Soutenance mémoire
Situation québécoise
Au Quebec le recyclage des matières résiduelles fait partie integrante des objectifs fixes par la politique quebecoise de gestion des matieres residuelles. La tache n’est cependant pas aisee. Selon les chiffres publies par Eco Entreprises Quebec (2015), en 2014 c’est pres de 200 000 tonnes de VPC qui ont ete generes au Quebec par le milieu residentiel, dont environ 43% (86 000 tonnes) ont ete acheminees a des fins de recyclages. Le reste des dechets de VPC s’en va dans des centres d’enfouissements. De plus, la fermeture en 2013 de l’usine de conditionnement Klareco situe dans le Vieux-Longueuil a plus que complique la tache, car cette usine traitait a elle seule pres de 80% du VPC genere au Quebec. Klareco etait egalement la seule entreprise en Amerique du Nord en mesure de transformer le VPC mixte issu de la collecte selective ; le VPC mixte etant le VPC contamine et de couleur non unie. Ce sont principalement les frais relies a la decontamination qui ont pousse l’entreprise a la fermeture. L’usine traitait 100 000 tonnes de VPC chaque annee. Depuis, les bouteilles et les pots en verre s’entassent dans les centres de tri de la province.
La fermeture de Klareco a egalement touche certaines entreprises qui recuperaient du VPC recycle. C’est le cas d’Owens-Illinois, une entreprise qui fabrique des contenants en VPC pour l’industrie des aliments, de la biere, du vin et des boissons non alcoolisees. Owens-Illinois possede 80 usines a travers le monde dont l’une d’elles se trouve a Montreal. Cette derniere se procurait plus de 65% de son VPC dans la province, mais depuis la fermeture de Klareco, elle se procure son VPC ailleurs, de l’Ontario ou du Nouveau-Brunswick par exemple, ou les contenants en VPC sont consignes. Au cours des 15 dernieres annees, le gouvernement du Quebec a investi plus de 34 millions de dollars afin de trouver une solution durable pour ameliorer et moderniser le systeme de collecte selective, tandis que les entreprises concernees par cette problematique encouragent des projets de recherche innovants visant a trouver une forme de valorisation au VPC mixte issu de la collecte selective.
Projets de recherche
En avril 2004, une chaire de recherche en valorisation du VPC mixte et colore est cree a l’Universite de Sherbrooke en partenariat avec la Societe des Alcools du Quebec (SAQ). Elle vise a etudier la faisabilite du recyclage de VPC dans le beton. D’autres travaux de recherche sont menes dans le but de trouver de nouveaux debouches pour le VPC. Il y a par exemple la possibilite technique de substituer, en tout ou en partie, le sable de silice par du VPC recycle dans la fabrication de silice precipitee. En decembre 2014, la Ville de Montreal a approuve un contrat de recherche de 80 000$ avec l’Universite de Montreal pour etudier les methodes d’inclusion du VPC dans les melanges de beton. Enfin, citons le projet-pilote de valorisation du VPC non conforme qui est utilise comme materiau de sous-fondation pour les infrastructures de l’ecocentre Michel-Ledoux a Sherbrooke. Le sujet de recherche presente dans ce memoire s’inscrit dans la meme dynamique que les travaux precedents et ne represente d’ailleurs qu’un axe de recherche parmi les nombreux travaux de maitrise et de doctorat qui sont en cours de realisation au LCMB et qui visent a valoriser le VPC dans les chaussees. Ils beneficient du soutien technique et financier de la Societe des Alcools du Quebec (SAQ), de la Ville de Montreal, d’Eco Entreprises Quebec (EEQ) et de Mitacs-Acceleration.
Deux volets principaux composent ce projet de recherche. Le premier volet concerne l’integration de VPC dans les materiaux bitumineux et s’interesse notamment a l’impact du VPC dans les enrobes bitumineux conventionnels ainsi que l’aspect rheologique et physique du VPC dans les enrobes bitumineux. Le deuxieme volet concerne les fondations granulaires et l’utilisation de VPC dans les materiaux de fondation ainsi que la modelisation du comportement d’une chaussee incluant du VPC.
