Analyse Granulométrique Par Sédimentiométrie [PDF]

Zitiervorschau

École de technologie supérieure Département de génie de la construction CTN-405 MÉCANIQUE DES SOLS

PROTOCOLE D’ESSAI #4 Analyse granulométrique par sédimentométrie

Révisé : Automne 2003

Ce protocole d’essai granulométrique par sédimentométrie est basé sur les normes BNQ 2501-025 et NQ 2560-040, la norme ASTM D422, ainsi que sur les protocoles présentées dans les livres de laboratoire de Joseph E. Bowles (1992) et de Étiennne J. Windish (1999).

Définitions Granulométrie : Distribution des particules d’un sol, selon leur dimension et leur masse. Tamisat : Ensemble (masse) des particules passant un tamis. Refus : Ensemble (masse) des particules retenues sur un tamis. Sédimentométrie : Essai permettant de déterminer la distribution granulométrique des particules de taille inférieure à 74 µm.

Objectif Déterminer la distribution granulométrique approximative des particules de sol passant le tamis no. 200 (ouverture de 74 µm).

Principe La détermination de la distribution granulométrique d’un sol s’effectue en deux étapes, soit : 1. Le tamisage mécanique des particules dont la grosseur est comprise entre 5 mm et 80mm.

2. Le tamisage des particules de grosseur comprise entre 80 µm et 5 mm. 3.

L’essai sédimentométrique sur la portion des particules de dimensions inférieures à 80 µm. Le présent document décrit ce dernier essai. Pour les étapes 1 et 2, consultez le s protocole s #3a et #3b.

Le diamètre inférieur pouvant être mesuré par tamisage mécanique est de 74 µm (tamis no. 200). Si le granulat contient une portion significative de particules passant le tamis no. 200, la granulométrie des particules fines peut être obtenue par sédimentométrie (Windisch, 1999). Cette méthode permet de mesurer la vitesse de chute des particules dans une solution dispersante à l’aide d’un hydromètre. Il est ensuite possible de relier cette vitesse de chute au diamètre des particules à partir de l’équation suivante dérivée de la loi de Stokes : D=

où

18η v Gs − Gw

η = viscosité du fluide (g/cm⋅s) v = vitesse de chute des particules (cm/s) Gs = densité relative des solides Gw = densité relative du fluide (varie avec la température) Cette équation est valide pour des diamètres de particules se situant entre 0.2 µm

et 0.2 mm (Bowles, 1992). Donc, l’essai granulométrique par sédimentométrie n’est pas indiqué pour les sols grossiers. Les conditions de l’essai (ex. température, agent dispersant) influencent les résultats obtenus. Quelques corrections sont donc nécessaires. Pour plus de détails voir la section sur les calculs-types et l’expression des résultats. 1.

Une correction combinée pour l’agent dispersant et la température doit être effectuée en cours d’essai à partir de lectures sur un cylindre témoin.

2.

La profondeur effective de l’hydromètre doit être déterminée à partir du tableau 4, celui-ci prenant en compte une correction de la lecture pour le ménisque.

2

3.

La masse des solides doit être corrigée pour l’humidité hygroscopique à l’aide d’une mesure de teneur en eau sur l’échantillon séché à l’air qui sert à l’essai de sédimentométrie.

Résultats et calculs-types Masse des solides en suspension (correction hygroscopique) :

M s = M a ×Ch Ms : Masse des solides Ma : Masse du sol séché à l’air C h : Facteur de correction où

Ch =

Masse séchée à l' étuve Masse séchée à l' air

Pourcentage passant :

% passant =

où

Rc × a × 100 Ms

Rc = R a − C c

Rc = lecture hydromètre corrigée (g/L) Ra = lecture hydromètre sans correction (g/L) Cc = correction combinée pour l’agent dispersant et la température (g/L) a = facteur de correction du à la densité relative des solides. (voir tableau 2) Ms = masse sèche de l’échantillon (g)

3

Diamètre des particules :

L D=K   t 

où

D = diamètre des particules (mm) L = profondeur effective de l’hydromètre (cm) (voir tableau 3) K = facteur (voir tableau 4) t = temps (min)

Note : La détermination de la profondeur effective de l’hydromètre, L, à l’aide du tableau 3 requiert la lecture corrigée pour le ménisque seulement. Cette correction est la suivante :

R = Ra + C m où

Cm = correction pour le ménisque (g/L) R = lecture corrigée seulement pour le ménisque (g/L)

Appareillage nécessaire (voir figure 1) •

Balance : La balance doit être précise au centigramme soit à 0,1% de la masse de l’échantillon à analyser.

