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Valorisation du sable de dune dans les formulations des mortiers et des bétons

A. Bouaziz1, R. Hamzaoui2, S. Rezigue1, A. Bennabi2

1 Laboratoire de Recherche en Génie Civil, Université de Biskra, Algérie.

2 Université Paris-Est, Institut de Recherche en Constructibilité, ESTP, 28

avenue du Président Wilson- 94234 Cachan, France.

[email protected], [email protected]

RÉSUMÉ:

On propose dans la présente étude de vérifier si le sable de dune (0/0.63) peut remplacer

en totalité les sables alluvionnaires (0/5), utilisés habituellement dans les formulations des

bétons de sable. Malgré que le dosage en ciment utilisé est inférieur (360Kg/m3) par rapport

à celui exigé (545kg/m3) dans la formulation du béton de sable de dune, les résultats obtenus

montrent que le choix des sables alluvionnaires dans les bétons du sable est préconisée.

Cependant, et de point de vue technique, la valorisation des sables de dunes dans la

formulation des mortiers et des bétons courants, pose plusieurs problèmes qui

empêchent de convaincre les acteurs de la construction pour l'incorporer

partiellement ou complètement en substitution des sables de carrières et/ou

alluvionnaire: dosage important en fine (≤0.08) et en eau. Par conséquent, des

répercussions néfastes sur les propriétés physico-mécaniques en découlent

(fissuration précoce importante, baisse de la résistance mécanique, retrait,…etc.).

Néanmoins, la substitution d'une fraction du dosage en ciment (34%) par un choix

judicieux des filler calcaire et du sable alluvionnaire et aussi l'incorporation des fibres

synthétique ou végétal peut donner des résultats satisfaisants par rapport à la

formulation de base du béton du sable de dunes.

MOTS-CLÉS : formulation, sable de dune, sable alluvionnaire, retrait, fibres, Résistance.

Abstract:

We propose in this study to check if the dune sand (0/0.63) can replace

completely the alluvial sands commonly used in the formulations of concrete sand

and ordinary concrete. However, their use in the formulation of mortars and

concretes, can product several technical problems that prevent the convincing

actors construction to incorporate partial or complete substitution of known

aggregates in mortar formulations and concrete sand. (Early cracking very

significant, plastic shrinkage, decline in strength ... etc). It seems that the

substitution of a fraction in the cement (34%) by a judicious choice of limestone

filler and alluvial sand and also the incorporation of synthetic or plant fibers can

provide satisfactory results compared to the other ones deducted to theoretical

formulation.

KEY WORDS: Formulation, dune sand, alluvial sand, shrinkage, fibres, Resistance.

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31èmes Rencontres de l’AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai 2013 2

1. Introduction.

Différentes applications du béton de sable ont été illustrées dans le monde: Le

mur de soutènement a Passy et la maison Coignet à Saint Denis, constituent les

premières applications en France que l’on retrouve aussi dans la réalisation de tour

port Said en Egypte (hauteur 52 m) et du pont de New york [BIL94], [CHAN96].

En Algérie, Les organismes de contrôle de la qualité du béton de structure

exigent à ce que les agrégats sont constitués à partir des sables alluvionnaires ou de

carrière et du gravier concassé. Cependant, certains projets surtout ceux qui sont

réalisés au sud, sont éloignés des gisements exploités pour le concassage des

agrégats (plus de 600 Km). L'énergie dépensée pour le concassage et le budget

réservé pour le transport des agrégats concassé amplifie considérablement le prix de

réalisation d'un m3 du béton. Par conséquent, le coût de réalisation de certains

projets devient imaginaire (la réalisation de certain tronçon de l'autoroute est-ouest.

La réalisation des nouvelles zones urbaines, certaines ouvrages…etc.). Or, le sud

Algérien dispose des réserves naturelles importantes renouvelables en sable de dune,

caractérisé par une granulométrie fine mais de composition chimique et

minéralogique riche en silicium [BOU 2002]. Ce paradoxe, a incité plusieurs

scientifiques à la recherche d'une formulation dépourvu du gros granulat et

composée par conséquent essentiellement du ciment, du filler, du micro filler, du

sable et de l’eau [BIL1994], [CIS 99,2000], [BEN92] [TAF 2009]. Toutefois,

l'application de la méthode dite théorique exposée dans la bibliographie [BIL94]

dans le cas de bétons du sable de dune conduit à un dosage exagéré en fine (pour

1m3 du béton: 545 kg de ciment et environ 300 kg de filler calcaire et 33 kg de filler

sableux) ce qui conduit à un dosage important en eau: 335 l d'eau [(E/C)=0.61].

