Ag M l ric in ul e tu M re Tr ar an i ne M spo un rt ic ip Co al m po st ag e

Pa p

BCR pour pavage - Qubec

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Exemples dapplications - Barrages Avantages

Faible contenu en matires cimentaires (< 175 kg/m3)

Faible chaleur dhydratation Faible cot / m3 Usines en continu Convoyeurs

Rapidit de mise en place

Technologie peu complexe Grande stabilit volumique

Barrage du Lac Robertson Hydro-Qubec Hydro- 12

Exemples dapplications - Barrages Avantages Par rapport un ouvrage en terreVolume plus faible Meilleure rsistance lrosion Impermabilit Possibilit de prvoir une centrale adjacente louvrage

Par rapport un ouvrage en btonMoins de matires cimentaires Rapidit de mise en place Pas ou peu de coffrages

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Exemples dapplications - Barrages Inconvnients Qualit des parements Difficult dentraner de lair Cot de transport des matires cimentaires en rgions loignes

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Exemples dapplications - BarragesBarrage du Lac Robertson

25 MPa 91 jours 75 kg/m3 ciment

type 20 75 kg/m3 CV type F E/L = 0,72 Vebe: 15s Air entran 25 000 m3

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Exemples dapplications - Pavages Avantages

Faible contenu en matires cimentaires (< 300 kg/m3)

Faible cot / m3 Compression: > 40 MPa Flexion: > 6 MPa

Proprits mcaniques leves

Dveloppement rapide des proprits mcaniques Rapidit de mise en place

Usines en continu Utilisation de paveuses

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Exemples dapplications - Pavages Avantages

Durabilit leve

Rsistance labrasion Rsistance au gel Bien adapt aux lourdes charges Pas dornirage

Peu de main d uvre Moins de dgagement thermique que lasphalte

Confort des ouvriers

Technologie peu complexe Grande stabilit volumique Peu ou pas de joints17

Exemples dapplications - Pavages Inconvnients

Qualit esthtique de la surface

Texture rugueuse Surface moins ferme Surface ondule Dfauts de planit Pour trafic basse vitesse uniquement

Qualit de luni

Difficult de raliser des joints structuraux

Le transfert de charge est problmatique18

Exemples dapplications - PavagesPapetterie DOMTAR - Aire dentreposage du bois

87 000 m2 300 kg/m3

ciment 10SF E/L = 0,32 50 MPa 7 jours 2 couches de 150 mm

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Exemples dapplications - PavagesZone darrt dautobus Ville de Sherbrooke 300 kg/m3 ciment

type 10SF Vebe = 40 - 60 s E/L =0,32 45 MPa 7 jours Air entran

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Exemples dapplications - PavagesAire dentreposage des rcoltes (silo horizontal) Milieu agricole

Environ 40 MPa 7

jours 280 kg/m3 ciment type 10 avec CV E/L = 0,40 Pavage complt en 4 heures

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Principes de base de la technologie des BCR Un BCR optimal devrait comporter peu

prs la quantit de pte ncessaire pour remplir les vides du squelette granulaire et pour obtenir la maniabilit dsire

Pas assez de pte

Faibles proprits mcaniques, maniabilit trop mcaniques, faible, durabilit plus faible Meilleures proprits mcaniques, maniabilit trop leve, cot de production plus lev22

Trop de pte

Principes de base de la technologie des BCR

Bon remplissage du squelette granulairePte de ciment

Granulat Ciment Eau

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Principes de base de la technologie des BCR

Mauvais remplissage du squelette granulairePte de ciment

Granulat Ciment Eau

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Principes Squelette granulaire Les granulats occupent entre 80% et 85% du

volume dun BCR compact Il est trs important de bien choisir les granulats

Maniabilit du BCR frais Proprits mcaniques Cots de production

Le choix de la courbe granulomtrique est un

lment cl de la formulation dun BCR Choix du diamtre maximal du gros granulats

Barrages : 40 80 mm Pavages : gnralement 20 ou 25 mm

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Principes Choix du type de liant Dpend des critres de performance Dpend du type douvrage (barrage pavage) Pavages : grande rsistance court terme (7 j)

100% ciment portland Ciment avec fume de silice (82% portland + 8% FS) Ciments ternaires ou quaternaires 75% portland + 20% CV + 5%FS 75% portland + 20 laitier + 5% FS

Barrages: faible chaleur dhydratation

50% type 20 + 50% CV type F

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Principes Production et malaxage Deux types dunits de production Usine stationnaire (premix) Usine en continu (pugmill) Caractristiques importantes Fiabilit Taux de production nergie de malaxage Calibrage

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Principes Production et malaxage (suite) Usine portative (pugmill)

Excellente productivit (80 150 m3/h) Installation proximit du site de construction(dlais de transports rduits)

Malaxage nergique en continu Mlange homogne Dosage fiable des constituants Calibrage facile

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Principes Production et malaxage (suite)

