Université de Sherbrooke Département de génie civil Les bétons compactés au rouleau - Principes, applications et nouveaux développements Richard Gagné ing. Ph.D. CRIB Université de Sherbrooke Département de génie civil

Contenu Introduction Historique Exemples d’applications Principes de base de la technologie des BCR Propriétés fondamentales des BCR Principes de formulation des BCR Quelques considérations économiques Les défis à relever Conclusions

Introduction Qu’est-ce qu’un BCR ? Le BCR est un béton raide d’affaissement nul Les BCR sont généralement fabriqués avec les mêmes matériaux que ceux utilisés pour le béton conventionnel Gros granulats et granulats fins (attention à la granulométrie) Liant : ciment Portland, CV, FS, laitiers, etc. Adjuvants : réducteur d’eau, retardateur, entraîneur d’air

Introduction Aspect typique d’un BCR pour barrage Aspect typique d’un BCR pour pavage

Introduction La consistance très «sèche» du BCR requiert toujours l’application d’un effort de compactage Rapprocher les particules du granulat pour permettre à la pâte de ciment de combler les vides granulaires Un BCR bien formulé et bien compacté est en mesure de développer des propriétés mécaniques semblables à celles d’un béton conventionnel fabriqué avec le même rapport E/L

Introduction De par sa consistance particulière, le BCR est généralement mis en place et compacté avec les mêmes équipements généralement utilisés pour la construction routière Camions à benne basculante Niveleuse (barrage), épandeuse (pavages) Rouleau compacteur (avec ou sans vibration)

Introduction Le BCR s’est développé selon deux axes différents: BCR pour barrages et ouvrages massifs BCR pour pavages La formulation, les méthodes de construction et les méthodes de mise en places diffèrent en fonction du type de BCR

Historique 1935: Premières utilisations du ciment pour la construction de routes (sol-ciment) 1960: Premières utilisations du BCR Bétons très maigres, compactés au rouleau Construction de barrages La technologie des BCR pour barrages est maintenant éprouvée Des centaines de barrages en BCR ont déjà été construits Horseshoe Bend Dam – Nouvelle Zélande

Historique 1970: Premières utilisations des BCR pour la construction de routes Chemins forestiers en Colombie-Britannique La technologie des BCR pour pavages est une évolution de la technologie des BCR pour barrages Bétons sans affaissement Faible volume de pâte Résistance à la compression généralement comprise entre 40 MPa et 60 MPa Technologie éprouvée

Historique Principales applications des BCR pour pavages Industrie forestière Secteur minier Municipal Pâtes et papier Secteur agricole Aire de manutention, entreposage (solide / vrac) Quai de chargement Stationnement pour l’industrie lourde Compostage / recyclage Dépôt de neige usée Fondation de routes

Historique

Exemples d’applications - Barrages Avantages Faible contenu en matières cimentaires (< 175 kg/m3) Faible chaleur d’hydratation Faible coût / m3 Rapidité de mise en place Usines en continu Convoyeurs Technologie peu complexe Grande stabilité volumique Barrage du Lac Robertson – Hydro-Québec

Exemples d’applications - Barrages Avantages Par rapport à un ouvrage en terre Volume plus faible Meilleure résistance à l’érosion Imperméabilité Possibilité de prévoir une centrale adjacente à l’ouvrage Par rapport à un ouvrage en béton Moins de matières cimentaires Rapidité de mise en place Pas ou peu de coffrages

Exemples d’applications - Barrages Inconvénients Qualité des parements Difficulté d’entraîner de l’air Coût de transport des matières cimentaires en régions éloignées

Exemples d’applications - Barrages Barrage du Lac Robertson 25 MPa à 91 jours 75 kg/m3 ciment type 20 75 kg/m3 CV type F E/L = 0,72 Vebe: 15s Air entraîné 25 000 m3

Exemples d’applications - Pavages Avantages Faible contenu en matières cimentaires (< 300 kg/m3) Faible coût / m3 Propriétés mécaniques élevées Compression: > 40 MPa Flexion: > 6 MPa Développement rapide des propriétés mécaniques Rapidité de mise en place Usines en continu Utilisation de paveuses