L'étude de la pathologie de ces bétons est devenue nécessaire. Plusieurs problèmes

ont été relevé pendant la cure de ces bétons que ce soit à l'état frais ou plutôt à l'état

durci: retrait endogène, retrait exogène, fissuration précoce, perte de rigidité, perte

de résistance…etc. l’objectif essentiel de cette étude est de vérifier si le sable de

dune peut substituer en totalité le sable alluvionnaire dans une formulation ordinaire

du béton du sable (tableau1). Une piste a été suivie afin de diminuer le dosage du

ciment d'environ 34% et de le substituer par un choix judicieux du filler calcaire et

du sable alluvionnaire toute en gardant la masse totale d'un m3 de la composition du

béton constante. La formulation proposée est renforcé par différents type de fibres

afin de limiter les variations dimensionnelles dans le cas de la cure des éléments

dans un climat chaud.

2. Procédure expérimentale

2.1. Matériaux et méthodes de composition des bétons

Il a été utilisé deux type de ciment notés CPJ CEMII/A; CPJ CEMII/B (NA422

2000). Les filler calcaires ont été obtenus à partir du broyage fin du sable concassée

(85% des tamisât sur le tamis de diamètre 0.08mm). Le sable de dune utilisé (0/0.63)

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comporte 3.6% des fines (≤ 0.08 mm). Cependant un autre sable alluvionnaire (0/5)

a été utilisé (faible dosage) pour la correction de la structure granulaire du sable fin.

Deux méthodes ont été appliquées afin de préparer les compositions d’étude:

l’une est basée sur l'application stricte de la méthode dite théorique [BIL1994] est

utilisée pour la préparation de la formulation de base dans les deux cas en fonction

du type du sable (0/0.63, 0/5). Le dosage du ciment peu être fixé à 360 Kg /m3 dans

le cas d'utilisation d'un sable alluvionnaire 0/5(béton témoin, F110 tableau 1), alors

qu'il passe à une valeur de 545 kg/m3 si le sable 0/5 est complètement substitué par

un sable de dune 0/0.63 (béton témoin, F210 tableau 1). Cette dernière, formulation

caractérisée par un dosage important en ciment (545 kg/m3), a été modifiée par la

fixation du dosage en ciment à 360 Kg/m3, la fraction soustraite du dosage en ciment

a été récompensée par son équivalence massique composée d'un mélange des fillers

calcaires et du sable alluvionnaire. Le tableau 01 récapitule les différentes

compositions obtenue et utilisées dans cette étude.

Tableau 1. Différentes compositions, pour 1m3 du béton, obtenues par

application de la méthode théorique et celle modifiée.

Formulat. Symbole Ciment

filler0/

0.08

Sable.

(0/5)

Sable de

(0/0.63)

Eau

E/C

A B

Théorique

F11 360 0 193 1312 0 221 0.61

F210 0 545 292 0 921 335 0.61

empiric

F211

(f/s=0.2)

0 360 323 154 921 335 0.93

F212

2(f/s=0.

2)

360 0 323 154 921 335 0.93

F213

(f/s=0.4)

360 0 345 132 921 335 0.93

F214 360 0 361 116 921 335 0.93

F215 360 0 374 103 921 335 0.93

F216

(f/s=1)

360 0 384 093 921 335 0.93

A: CPJ-CEM II/A, B: CPJ-CEM II/B, les valeurs du tableau 1 sont représentées en Kg

2.2. Eprouvettes utilisées et Dispositifs d'essais effectués

Différents types d’éprouvettes ont été utilisées dans cette étude, cylindrique de

dimensions 16x32, cubique de dimensions 15x15x15, 10x10x10, 4x4x4, prismatique

de dimensions 10x10x40, 7x7x28 et 4x4x16 (les dimensions sont indiquées en cm).

