, Volume 26, Issue 9, pp 505-516

Sur la contribution de la topologie du squelette granulaire à la résistance en compression du béton

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Abstract

La résistance en compression du béton durci dépend classiquement de la porosité de sa matrice, mais aussi d’autres facteurs plus mystérieux. On recherche dans cet article le paramètre secondaire principal influençant la résistance, lié à la topologie du squelette granulaire (i.e. à la forme géométrique et à l’arrangement spatial des grains). Quelques développements théoriques conduisent à mettre en lumière la cellule élémentaire autour de laquelle se jouerait la résistance du béton, cellule constitutée de l’empilement de deux gros grains, séparés par une pellicule de matrice. L’exploitation de la littérature permet alors de sélectionner la distance entre les deux grains de la cellule, appelée ‘épaisseur maximale de pâte’, comme meilleur paramètre secondaire. Pour les bétons à base de granulats roulés, la prise en compte quantitative de cette grandeur conduit à diviser par deux l’écart entre valeurs expérimentales de résistance et prédictions par la formule de Féret. Ainsi, tout en levant une controverse scientifique, on explique pourquoi, lorsqu’on formule un béton à hautes performances, la taille maximale du granulat à prendre le plus gros gravillon possible semble toujours valable, alors que pour des granulats roulés, une taille inférieure, de l’ordre de 10 à 12 mm, est sans doute préférable. Quelques tentatives d’explications microstructurales sont aussi présentées, sur le pourquoi de l’influence de ce paramètre secondaire.

Resume

It is well known that the compressive strength of mature concrete depends primarily on the porosity of the matrix. But other factors may also influence this property. The aim of this paper is to evaluate the main secondary parameter affecting concrete strength and related to the topology of the granular skeleton (i.e. size distribution, shape and spatial arrangement of grains).

A brief analysis of the compressive failure of concrete is presented, focusing on the basic cell of the phenomenon: a sandwich of two pieces of coarse aggregate, separated by a layer of paste. The thickness of this layer when the pieces of aggregate are of the maximum nominal size is called the ‘maximum paste thickness’ (MPT). For any concrete mix, a calculation of the MPT is proposed, using the aggregate proportion by volumeg, the packing density of the aggregateg * and the maximum size of aggregateD.g * is mainly governed by the grading span of the aggregate, and can be evaluated by using Caquot’s law.

The significance of the MPT as the secondary factor influencing the compressive strength of concrete is then evaluated by using five sets of data taken from the literature. By plotting the MPT against the ratio of actual strength to theoretical strength (predicted by Féret’s law), a fair correlation is found. The MPT incorporates two other parameters, namely the paste volume and the maximum size of aggregate, which are already known to influence the strength of concrete. When this new term is added to the original Féret’s law, the mean error of the prediction is halved. A further validation of the law shows that the influence of the MPT applies only to gravels and not to crushed limestone aggregates. This explains why conflicting results have been published on the optimal maximum aggregate size in high-strength concrete mix design (which appears to be, for rounded aggregates, below 20 mm).

Finally, microstructural considerations are presented in order to explain why, for certain mixes, the compressive strength decreases when the MPT increases. This finding sheds new light on the influence of aggregate segregation, wall effect and size of moulded specimens on the compressive strength of concrete.