Exemples d’applications - Pavages Avantages Durabilité élevée Résistance à l’abrasion Résistance au gel Bien adapté aux lourdes charges Pas d’orniérage Peu de main d’œuvre Moins de dégagement thermique que l’asphalte Confort des ouvriers Technologie peu complexe Grande stabilité volumique Peu ou pas de joints

Exemples d’applications - Pavages Inconvénients Qualité esthétique de la surface Texture rugueuse Surface moins fermée Qualité de l’uni Surface ondulée Défauts de planéité Pour trafic à basse vitesse uniquement Difficulté de réaliser des joints structuraux Le transfert de charge est problématique

Exemples d’applications - Pavages Papetterie DOMTAR - Aire d’entreposage du bois 87 000 m2 300 kg/m3 ciment 10SF E/L = 0,32 50 MPa à 7 jours 2 couches de 150 mm

Exemples d’applications - Pavages Zone d’arrêt d’autobus – Ville de Sherbrooke 300 kg/m3 ciment type 10SF Vebe = 40 - 60 s E/L =0,32 45 MPa à 7 jours Air entraîné

Exemples d’applications - Pavages Aire d’entreposage des récoltes (silo horizontal) – Milieu agricole Environ 40 MPa à 7 jours 280 kg/m3 ciment type 10 avec CV E/L = 0,40 Pavage complété en 4 heures

Principes de base de la technologie des BCR Un BCR optimal devrait comporter à peu près la quantité de pâte nécessaire pour remplir les vides du squelette granulaire et pour obtenir la maniabilité désirée Pas assez de pâte Faibles propriétés mécaniques, maniabilité trop faible, durabilité plus faible Trop de pâte Meilleures propriétés mécaniques, maniabilité trop élevée, coût de production plus élevé

Principes de base de la technologie des BCR Bon remplissage du squelette granulaire

Principes de base de la technologie des BCR Mauvais remplissage du squelette granulaire

Principes – Squelette granulaire Les granulats occupent entre 80% et 85% du volume d’un BCR compacté Il est très important de bien choisir les granulats Maniabilité du BCR frais Propriétés mécaniques Coûts de production Le choix de la courbe granulométrique est un élément clé de la formulation d’un BCR Choix du diamètre maximal du gros granulats Barrages : 40 à 80 mm Pavages : généralement 20 ou 25 mm

Principes – Choix du type de liant Dépend des critères de performance Dépend du type d’ouvrage (barrage – pavage) Pavages : grande résistance à court terme (7 j) 100% ciment portland Ciment avec fumée 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 d’hydratation 50% type 20 + 50% CV type F

Principes – Production et malaxage Deux types d’unités de production Usine stationnaire (premix) Usine en continu (pugmill) Caractéristiques importantes Fiabilité Taux de production Énergie de malaxage Calibrage

Principes – Production et malaxage (suite) Usine portative (pugmill) Excellente productivité (80 à 150 m3/h) Installation à proximité du site de construction (délais de transports réduits) Malaxage énergique en continu Mélange homogène Dosage fiable des constituants Calibrage facile

Principes – Production et malaxage (suite)

Principes – Production et malaxage (suite) Usine stationnaire Production moins importante (40 à 60 m3/h) La cuve ne doit être remplie qu’à 60%-70% de sa capacité Dosage très fiable Peu de problèmes de calibrage Temps de malaxage plus long que le béton conventionnel

Principes – Transport Pavage Transport à l’aide de camions à benne basculante Délai variable selon mélange et conditions ambiantes

Principes – Transport (suite) Barrage Camions à benne basculante Convoyeurs

Principes – Mise en place Pavages Habituellement à l’aide d’une paveuse Couches de 125 à 175 mm Capacité de 50 m3 / heure Paveuse classique (asphalte) Compactage 70% à 80% Paveuse haute performance (Type ABG Titan) Compactage > 90%