La compression des éprouvettes de dimensions 16x32 (NF P18-406) a été menée

à l’aide une presse hydraulique équipée de deux manomètres de force maximale de

(500 et 1500) KN de marque Controlab alors que la flexion a été menée par

différents types de machines selon les dimensions de l'éprouvette utilisées. Un

dispositif de trois appuis à été préparé et mis entre les plateaux de la presse de

compression afin de réaliser l'essai de flexion trois points sur des éprouvettes de

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dimension 7x7x28 (selon NF P18-407), tan disque les éprouvettes de dimensions

10x10x40(NF P18-413) ont été utilisées dans le cas de l'essai de flexion quatre

points sur une machine de flexion manuelle à traverse fixe de charge maximale de

150 KN, La flexion des éprouvettes 4x4x16(NF P15-413) à été conduite sur une

machine de flexion à mise en charge automatique et lecture directe de la charge de

rupture qui peut atteindre la valeur maximale de 10 KN, la vitesse de mise en charge

est de 50 N/S. Les mesures du retrait de dessiccation ont été relevées à partir d'un

rétractomètre ( déformomètre de précision 1/1000 mm) selon AFNOR P15- 413. Les

variations dimensionnelles au cours du temps ont été aussi relevées à l'aide du pied à

coulisse (précision 0.05mm). L'ouvrabilité du béton a été déterminé par deux type

d'essai : l’affaissement des bétons au cône d’Abrams selon NF P 18-451 et à la table

à secousse pour les mortiers selon Gost 310.4 -76 (*ASTM C230). Les éprouvettes

préparées ont été soumises à différents essais à savoir: le retrait de séchage, la

compression, la flexion trois et quatre points.

3. Résultats

3.1. Analyse granulométrique des sables

Figure 1. Analyse granulométrique du sable de dune et du sable alluvionnaire

La figure1 montre que le sable de dune possède une granulométrie fine (Mf =

1,22) alors que celle du sable alluvionnaire est moyenne (Mf = 2.8).

3.2. Variations dimensionnelles

3.2.1. Béton non renforcé

Du moment que la composition d'un m3 du béton de sable de dune contient un

volume important aussi bien en pâte du ciment qu'en pourcentage de fine. On pense

qu'il est intéressant d'étudier la variation dimensionnelle des éléments moulés à partir

de ces bétons et durcis dans un environnement chaud et sec (Cure B). Dans ce

contexte, des éprouvettes ont été préparées à partir du béton du sable de dune et

classées en deux lots, selon les conditions de conservation. Un lot est conservé dans

un bain thermostatique dont la température est fixée à 20° c (cure A), l'autre lot est

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conservé à l'aire libre à une température ambiante moyenne estimée à 35°c et une

humidité enregistrée au voisinage de 30% (cure B). Les relevés des valeurs de retrait

de dessiccation ont été débutés, juste après le démoulage avancé, 04 heurs à partir de

la préparation de l'éprouvette. Les mesures effectuées du retrait linéique des

éprouvettes, préparées à partir de la formulation empirique F211 (Ciment CEMII/B)

et conservé à l'aire libre sont représenté dans les la figure 02.

Figure 2. Evolution du retrait de séchage relatif à la formulation du béton du

sable de dune (Formulation F211 tableau 1, cure B).

Il a été observé de la figure 02 que Les points de mesure du retrait total au cour

du temps montre une vitesse de déformation linéique (∆ζ/∆t; ζ=∆l/l) supérieure

dans les premières heures (jusqu'à 8heurs), ensuite cette vitesse, diminue jusqu'àu 7

ième jour, cela peut être expliqué par l'évaporation accélérée dans la phase initiale du

béton à l'état frais (cure B). La solidification progressive de la pâte de ciment,

surtout celle qui est située à la surface de l'échantillon, freine la vitesse d'évaporation

excessive enregistrée auparavant. La figure 3 représente l’évolution des valeurs du

retrait pour différentes séries de formulations : F210, F211 et F212 (tableau 1).

Figure 3. Evolution des valeurs duretrait relatif aux formulations: F210 ; F211,

F212 (tableau 1, cure B).

