Les nouveaux développements en matière d’assurance qualité des chaussées en béton peuvent fournir des informations importantes sur la qualité, la durabilité et la conformité aux codes de conception hybride.
La construction d'une chaussée en béton peut connaître des situations d'urgence et l'entrepreneur doit vérifier la qualité et la durabilité du béton coulé sur place. Ces événements incluent l'exposition à la pluie pendant le processus de coulage, la post-application des produits de cure, le retrait du plastique et la fissuration quelques heures après le coulage, ainsi que les problèmes de texture et de durcissement du béton. Même si les exigences de résistance et les autres tests de matériaux sont satisfaits, les ingénieurs peuvent exiger le retrait et le remplacement de pièces de chaussée, car ils s'inquiètent de savoir si les matériaux in situ répondent aux spécifications de conception du mélange.
Dans ce cas, la pétrographie et d'autres méthodes d'essai complémentaires (mais professionnelles) peuvent fournir des informations importantes sur la qualité et la durabilité des mélanges de béton et sur leur conformité aux spécifications de travail.
Figure 1. Exemples de micrographies au microscope à fluorescence de pâte de béton à 0,40 w/c (coin supérieur gauche) et 0,60 w/c (coin supérieur droit). La figure en bas à gauche montre l'appareil de mesure de la résistivité d'un cylindre en béton. La figure en bas à droite montre la relation entre la résistivité volumique et l'eau/c. Chunyu Qiao et DRP, une société jumelée
Loi d'Abram : « La résistance à la compression d'un mélange de béton est inversement proportionnelle à son rapport eau-ciment. »
Le professeur Duff Abrams a décrit pour la première fois la relation entre le rapport eau-ciment (e/c) et la résistance à la compression en 1918 [1], et a formulé ce que l'on appelle aujourd'hui la loi d'Abram : « La résistance à la compression du béton Rapport eau/ciment ». En plus de contrôler la résistance à la compression, le rapport eau-ciment (w/cm) est désormais privilégié car il prend en compte le remplacement du ciment Portland par des matériaux cimentaires supplémentaires tels que les cendres volantes et les scories. C’est également un paramètre clé de la durabilité du béton. De nombreuses études ont montré que les mélanges de béton avec un w/cm inférieur à ~0,45 sont durables dans des environnements agressifs, tels que les zones exposées à des cycles de gel-dégel avec des sels de déglaçage ou les zones où il y a une forte concentration de sulfate dans le sol.
Les pores capillaires font partie intégrante du coulis de ciment. Ils constituent l’espace entre les produits d’hydratation du ciment et les particules de ciment non hydratées qui étaient autrefois remplies d’eau. [2] Les pores capillaires sont beaucoup plus fins que les pores entraînés ou piégés et ne doivent pas être confondus avec eux. Lorsque les pores capillaires sont connectés, le fluide provenant du milieu extérieur peut migrer à travers la pâte. Ce phénomène est appelé pénétration et doit être minimisé pour garantir la durabilité. La microstructure du mélange de béton durable est que les pores sont segmentés plutôt que connectés. Cela se produit lorsque w/cm est inférieur à ~0,45.
Bien qu'il soit notoirement difficile de mesurer avec précision le poids/cm du béton durci, une méthode fiable peut constituer un outil d'assurance qualité important pour l'étude du béton durci coulé sur place. La microscopie à fluorescence apporte une solution. Voilà comment ça marche.
La microscopie à fluorescence est une technique qui utilise de la résine époxy et des colorants fluorescents pour éclairer les détails des matériaux. Il est le plus couramment utilisé dans les sciences médicales et a également des applications importantes dans la science des matériaux. L'application systématique de cette méthode au béton a commencé il y a près de 40 ans au Danemark [3] ; il a été normalisé dans les pays nordiques en 1991 pour l'estimation de l'épaisseur du béton durci, et a été mis à jour en 1999 [4].
Pour mesurer le poids/cm des matériaux à base de ciment (c'est-à-dire le béton, le mortier et le coulis), de l'époxy fluorescent est utilisé pour fabriquer une section mince ou un bloc de béton d'une épaisseur d'environ 25 microns ou 1/1000 de pouce (Figure 2). Le processus implique que le noyau ou cylindre de béton soit découpé en blocs de béton plats (appelés flans) d'une superficie d'environ 25 x 50 mm (1 x 2 pouces). Le flan est collé sur une lame de verre, placé dans une enceinte sous vide, et de la résine époxy est introduite sous vide. À mesure que le w/cm augmente, la connectivité et le nombre de pores augmenteront, donc plus d'époxy pénétrera dans la pâte. Nous examinons les flocons au microscope, en utilisant un ensemble de filtres spéciaux pour exciter les colorants fluorescents présents dans la résine époxy et filtrer les signaux en excès. Sur ces images, les zones noires représentent les particules d'agrégats et les particules de ciment non hydratées. La porosité des deux est fondamentalement de 0 %. Le cercle vert vif représente la porosité (pas la porosité), et la porosité est fondamentalement de 100 %. L'une de ces caractéristiques. La « substance » verte mouchetée est une pâte (Figure 2). À mesure que le poids/cm et la porosité capillaire du béton augmentent, la couleur verte unique de la pâte devient de plus en plus brillante (voir Figure 3).