29

Principes Production et malaxage (suite)

Usine stationnaire

Production moins importante (40 60 m3/h)

La cuve ne doit tre remplie qu 60%-70% de sa capacit 60%-

Dosage trs fiable Peu de problmes de calibrage Temps de malaxage plus long que le bton conventionnel

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Principes Transport Pavage Transport laide de camions benne basculante Dlai variable selon mlange et conditions ambiantes31

Principes Transport (suite) Barrage

Camions benne basculante Convoyeurs

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Principes Mise en place

Pavages Habituellement laide dune paveuseCouches de 125 175 mm Capacit de 50 m3 / heure

Paveuse classique (asphalte)

Compactage 70% 80% Compactage > 90%

Paveuse haute performance (Type ABG Titan)

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Principes Mise en place

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Principes - Compactage Toutes les proprits des BCR sont

troitement lies au degr de compactage Un BCR parfaitement compact devrait avoir une rsistance la compression comparable celle dun bton conventionnel de mme rapport E/L

En pratique, il est difficile datteindre un compactage parfait (BCR pour pavages)

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Principes - Compactage (suite) Rouleaux vibrateurs(en mode statique et en mode dynamique)

Rouleau pneus de caoutchouc(Meilleur fini de surface)10 tonnes cylindres dacier 1,5 tonnes cylindres dacier

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Principes - Compactage (suite) Un bon contrle du compactage au chantier est

essentiel

Un compactage dficient (< 97%) peut diminuer trs significativement les caractristiques dun BCR pour pavage Nuclodensimtre

Contrle de la compacit in situ

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Principes - Mrissement Pendant la mise en place, il est important de

maintenir lhumidit superficielle des surfaces exposes

Retardateur dvaporation Vaporisation deau en bruine

Ville de Montral

Ville de Montral

38

Principes - Mrissement (suite)

Application dun

produit de cure pigment blanc immdiatement aprs le compactage final du BCR

Ville de Montral

Ville de Montral

39

Principes - Joints Joints scis pour le contrle du retrait

Raliss le lendemain matin de chaque journe de btonnage Sciage sur 1/4 de lpaisseur Espacement de 10 20 m

Ville de Montral

Ville de Montral 40

Proprits fondamentales - Maniabilit La maniabilit (temps de consolidation

Vebe) est une proprit trs importante du BCR

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Proprits fondamentales Maniabilit (suite)

La qualit du BCR en place est troitement

lie la maniabilit du BCR frais Les techniques de mise en place exigent que le temps Vebe soit compris lintrieur de certaines plages optimalesBarrages: 10 20 secondes (approche bton ) Pavages: 30 90 secondes

La maniabilit est principalement fonction

du dosage en pte

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Proprits fondamentales Maniabilit (suite) Consistance trop humide

Remonte deau en surface Dformation excessive sous le poids des quipements de mise en place (uni de mauvaise qualit) Risque de sgrgation Diminution de ladhrence entre les couches Surface mal ferme

Consistance trop sche

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Proprits fondamentales Maniabilit (suite) Pour le contrle de la maniabilit (BCR

pour pavages)

Rducteur deau (1 2 L/m3) Retardateur de prise Agent entraneur dair

Les superplastifiants sont peu utiliss Engendrent une rduction trop importante du seuil de cisaillement de la pte

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Proprits fondamentales Maniabilit (suite)

Lentranement dair est complexe

Consistance trs sche Faible dosage en pte

Plus facile dans les BCR faible rsistance

(< 35 MPa)

Dosage de 5 10 fois le dosage normal

Lentranement dair augmente la maniabilit des

BCR (diminution du temps Vebe)

Attention aux grandes variations du volume dair en chantier

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Proprits fondamentales Maniabilit (suite)

100 80 Temps Vebe (sec) 60 40 20 0 0 2 4 6 Volume d'air (%)46

8

10

12

Proprits fondamentales Maniabilit (suite)

Certains tensioactifs permettent

daugmenter la maniabilit des BCRRduction de la tension de surface de la pte

La diminution de la tension de surface

permet de diminuer les forces dinteraction entre les particules du squelette granulaire

Facilite le compactage in situ

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Proprits fondamentales Maniabilit (suite)

Ajout de 0,1% de

tensioactif dans un BCR pour pavage

Vebe 60 35 sec Rsistance 58 65 MPa Meilleure compacit

48

Proprits fondamentales Prop. mcaniques

Pavages Les proprits mcaniques doivent tre suffisantes pour rsister aux charges structurales, labrasion et au gel-dgel gelPrise en compte de la charge de service Prise en compte de lpaisseur Prise en compte des conditions climatiques

Rsistance la compression : 40 MPa 70 MPa Rsistance la flexion : 6 MPa 8 MPa 7 jours

Attention au contrle de la compacit au chantier !49

Proprits fondamentales Prop. mcaniques Rsistance la compression (pavage)