Principes – Mise en place

Principes - Compactage Toutes les propriétés des BCR sont étroitement liées au degré de compactage Un BCR parfaitement compacté devrait avoir une résistance à la compression comparable à celle d’un béton conventionnel de même rapport E/L En pratique, il est difficile d’atteindre un compactage parfait (BCR pour pavages)

Principes - Compactage (suite) Rouleaux vibrateurs (en mode statique et en mode dynamique) Rouleau à pneus de caoutchouc (Meilleur fini de surface) 10 tonnes à cylindres d’acier 1,5 tonnes à cylindres d’acier

Principes - Compactage (suite) Un bon contrôle du compactage au chantier est essentiel Un compactage déficient (< 97%) peut diminuer très significativement les caractéristiques d’un BCR pour pavage Contrôle de la compacité in situ Nucléodensimètre

Principes - Mûrissement Pendant la mise en place, il est important de maintenir l’humidité superficielle des surfaces exposées Retardateur d’évaporation Vaporisation d’eau en bruine Ville de Montréal Ville de Montréal

Principes - Mûrissement (suite) Application d’un produit de cure pigmenté blanc immédiatement après le compactage final du BCR Ville de Montréal Ville de Montréal

Principes - Joints Joints sciés pour le contrôle du retrait Réalisés le lendemain matin de chaque journée de bétonnage Sciage sur 1/4 de l’épaisseur Espacement de 10 à 20 m Ville de Montréal Ville de Montréal

Propriétés fondamentales - Maniabilité La maniabilité (temps de consolidation Vebe) est une propriété très importante du BCR

Propriétés fondamentales – Maniabilité (suite) La qualité du BCR en place est étroitement liée à la maniabilité du BCR frais Les techniques de mise en place exigent que le temps Vebe soit compris à l’intérieur de certaines plages optimales Barrages: 10 à 20 secondes (approche « béton ») Pavages: 30 à 90 secondes La maniabilité est principalement fonction du dosage en pâte

Propriétés fondamentales – Maniabilité (suite) Consistance trop «humide» Remontée d’eau en surface Déformation excessive sous le poids des équipements de mise en place (uni de mauvaise qualité) Consistance trop «sèche» Risque de ségrégation Diminution de l’adhérence entre les couches Surface mal «fermée»

Propriétés fondamentales – Maniabilité (suite) Pour le contrôle de la maniabilité (BCR pour pavages) Réducteur d’eau (1 à 2 L/m3) Retardateur de prise Agent entraîneur d’air Les superplastifiants sont peu utilisés Engendrent une réduction trop importante du seuil de cisaillement de la pâte

Propriétés fondamentales – Maniabilité (suite) L’entraînement d’air est complexe Consistance très sèche Faible dosage en pâte Plus facile dans les BCR à faible résistance (< 35 MPa) Dosage de 5 à 10 fois le dosage “normal” L’entraînement d’air augmente la maniabilité des BCR (diminution du temps Vebe) Attention aux grandes variations du volume d’air en chantier

Propriétés fondamentales – Maniabilité (suite)

Propriétés fondamentales – Maniabilité (suite) Certains tensioactifs permettent d’augmenter la maniabilité des BCR Réduction de la tension de surface de la pâte La diminution de la tension de surface permet de diminuer les forces d’interaction entre les particules du squelette granulaire Facilite le compactage in situ

Propriétés fondamentales – Maniabilité (suite) Ajout de 0,1% de tensioactif dans un BCR pour pavage Vebe 60  35 sec Résistance 58  65 MPa Meilleure compacité

Propriétés fondamentales – Prop. mécaniques Pavages Les propriétés mécaniques doivent être suffisantes pour résister aux charges structurales, à l’abrasion et au gel-dégel Prise en compte de la charge de service Prise en compte de l’épaisseur Prise en compte des conditions climatiques Résistance à la compression : 40 MPa à 70 MPa Résistance à la flexion : 6 MPa à 8 MPa à 7 jours Attention au contrôle de la compacité au chantier !