Les valeurs obtenues des mesures effectuées (figure 3) montrent que le retrait

linéique est inférieur dans le cas de l'utilisation du ciment type CEMII/A

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(formulation F212) par rapport à celui relevé sur la même formulation à l'exception du

type de ciment: CEMII/B (formulation F211). Cela peut être attribué à l'activité

relative de chaque type des deux ciments (tableau 5). La résistance initiale acquise

pour la pâte de ciment CEMII/A conservée dans un environnement chaud (cure B,

démoulage après 24 heurs) est certainement supérieure à celle de la pâte du ciment

CEMII/B[NA422 2000] séché dans les mêmes conditions de cure. Par conséquent, le

taux d'évaporation instantané est différent et peu être freiné grâce à la solidification

progressive de la surface des échantillons conservées dans le milieu prédéfini en

haut. Les points des mesures représentés dans la figure 03 montrent que

l'augmentation du dosage en eau et la diminution du volume de la pâte de ciment

(formulations: F211, F210 du tableau 1) entraîne une augmentation des valeurs de

retrait de dessiccation.

Le rétrécissement des dimensions peut être expliqué par l'assèchement de l'eau

libre des interstices du béton plastique, laissant lieu à un réseau fin de ports de tailles

différentes. Les tensions capillaires naissent sur les faces des ports dont le diamètre

est fin (ménisques), par conséquent le volume de béton se contracte. D'autre part la

pesanteur agit dans le sens que les grains se tasse l'une sur l'autre lorsque il existe

des vides entre eux. Les vides sont dus à l'évaporation excessive de l'eau. Le

phénomène de LE Chatelier contribue aussi à la contraction de la pâte du ciment et

par conséquent un rétrécissement des dimensions. A défaut de disponibilité des

moyens de mesures performants pour les éprouvettes conservées selon le mode de

cure B, il a été utilisé le pied à coulisse à titre comparatif pour Les mesures des

variations dimensionnelles des éprouvettes conservées dans un bain thermostatique.

A L'inverse, de ce qui a été noté pour la variation dimensionnelle des éprouvettes

exposées à un environnement chaud et sec (figure2 et 3), les éprouvettes émergées

dans l'eau subissent un gonflement (figure 4).

Figure 4. Evolution des valeurs de la variation dimensionnelles en fonction du

milieu de conservation.

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Le gonflement de l'éprouvette en béton résulte d'une pathologie qui doit être bien

identifiée. Cette tendance d'expansion de la pâte de ciment conservée dans l'eau est

peut être attribuée d'une part à la présence de la chaux libre Cao et de l'oxyde de

magnésium Mgo dans le ciment anhydre et/ ou les filler calcaire et d'autre part à la

présence de certains compositions chimiques dans l'eau de gâchage qui peuvent

réagir avec les composants non hydraté du ciment Le tableau 2 donne les différents

composants de l'analyse chimique de l'eau de gâchage.

. Tableau 2. Analyse chimique de l'eau de gâchage du béton, (PH= 8.1)

élément ِCa Mg Na K ِCl ِ2CO 3NO Insol.

Dosage

(mg/l)

111 93 11 5 141 953 4 775

Il apparaît que les mesures de la variation dimensionnelle des éprouvettes

conservées dans le bain thermostatique nécessitent une autre vérification afin

d'infirmer ou confirmer la pathologie observée. Il est à noter que le démoulage des

éprouvettes (figure 4) s'effectue seulement après 02 h de préparation et conservées

par la suite selon le mode de cure A ou B.

3.2.2. Béton renforcé

Les variations dimensionnelles importantes enregistrées pour la formulation du

béton de sable de dune (F211 ) non renforcé dans un climat chaud nous a amené à

procéder par l'incorporation des fibres dans cette composition pendant la phase du

malaxage. La figure 6 montre la tendance des résultats obtenus.

Figure 6. Evolution des valeurs de retrait en fonction du type de renfort utilisé

Fibres de polypropylène, fibre de palmier dattier

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La figure 06 montre une évolution progressive du retrait de dessiccation pour

toutes les compositions étudiées. Cependant, l'incorporation des fibres dans la

formulation du béton de sable de dune peut freiner l'évaporation accentuée de l'eau

libre au cours du séchage surtout durant les trois premiers jours de la cure du béton.

