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 hybrides.
La construction de chaussées en béton peut être confrontée à des situations d'urgence, et l'entrepreneur doit vérifier la qualité et la durabilité du béton coulé en place. Parmi ces situations figurent l'exposition à la pluie pendant le coulage, l'application des produits de cure après le coulage, le retrait 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 respectés, les ingénieurs peuvent exiger le retrait et le remplacement d'éléments de chaussée, car ils s'inquiètent de la conformité des matériaux coulés en place aux spécifications de formulation.
Dans ce cas, la pétrographie et d’autres méthodes de test 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 e/c (coin supérieur gauche) et 0,60 e/c (coin supérieur droit). La figure en bas à gauche montre l'appareil de mesure de la résistivité d'un cylindre de béton. La figure en bas à droite montre la relation entre la résistivité volumique et l'e/c. Chunyu Qiao et DRP, une société Twining
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 ». Outre son rôle dans le contrôle de la résistance à la compression, le rapport eau/ciment (e/cm) est aujourd'hui privilégié car il permet de remplacer le ciment Portland par des ciments complémentaires tels que les cendres volantes et le laitier. C'est également un paramètre clé de la durabilité du béton. De nombreuses études ont montré que les mélanges de béton dont le rapport eau/ciment est inférieur à environ 0,45 sont durables dans des environnements agressifs, comme les zones exposées aux cycles de gel-dégel avec des sels de déglaçage ou les zones où la concentration en sulfates est élevée 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, 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, les fluides du milieu extérieur peuvent migrer à travers la pâte. Ce phénomène, appelé pénétration, doit être minimisé pour garantir la durabilité. La microstructure du mélange de béton durable est caractérisée par des pores segmentés plutôt que connectés. Cela se produit lorsque le rapport e/cm est inférieur à environ 0,45.
Bien qu'il soit notoirement difficile de mesurer avec précision le e/cm du béton durci, une méthode fiable peut constituer un outil d'assurance qualité important pour l'analyse du béton coulé sur place durci. La microscopie à fluorescence offre une solution. Voici son fonctionnement.
La microscopie à fluorescence est une technique qui utilise de la résine époxy et des colorants fluorescents pour éclairer les détails des matériaux. Elle est couramment utilisée en sciences médicales et possède également d'importantes applications en science des matériaux. L'application systématique de cette méthode au béton a débuté il y a près de 40 ans au Danemark [3] ; elle a été normalisée dans les pays nordiques en 1991 pour l'estimation du rapport e/c du béton durci, et a été mise à jour en 1999 [4].
Pour mesurer le rapport e/cm des matériaux à base de ciment (béton, mortier et coulis), on utilise de l'époxy fluorescent pour fabriquer une section mince ou un bloc de béton d'environ 25 microns (1/1000 pouce) d'épaisseur (figure 2). Le procédé consiste à découper le noyau ou le cylindre de béton en blocs de béton plats (appelés ébauches) d'une surface d'environ 25 x 50 mm (1 x 2 pouces). L'ébauche est collée sur une lame de verre, placée dans une chambre à vide, et de la résine époxy est introduite sous vide. À mesure que le rapport e/cm augmente, la connectivité et le nombre de pores augmentent, ce qui permet à davantage d'époxy de pénétrer dans la pâte. Nous examinons les paillettes au microscope, à l'aide de filtres spéciaux pour exciter les colorants fluorescents de la résine époxy et filtrer les signaux excessifs. Sur ces images, les zones noires représentent les particules d'agrégat et les particules de ciment non hydraté. La porosité des deux est pratiquement nulle. Le cercle vert vif représente la porosité (et non la porosité elle-même), et la porosité est pratiquement de 100 %. L'une de ces caractéristiques est la « substance » verte mouchetée, qui est une pâte (figure 2). À mesure que le rapport e/cm et la porosité capillaire du béton augmentent, la couleur verte unique de la pâte devient de plus en plus vive (voir figure 3).
Figure 2. Micrographie à fluorescence de paillettes 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 Twining.
Figure 3. Les micrographies de fluorescence des paillettes montrent qu'à mesure que le rapport e/cm augmente, la pâte verte devient progressivement plus brillante. Ces mélanges sont aérés et contiennent des cendres volantes. Chunyu Qiao et DRP, une société Twining.
L'analyse d'images consiste à extraire des données quantitatives à partir d'images. Elle est utilisée dans de nombreux domaines scientifiques, notamment la microscopie de télédétection. Chaque pixel d'une image numérique devient un point de donnée. Cette méthode permet d'associer des valeurs numériques aux différents niveaux de luminosité verte observés sur ces images. Depuis une vingtaine d'années, grâce à la révolution des performances informatiques et de l'acquisition d'images numériques, l'analyse d'images est devenue un outil pratique pour de nombreux microscopistes (y compris les pétrologues du béton). Nous utilisons souvent l'analyse d'images pour mesurer la porosité capillaire de la boue. Au fil du temps, nous avons constaté une forte corrélation statistique systématique entre le rapport e/cm et la porosité capillaire, comme le montrent les figures suivantes (Figures 4 et 5).
Figure 4. Exemple de données obtenues à partir de micrographies à fluorescence de lames minces. Ce graphique représente le nombre de pixels à un niveau de gris donné sur une seule microphotographie. Les trois pics correspondent aux agrégats (courbe orange), à la pâte (zone grise) et au vide (pic vide 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 w/cm et des intervalles de confiance à 95 % dans le mélange composé de ciment pur, de ciment aux cendres volantes et de liant pouzzolanique naturel. Chunyu Qiao et DRP, Twining Company.
En fin de compte, trois essais indépendants sont nécessaires pour prouver que le béton sur site est conforme aux spécifications de formulation. Dans la mesure du possible, prélevez des carottes provenant de mises en œuvre répondant à tous les critères d'acceptation, ainsi que des échantillons de mises en œuvre similaires. La carotte de la mise en œuvre acceptée peut servir d'échantillon témoin et de référence pour évaluer la conformité de la mise en œuvre concernée.
D'après notre expérience, lorsque les ingénieurs disposant de données historiques consultent les données obtenues lors de ces essais, ils acceptent généralement le placement si d'autres caractéristiques techniques clés (comme la résistance à la compression) sont respectées. En fournissant des mesures quantitatives de l'eau par cm³ et du facteur de formation, nous pouvons aller au-delà des essais spécifiés pour de nombreux projets et 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, une société Twining. Fort de plus de 25 ans d'expérience en pétrologie, il 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 géologue et spécialiste des matériaux, fort de plus de dix ans d'expérience dans les matériaux de cimentation et les 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, en particulier les dommages causés par les sels de déglaçage, les réactions alcalino-silicium et les attaques chimiques dans les stations d'épuration.
Date de publication : 07/09/2021