Propriétés fondamentales – Prop. mécaniques Résistance à la compression (pavage)

Propriétés fondamentales – Prop. mécaniques Résistance à la flexion (pavage)

Propriétés fondamentales – Prop. mécaniques Comportement structural d’une chaussée en BCR Quai de déchargement de la neige de la Ville de Montréal 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 Montréal Ville de Montréal Ville de Montréal

Propriétés fondamentales – Prop. mécaniques Relevés de capacité structurale effectués par la Ville de Montréal Autoroute A-440 Pavage BCR Autoroute A-15

Principes de formulation Méthode du volume optimal de pâte Procédure simple Relativement peu d’essais en laboratoire Un BCR optimal devrait contenir tout juste assez de pâte pour combler les vides du squelette granulaire compacté Approche de formulation volumique

Principes de formulation Démarche en 3 étapes 1- Choix d’une granulométrie optimale 2- Choix du dosage volumique en pâte pour obtenir la maniabilité souhaitée 3- Choix du rapport E/L de la pâte pour atteindre les caractéristiques mécaniques et la durabilité requises

Principes de formulation 1- Granulométrie Proportions gros - moyen - fin Minimiser les vides du squelette granulaire Les courbes “Fuller-Thompson” sont un bon point de départ p = (d/D)0,45

Principes de formulation 2 – Choix du volume de pâte La maniabilité d’un BCR est fonction du rapport Vp / Vvc : Vp: Le volume de pâte (eau + ciment + ajout) dans 1 m3 de BCR (L/m3) Vvc: Le volume des vides dans 1 m3 du squelette granulaire compacté (L/m3)

Principes de formulation BCR pour pavage

Principes de formulation 3 – Choix du rapport E/L Le rapport E/L gouverne les propriétés mécaniques Augmentation du dosage en cendres volantes Diminution de la résistance au jeune age (28 d) Augmentation de la résistance à long terme (91 d) L’utilisation d’un liant contenant de 10% - 20% de cendres volantes diminue 15 à 20% la résistance à 28 jours

Principes de formulation

Quelques considérations économiques Exemple d’analyse de coûts (30 ans) Aire de stockage du bois de 13 000 m2 (charge de conception de 95 tonnes) Coût BCR Ashpalte Construction($) 434 000 480 000 Entretien ($) 7 800 179 000 Total ($) 441 800 659 000 Total ($/m2) 34 51

Quelques considérations économiques Quai de déchargement de la neige – Ville de Montréal Superficie totale du projet:  50 000 m2 Superficie réalisée en 2000: Quai de déchargement = 21 000 m2 Chemin périphérique = 2 200 m2 Choix du BCR motivé par Rapidité d’exécution Économie au niveau de la fondation Avantage technique: diminution du nombre de joints Économique: 225 000$ d’économie soit  25% de moins que le coût d’une dalle en béton conventionnel

Les défis à relever Amélioration de la texture de surface Demande pour une surface plus « fermée » Diminution du diamètre maximal du granulat Utilisation d’air entraîné Rouleaux avec pneus de caoutchouc Amélioration de l’uni Nécessaire pour une circulation à haute vitesse Actuellement, les défauts de planéité limitent les pavages en BCR aux applications industrielles Possibilité d’un recouvrement mince en asphalte

Les défis à relever Développer une technologie pour améliorer le transfert de charge Au niveau des joints Au niveau des fissures les plus ouvertes Ville de Montréal Ville de Montréal

Conclusions La technologie des BCR est éprouvée et de plus en plus utilisée Barrages, pavages Les BCR sont particulièrement bien adaptés pour la construction de pavages très sollicités Durée de vie plus longue que celle d’un pavage en asphalte Plus économique qu’un pavage conventionnel en béton Rapidité de construction Coûts d’entretient plus faibles (par rapport à l’asphalte) Actuellement, technologie limitée aux pavages pour véhicules à basse vitesse

Conclusions Les BCR sont des matériaux hautement optimisés Propriétés mécaniques élevées pour un dosage en ciment donné Rapport flexion / compression élevé Les BCR peuvent être produits sans adjuvants de haute technologie Technologies de production et de mise en place simples et rapides Peuvent contenir de forts dosages en ajouts minéraux