En effet, les valeurs obtenues du retrait pendant le 2 ième et le 3 ième jours sont

supérieures dans le cas de la formulation du béton de sable de dune (F211) que celle

renforcée par n'importe quel type de fibres utilisées. Après le 3ième jour, le

comportement du béton de sable de dune, vis-à-vis le retrait, diffère d'un type à

l'autre. Malgré que le taux de fibre synthétiques utilisé est faible (0.6 kg/m3), il sont

considérées comme le meilleur facteur de renforcement de la formulation de base

contre les variations dimensionnelles dues au retrait, ensuite les fibres de palmier

dattier (5Kg/m3) qui présente une diminution considérable pendant le 2ième jour. La

régression des points de mesure obtenus par des courbes de tendance convenables

conduit à des comportements différents.

L'évolution du retrait linéique dans l'intervalle des points de mesures relatives à

la formulation du béton du sable de dune renforcée par les fibres de polypropylène,

peut être représentée par une régression linéaire suivante:

∆l/l = -35(T) – 221, avec un coefficient de détermination égale à 0.94

Dans le cas du renforcement de la formulation par les fibres de palmier, le retrait

peut être approchée par une régression logarithmique de la forme suivante:

∆l/l = -981 log (T) + 960, R2 = 0.97.

3.3 Affaissement

3.3.1 Béton non renforcé

Les valeurs obtenues des mesures effectuées au cône d’Abrams sont représentées

dans le tableau 03 alors que celles obtenus sur la table à secousse sont classées dans

le tableau 04.

Tableaux 03. Valeurs de l’affaissement mesurées (cm) pour les formulations de

base (théorique) et celles corrigées du béton de sable de dune.

Formulat.

Ciment

Théorique Corrigée

F110 F210 F211 F213 F214 F215 F216

CEMII/A 13 15.5 18 24 22 20

CEMII/B 14.5 17.8

A une valeur fixe du rapport (E/C)= 0.61, Malgré que le volume de la pâte de

ciment est très importante dans la formulation du béton de sable de dune F210, sa

consistance est légèrement amélioré (tableau3) par rapport à celle du béton du sable

alluvionnaire (0/5). Cependant, l'ouvrabilité du béton peut être influencée

considérablement par le rapport E/C ainsi que par la finesse et l'activité de la

structure granulaire des constituants. La substitution d'une partie de ciment anhydre

(33%) par les filler calcaires et le sable alluvionnaire, améliore l'ouvrabilité du

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béton. Ceci est du à l'augmentation du rapport E/C (de 0.61 à 0.93). A dosage en eau

et en ciment constant (E/C)= (0.93), la substitution de la partie soustraite du dosage

en ciment par un mélange de filler calcaire et du sable alluvionnaire améliore la

maniabilité du béton. L'optimum a été atteint à un rapport en masse filler (f): sable

(s) égale à 0.6. Ceci peut être attribué à la distribution des tailles granulaire en

fonction du rapport (f/s) qui conduit par conséquent, à une compacité optimale

identifiée par une consistance maximale.

3..3.2. Béton renforcé

Les valeurs obtenues des mesures effectuées de l'essai d'étalement du béton de

sable sur la table à secousse sont représentées dans les Tableaux 04 et 05.

Tableaux 04. Valeurs mesurées de l’étalement pour la formulation du béton du

sable corrigé: F211 (f/s =0.2, f : filler, s : sable alluvionnaire) en fonction du dosage et du

type des fibres utilisées.

Dosage en fibre de

palmier dattier

Dosage en fibre de polypropylène

15 13 5 3.3 3.0 3.9 3

31 97 130 301.0 303.93 351.

0

131 Etalement

(%)

Les valeurs enregistrées dans les tableaux 04, montre que l'ajout de fibres à la

formulation du béton de sable diminue son ouvrabilité. Cependant le taux de

diminution est différent. Si pour l'ajout des fibres de polypropylène le taux de

diminution est important (30- 40) %; ce dernier est relativement faible (≤10%) dans

le cas de l'utilisation des fibres de palmier dattier.

3.4. Résultats relatifs aux essais mécaniques

Les résultats obtenus en compression et en flexion en fonction des dimensions

des éprouvettes testées sont regroupés dans les tableaux 05, 06 et 07.

Tableaux 05. Valeurs moyennes de la résistance en compression (MPa)

obtenues pour les deux formulations de base et en fonction de la correction granulaire.