•

Brosses : Une brosse souple et une rigide.

•

Tige de verre : Une tige d’environ 5 mm de diamètre et de 250 mm de longueur.

•

Hydromètre :

L’hydromètre doit être de type ASTM 152H, de forme ovoïde

symétrique, conforme à la norme ASTM E 100. •

Agent dispersant : Un superplastifiant Mighty 150 ayant comme caractéristiques physiques 42% d’ingrédients actifs et une densité relative de 1,227.

•

Cylindre à sédimentation : Un cylindre (sans déversoir) de verre de 63 mm de diamètre et de 460 mm de hauteur, jaugé pour un volume de 1000 mL.

4

•

Cylindre témoin : Un cylindre (avec ou sans déversoir) de verre de 63 mm de diamètre et de 460 mm de hauteur, jaugé pour un volume de 1000 mL.

•

Bouchon : Un bouchon de caoutchouc.

•

Thermomètre : Le thermomètre doit être précis à 0,20 C

•

Appareil agitateur : Un agitateur électrique dont la vitesse ne peut être inférieure à 10 000 tours/min.

•

Bécher : Un bécher d’une capacité de 250 mL.

•

Bol avec couvercle : Un bol avec couvercle en plastique, pour trempage de 16 heures.

•

Chronomètre

Figure 1. Appareillage nécessaire

Protocole d’essai A. Notes sur la préparation et la réduction de l’échantillon (quartage) Dans toute analyse granulométrique, l’échantillon doit être représentatif du sol reçu en laboratoire. L’échantillon doit être réduit à la masse désirée par quartage selon le protocole #1. Dans le cas présent, une masse sèche minimale de 200 g doit

5

être obtenue par quartage sur le passant 5 mm. La masse obtenue est ensuite séparée sur le tamis 150 µm en s’assurant que le refus est propre et sans agglomération. Pour l’analyse sédimentométrique, une masse d’échantillon finale d’environ 50 g est nécessaire. L’échantillon doit être séché à l’air, afin que les particules fines n’adhèrent pas aux particules plus grosses. Le sol ne doit pas être séché à l’étuve avant la sédimentation. Il est préférable de déterminer la masse exacte du sol sec après l’essai. Si on utilise la masse du sol séché à l’air, une correction pour humidité hygroscopique est requise pour obtenir la masse de sol sec (Windisch, 1999).

B. Étapes préliminaires (le jour précédent l’essai de sédimentométrie) 1. Obtenir tous les renseignement concernant l’échantillon. 2. Prélever un échantillon par quartage d’environ 200 g, venant du passant 5 mm, récupéré sur le récipient de fond suite au tamisage grossier (voir protocole # 3a) la granulométrie des particules comprises entre 5 mm et 80 mm (voir section A cidessus). 3. Tamiser cet échantillon sur un tamis de 150 µm en s’assurant de bien briser les agglomérations (voir section A ci-dessus). 4. Obtenir dans un premier temps un échantillon entre 60 et 65 g. 5. Prélever environ 10 g de l’échantillon obtenu en 4), peser (noter la masse Msae) et mettre à l’étuve afin de trouver le facteur de correction (C h ) 6. Peser l’échantillon restant à ± 0,01 g (noter la masse Msa ). 7. Préparer 40 g de superplastifiant et ajouter de l’eau distillée jusqu’à l’obtention d’un volume de 125 mL. 8. Placer l’échantillon de sol obtenu en 4) dans le bol de plastique et ajouter la solution préparée en 7). S’assurer de récupérer toute la solution en utilisant un minimum d’eau distillée. Fermer le couvercle. 9. Bien agiter et laisser reposer au moins 16 heures. 10. Remplir le cylindre témoin avec de l’eau distillée pour y mettre l’hydromètre et le thermomètre entre chaque lecture.