Figure 2. Micrographie à fluorescence de flocons montrant des particules agrégées, des vides (v) et de la pâte. La largeur du champ horizontal est d'environ 1,5 mm. Chunyu Qiao et DRP, une société jumelée
Figure 3. Les micrographies à fluorescence des flocons montrent qu'à mesure que le w/cm augmente, la pâte verte devient progressivement plus brillante. Ces mélanges sont aérés et contiennent des cendres volantes. Chunyu Qiao et DRP, une société jumelée
L'analyse d'images consiste à extraire des données quantitatives à partir d'images. Il est utilisé dans de nombreux domaines scientifiques, depuis le microscope de télédétection. Chaque pixel d'une image numérique devient essentiellement un point de données. Cette méthode nous permet d’attribuer des numéros aux différents niveaux de luminosité verte observés sur ces images. Au cours des 20 dernières années, avec la révolution de la puissance des ordinateurs de bureau et de l’acquisition d’images numériques, l’analyse d’images est désormais devenue un outil pratique que de nombreux microscopistes (y compris les pétrologues du béton) peuvent utiliser. Nous utilisons souvent l'analyse d'images pour mesurer la porosité capillaire du coulis. Au fil du temps, nous avons constaté qu'il existe une forte corrélation statistique systématique entre w/cm et la porosité capillaire, comme le montre la figure suivante (Figure 4 et Figure 5)).
Figure 4. Exemple de données obtenues à partir de micrographies à fluorescence de coupes minces. Ce graphique représente le nombre de pixels à un niveau de gris donné dans une seule photomicrographie. Les trois pics correspondent aux agrégats (courbe orange), à la pâte (zone grise) et au vide (pic non rempli à l'extrême droite). La courbe de la pâte permet de calculer la taille moyenne des pores et son écart type. Chunyu Qiao et DRP, Twining Company Figure 5. Ce graphique résume une série de mesures capillaires moyennes en w/cm et des intervalles de confiance à 95 % dans le mélange composé de ciment pur, de ciment de cendres volantes et de liant pouzzolane naturel. Chunyu Qiao et DRP, une société jumelée
En dernière analyse, trois tests indépendants sont nécessaires pour prouver que le béton sur site est conforme aux spécifications de conception du mélange. Dans la mesure du possible, obtenez des échantillons de base provenant de stages qui répondent à tous les critères d'acceptation, ainsi que des échantillons provenant de stages connexes. Le noyau de la mise en page acceptée peut être utilisé comme échantillon de contrôle et vous pouvez l'utiliser comme référence pour évaluer la conformité de la mise en page concernée.
D'après notre expérience, lorsque les ingénieurs disposant de dossiers voient les données obtenues à partir de ces tests, ils acceptent généralement le placement si d'autres caractéristiques techniques clés (telles que la résistance à la compression) sont remplies. En fournissant des mesures quantitatives de w/cm et de facteur de formation, nous pouvons aller au-delà des tests spécifiés pour de nombreux travaux pour prouver que le mélange en question possède des propriétés qui se traduiront par une bonne durabilité.
David Rothstein, Ph.D., PG, FACI est le lithographe en chef de DRP, A Twining Company. Il possède plus de 25 ans d'expérience professionnelle en pétrologie et a personnellement inspecté plus de 10 000 échantillons provenant de plus de 2 000 projets à travers le monde. Le Dr Chunyu Qiao, scientifique en chef de DRP, une société Twining, est un géologue et un scientifique des matériaux avec plus de dix ans d'expérience dans la cimentation de matériaux et de produits rocheux naturels et transformés. Son expertise comprend l'utilisation de l'analyse d'images et de la microscopie à fluorescence pour étudier la durabilité du béton, avec un accent particulier sur les dommages causés par les sels de déglaçage, les réactions alcali-silicium et les attaques chimiques dans les usines de traitement des eaux usées.
Heure de publication : 07 septembre 2021