Témoin corrigé

Formulation F110

F210 211F 213F 214F 215F 216F

Rc( 7 jours)

(07 jours )

15 11.7

7

Rc( 28 jours)

(28 Jours)

28 11.5 10.37 13.10 15.7 19.07 11.99

A une valeur fixe du rapport E/C, Malgré que le volume de la pâte du ciment est

inférieur dans la formulation du béton du sable alluvionnaire F110, les valeurs

enregistrées dans le tableau 5 montrent que le sable alluvionnaire (F110), conduit à

des résistances meilleures (gain de 30%) par rapport au sable de dune (F210). La

substitution d'une partie de ciment par son équivalence massique en filler calcaire et

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en sable alluvionnaire peut donner des résultats satisfaisants correspondants à la

résistance en compression. Celle-ci peut atteindre 19 MPa à un dosage tolérable du

ciment (360Kg/m3) en gardant une consistance(A:affaissement≥20cm) du béton qui

ne nécessite pas une vibration puissante. L'influence des dimensions des éprouvettes

testées sur les résultats obtenus peut être observée dans les tableaux 06 et 07 ci-

dessous.

Tableaux 06. Valeurs moyennes de la résistance en compression à 28 jours

(MPa) pour les deux formulations en fonction de la forme des éprouvettes testées.

formulation

Formulation.

Cylindre

16*32

Cube

15*15*15

Cube

10*10*10

Prisme

10*10*15 F210 17.28 21.5 38 32

F211 10.53

Tableaux 07. Valeurs moyennes de la résistance en flexion à 28 jours (MPa)

obtenues pour les deux formulations en fonction des dimensions des éprouvettes testées.

Dimensions

Formulation

10*10*40

7*7*28

4*4*16

(Formulation) 121F 0.198 0.46 4.59

Les tableaux 6 et 07 montrent que les résultats de mesures de la résistance

moyenne en compression et celle en flexion, sont influencés par les dimensions des

éprouvettes testées. Ceci est remarquable par rapport à un béton ordinaire. Ceci peut

être explique par l'effet de volume. En effet le volume totale de défaut (vide:pore et

micropore) augmente considérablement avec l'augmentation de la taille des

éprouvettes testées.

4. Conclusion

L’application de la méthode de composition dite théorique dans le cas de

l'utilisation massif de sable de dune conduit à un micro béton caractérisé par un

dosage important en fines : ciment (545Kg) de gâchage, 300 kg de filler calcaire et

33 kg des fines constitué à partir des grains du sable de dune. Par conséquent un

dosage élevé en eau (335l) est nécessaire. La substitution de fines actives (ciment)

par un mélange de filler calcaires et du sable alluvionnaire améliore la consistance

de ces bétons, cependant entraîne une diminution de leurs caractéristiques

mécaniques (41% en compression). Cette diminution peut être rattrapée par un choix

judicieux de correction granulaire. La procédure expérimentale suivie pour la

correction de la formulation du béton du sable de dune, montre que le rapport

optimal (filler/sable) vis à vis de la résistance en compression est égal à 0.4.

L'utilisation du sable alluvionnaire dans la formulation du béton, donne des

résistances supérieures par rapport à ceux obtenus dans le cas de l'utilisation du sable

de dune. Un gain de 30% en résistance à la compression a été observé même le

dosage en ciment dans la formulation du béton du sable 0/5 est inférieur de 34%.

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Il semble que les variations dimensionnelles sont étroitement dépendantes des

conditions de cure des micros bétons (A ou B) et nécessitent une étude approfondie

de la pathologique de cette catégorie des bétons. L'utilisation des fibres de palmier

dattier reconnue comme ressource naturelle renouvelable, dans la formulation des

microbétons diminue considérablement le retrait de séchage et peuvent être

comparable, pendant la première semaine de cure, aux fibres synthétiques de

polypropylène. L'introduction des fibres dans la formulation des micros bétons peut

dégrader leurs maniabilités. Ceci est remarquable dans le cas de l'utilisation des

fibres synthétiques de polypropylène par rapport à celle des fibres végétales de

palmier dattier. Les essais effectués ont montré l’effet bénéfique de la correction

granulaire effectuée sur le sable de dune. En effet, il a été observé une diminution

notable du retrait de séchage (54% à 7 jours).

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