6

C. Malaxage de l’échantillon 11. Verser l’échantillon préparé en 10) dans un vase à dispersion pour le malaxage (voir figure 2). Ajouter de l’eau distillée jusqu’à ce que le vase soit remplit à moitié.

Figure 2. Malaxeur et vase à dispersion

12. Malaxer l’échantillon pendant le temps spécifié au tableau 1. 13. Rincer les palettes du malaxeur avec de l’eau distillée afin de récupérer tout l’échantillon. 14. S’assurer que l’échantillon ne présente pas d’agglomération. Dans l’affirmative, ajouter de l’eau distillée et reprendre l’agitation. 15. Verser ensuite l’échantillon dans le cylindre à sédimentation. 16. Rincer le vase dans le cylindre à sédimentation (sans déversoir) afin de récupérer toutes les particules. 17. Remplir le reste du cylindre d’eau distillée jusqu’à l’obtention d’un volume de 1000 ml exactement (voir figure 3).

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Figure 3. Étape 17 D. Essai de sédimentométrie 18. Fermer le cylindre à l’aide du bouchon de caoutchouc, puis agiter par retournement (c.-à-d. sens dessus, sens dessous) pendant 1 minute à la cadence d’un retournement à la seconde (voir figure 4). Si pendant cette étape il y a des particules qui adhèrent à la paroi du cylindre, agiter horizontalement le cylindre pendant quelques secondes.

Figure 4. Étape 18

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19. Déposer le cylindre à un endroit approprié à température constante (ex. votre comptoir de travail). 20. Débuter la mesure du temps d’essai. Le temps des lectures débute au moment où le cylindre se trouve dans la position verticale à la fin de l’agitation. Les temps de lecture suggérés sont les suivants : •

15 secondes (facultative)

•

30 secondes (facultative)

•

1 minutes (facultative)

•

2 minutes

•

5 minutes

•

15 minutes

•

30 minutes

•

60 minutes

•

120 minutes

•

240 minutes

•

480 minutes (facultative)

•

1440 minutes (24 heures)

21. Placer l’hydromètre ainsi que le thermomètre dans le cylindre 15 secondes avant chaque lecture, puis les retirer immédiatement après la lecture. Note : Pour les quatre premières lectures vous devez laisser l’hydromètre et le thermomètre dans le cylindre. 22. Avant l’insertion de l’hydromètre, ce dernier doit être propre et à la température de la suspension. L’hydromètre doit être introduit lentement, dans un seul mouvement et en freinant les oscillations. Prendre la lecture au sommet du ménisque. 23. Prendre la température au centre de gravité de l’hydromètre. 24. Noter les lectures hydrométriques (R) et es températures, ainsi que les corrections combinées données par le professeur au cours du laboratoire.

9

Figure 5. Prise de lecture

Tableaux

Tableau 1. Durée d’agitation pour la dispersion du sol. TYPE DE SOL Sols pulvérulents

DURÉE D’AGITATION (min) 0,5 à 1

Sols cohérents : De faible plasticité à plasticité moyenne

1à2

De grande plasticité

2à4

10

Tableau 2. Facteur de correction (a) pour la densité relative (Gs). Gs Facteur de correction (a) 2.85

0.96

2.80

0.97

2.75

0.98

2.70

0.99

2.65

1.00

2.60

1.01

2.55

1.02

2.50

1.04

11

Tableau 3. Profondeur effective (L) en fonction des lectures (R). Lecture

Profondeur

Lecture

Profondeur

Lecture

Profondeur

corrigée (R)

effective L

corrigée (R)

effective L

corrigée (R)

effective L

Hydromètre

(cm)

Hydromètre

(cm)

Hydromètre

(cm)