50

Proprits fondamentales Prop. mcaniques Rsistance la flexion (pavage)9 Module de rupture (MPa) 8 7 6 5 4 3 40 60 Rsistance a compression (MPa)51

BCR Bton suel 80

Proprits fondamentales Prop. mcaniques Comportement structural dune chausse en BCR

Quai de dchargement de la neige de la Ville de Montral

Environ 70 000 camions par saison hivernale Dalle de 225 mm Superficie : 21 000 m2 Compression : 40 MPa , Flexion : 5 6 MPa (7 jours)

Mesures au FWD Charge de 40 kN Plaque de 300 mm

Ville de Montral

Ville de Montral

Ville de Montral

52

Proprits fondamentales Prop. mcaniquesRelev s de capacit structurale effectu s par la Ville de Montr al200 180 D lexion maximale (m 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Chanage (mAutoroute A-15 Autoroute A-440 Pavage BCR

53

Principes de formulation Mthode du volume optimal de pte Procdure simple Relativement peu dessais en laboratoire Un BCR optimal devrait contenir tout juste assez de pte pour combler les vides du squelette granulaire compact Approche de formulation volumique54

Principes de formulation Dmarche en 3 tapes1- Choix dune granulomtrie optimale 2- Choix du dosage volumique en pte pour obtenir la maniabilit souhaite 3- Choix du rapport E/L de la pte pour atteindre les caractristiques mcaniques et la durabilit requises55

Principes de formulation 1- Granulomtrie

Proportions gros moyen - fin Minimiser les vides du squelette granulaire Les courbes FullerFuller-Thompson sont un bon point de dpartPassant (%)

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,01

Dimension maximale du granulat

14 20

28 40

(mm)

0,1

1

10

100

Ouverture du tamis (mm)

p = (d/D)0,4556

Principes de formulation 2 Choix du volume de pte La maniabilit dun BCR est fonction du rapport Vp / Vvc :

Vp:

Le volume de pte (eau + ciment + ajout) dans 1 m3 de BCR (L/m3)

Vvc: Le volume des vides dans 1 m3 dusquelette granulaire compact (L/m3)57

Principes de formulationBCR pour pavage120 ebe ti e ( ) 100 80 60 40 20 0 0,95 1,00 1,05 Vp/Vvc58

1,10

1,15

Principes de formulation 3 Choix du rapport E/L Le rapport E/L gouverne les proprits mcaniques Augmentation du dosage en cendres volantesDiminution de la rsistance au jeune age (28 d) Augmentation de la rsistance long terme (91 d)

Lutilisation dun liant contenant de 10% - 20% de cendres volantes diminue 15 20% la rsistance 28 jours

59

Principes de formulation70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 W/B60

th, 28

M

)

0% - 0% sili

me

Compr ssiv str

10% -25% Fly sh

Quelques considrations conomiques Exemple danalyse de cots (30 ans)

Aire de stockage du bois de 13 000 m2 (charge de conception de 95 tonnes) tonnes)

Cot Construction($) Entretien ($) Total ($) Total ($/m2)

BCR 434 000 7 800 441 800 34

Ashpalte 480 000 179 000 659 000 5161

Quelques considrations conomiques Quai de dchargement de la neige Ville de

Montral

Superficie totale du projet: } 50 000 m2 Superficie ralise en 2000: Quai de dchargement = 21 000 m2 Chemin priphrique = 2 200 m2 Rapidit dexcution conomie au niveau de la fondation Avantage technique: diminution du nombre de joints conomique: 225 000$ dconomie soit } 25% de moins que le cot dune dalle en bton conventionnel

Choix du BCR motiv par

62

Les dfis relever Amlioration de la texture de surface Demande pour une surface plus ferme Diminution du diamtre maximal du granulat Utilisation dair entran Rouleaux avec pneus de caoutchouc

Amlioration de luni Ncessaire pour une circulation haute vitesse Actuellement, les dfauts de planit limitent les pavages en BCR aux applications industrielles

Possibilit dun recouvrement mince en asphalte63

Les dfis relever Dvelopper une technologie pour

amliorer le transfert de charge

Au niveau des joints Au niveau des fissures les plus ouvertes

Ville de Montral

Ville de Montral 64

Conclusions La technologie des BCR est prouve et de plus

en plus utilise

Barrages, pavages

Les BCR sont particulirement bien adapts pour

la construction de pavages trs sollicits

Dure de vie plus longue que celle dun pavage en asphalte Plus conomique quun pavage conventionnel en bton Rapidit de construction Cots dentretient plus faibles (par rapport lasphalte)

Actuellement, technologie limite aux pavages

pour vhicules basse vitesse

65

Conclusions Les BCR sont des matriaux hautement

optimiss

Proprits mcaniques leves pour un dosage en ciment donn Rapport flexion / compression lev

Les BCR peuvent tre produits sans

adjuvants de haute technologie Technologies de production et de mise en place simples et rapides Peuvent contenir de forts dosages en ajouts minraux66