0

16.3

21

12.9

42

9.4

1

16.1

22

12.7

43

9.2

2

16.0

23

12.5

44

9.1

3

15.8

24

12.4

45

8.9

4

15.6

25

12.2

46

8.8

5

15.5

26

12.0

47

8.6

6

15.3

27

11.9

48

8.4

7

15.2

28

11.7

49

8.3

8

15.0

29

11.5

50

8.1

9

14.8

30

11.4

51

7.9

10

14.7

31

11.2

52

7.8

11

14.5

32

11.1

53

7.6

12

14.3

33

10.9

54

7.4

13

14.2

34

10.7

55

7.3

14

14.0

35

10.5

56

7.1

15

13.8

36

10.4

57

7.0

16

13.7

37

10.2

58

6.8

17

13.5

38

10.1

59

6.6

18

13.3

39

9.9

60

6.5

19

13.2

40

9.7

20

13.0

41

9.6

12

Tableau 4. Valeur de K selon la température et la densité relative des solides (Gs). Temp. Gs (o C)

2.50

2.55

2.60

2.65

2.70

2.75

2.80

2.85

16

0.0151

0.0148

0.0146

0.0144

0.0141

0.0139

0.0137

0.0136

17

0.0149

0.0146

0.0144

0.0142

0.0140

0.0138

0.0136

0.0134

18

0.0148

0.0144

0.0142

0.0140

0.0138

0.0136

0.0134

0.0132

19

0.0145

0.0143

0.0140

0.0138

0.0136

0.0134

0.0132

0.0131

20

0.0143

0.0141

0.0139

0.0137

0.0134

0.0133

0.0131

0.0129

21

0.0141

0.0139

0.0137

0.0135

0.0133

0.0131

0.0129

0.0127

22

0.0140

0.0137

0.0135

0.0133

0.0131

0.0129

0.0128

0.0126

23

0.0138

0.0136

0.0134

0.0132

0.0130

0.0128

0.0126

0.0124

24

0.0137

0.0134

0.0132

0.0130

0.0128

0.0126

0.0125

0.0123

25

0.0135

0.0133

0.0131

0.0129

0.0127

0.0125

0.0123

0.0122

26

0.0133

0.0131

0.0129

0.0127

0.0125

0.0124

0.0122

0.0120

27

0.0132

0.0130

0.0128

0.0126

0.0124

0.0122

0.0120

0.0119

28

0.0130

0.0128

0.0126

0.0124

0.0123

0.0121

0.0119

0.0117

29

0.0129

0.0127

0.0125

0.0123

0.0121

0.0120

0.0118

0.0116

30

0.0128

0.0126

0.0124

0.0122

0.0120

0.0118

0.0117

0.0115

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Tableau des résultats Projet :_______________________________

Provenance : _____________________________

Analysé par : ____________________________________

Date : ____________

Échantillonné par : ________________________________

Date : ____________

Type d’utilisation : _________________________ Hydromètre no : _152 H__

Description : ______________________________

Agent dispersant : _ __________________

Gs (solide) : __________

C h : _________

Concentration :____________

Ma : ________(g)

Ms : _________(g)

Facteur a (Tableau 2) : _________ Correction du ménisque (g/L) : _1.0___ TEMPS

DATE

DE LECTURE (min )

TEMPS ÉCOULÉ

(t)

TEMP o

( C)

LECTURE HYDRO.

(Ra )

LECTURE

HYDRO.

HYDRO.

CORRIGÉ

CORRIGÉ

MÉNISQUE

(Rc )

(R)

L TABLEAU

(3)

K L t

D

TABLEAU

(mm)

(4)

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Références

American Society for Testing and Materials (ASTM). 1980. Calibration of Laboratory Mechanical - Rammer Soil Compactors ASTM D 422, Philadelphia. Bowles, J. E. 1992. Enginneering properties of soils and their measurement. 4e édition, McGraw-Hill, New York. 427 pages. Bureau de normalisation du Québec (BNQ). 1987. Analyse granulométrique des sols inorganiques BNQ 2501-025. Ministère de l’industrie et du commerce. 23 pages. BNQ. 1982. Analyse granulométrique par tamisage BNQ 2560-040.

Ministère

de

l’industrie et du commerce. 13 pages. Windisch, E. J. 1999. CTN-405 Mécanique des sols. Essais de laboratoire. École de technologie supérieure. 108 pages.

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