Le Glasphalt
L’idee d’utiliser le VPC comme substitue d’agregat dans les enrobes bitumineux (EB) est nee en Amerique du Nord au debut des annees 70. C’est en 1989, aux Etats-Unis, que la resolution conjointe No. 301 a ete adoptee dans le but de mener une etude de faisabilite quant a l’incorporation de VPC dans les EB. L’etude impliqua la participation de trois etats – Connecticut, Virginie et Floride (Boutonnet et al. (2003)) Selon le rapport rendu par le Connecticut Departement of Transportation (Larsen (1989)), la mise en place de Glasphalt s’est faite avec succes dans 45 sites au travers des Etats-Unis et du Canada entre les annees 1969 et 1988. Cela dit, la majorite des sites d’implantation etaient des rues, des voies d’acces ou des places de stationnement, soient des lieux avec des volumes et vitesses de trafic relativement faibles. De plus, certains problemes sont apparus lors de l’ajout de VPC : mauvaise adhesion entre le VPC et le bitume ; perte d’adherence en particulier avec des particules grossieres ; bris des particules grossieres et l’augmentation du cout de production ($5/t de plus que de l’EB conventionnel). Le rapport en conclut que le Glasphalt ne devrait pas etre utilise comme couche de surface, mais eventuellement comme couche de base afin d’eviter les risques lies au ressuage et a une moins bonne adherence des pneus.
L’etude du Virginia Departement of Transportation (Hughes (1990)) est basee sur des essais en laboratoire et une analyse economique du Glasphalt. Deux dosages en VPC (5% et 15%) ont ete evalues sachant que la grosseur maximale (GM) des granulats de VPC etait de 9,5mm. Les resultats montrent que l’ajout de VPC tend a diminuer les vides du squelette granulaire (VMP) et la teneur en vides dans les specimens Marshall. En revanche, ajouter jusqu’a 15% de VPC n’affecte ni le module reversible ni la resistance a la rupture en tension du Glasphalt. D’un point de vue economique, l’ajout de VPC ne presente pas de gains importants, car le prix du VPC varie considerablement. Le Florida Departement of Transportation (Murphy et al. (1991)) a quant a lui effectuer son etude sur trois EB : un enrobe de reference avec des granulats d’une GM de 9,5 mm; un enrobe avec 15% de VPC (remplacant la fraction grossiere 9,5 mm – 2,06 mm) et un enrobe avec 15% de VPC (remplacant la fraction fine 2,06 mm – 75 μm). Les essais menes ont mis en evidence une diminution de 15 a 20% des performances lors de l’essai Marshall et une diminution de 20% de la resistance en flexion dans le cas de l’enrobe avec 15% de VPC filler. Murphy et al. (1991) en conclu alors que l’utilisation du VPC dans les EB ne semble pas apporter d’avantage economique surtout si les granulats naturels sont presents pres des stations d’enrobage.
Les Etats-Unis possedent a ce jour le plus grand nombre de specifications autorisant l’utilisation de VPC comme substitue granulaire dans les EB (ainsi que dans les couches granulaires). Depuis le debut de ce millenaire, d’autres pays tels que la Chine ou l’Australie ont entrepris de nouveaux travaux sur les performances du Glasphalt (Chen et al. (2006), XUN (2007), Zhang et al. (2011), Lu et al. (2011), Shaopeng Wu (2004), Forum (2008), Lolias et al. (2012)).
Le VPC dans les couches granulaires
La resistance mecanique des granulats de VPC est similaire a celle des granulats conventionnels utilises dans les couches granulaires (Arnold et al. (2008), Bernard (2014)). De ce fait, l’incor10 poration de particules de VPC dans les couches granulaires est envisageable et a fait preuve de quelques projets de recherches. En 1993, Dames & Moore Inc. a mene la premiere etude publique a ce sujet (Dames and Moores (1993)). Cette etude fut subventionnee par les etats du Minnesota, de New York, de California, d’Oregon, de Washington et par la Southwest Public Recycling Association dans le but d’evaluer la pertinence de l’utilisation du VPC dans les couches structurales des chaussees. Les aspects environnementaux, economiques, techniques et mecaniques ont tous ete abordes dans ce rapport. D’un point de vue mecanique, differents essais ont ete menes sur 2 classes de VPC correspondant chacune a une grosseur de particules differentes (retenu 19mm et retenu 6,35mm). Le programme experimental comprenait les essais suivants : poids specifique, densite relative, granulometrie, conductivite thermique, permeabilite, resistance au cisaillement direct, CBR (California Bearing Ratio), resistance (norme ASTM D2844) et module reversible.
Les proportions massiques de VPC analysees ont ete de 0%, 15%, 50% et 100%. Les resultats ont montre que pour les differentes dimensions de VPC etudies, les melanges a 15% et 50% de VPC donnent des valeurs de module reversible, de resistance a la fragmentation (essai Los Angeles) et de resistance (normes ASTM D2844) conforment aux exigences. Plus recemment, en 2012, le Northern Territory Government (Lolias et al. (2012)) a publie un rapport de recherche portant en partie sur le recyclage du VPC et son utilisation en genie civil. Traditionnellement le VPC ne fut pas consideree par les autorites routieres comme une alternative appropriee pour remplacer une partie des granulats naturels. Depuis quelque temps, les recherches et les initiatives pour incorporer le VPC dans les chaussees dans des pays tels que les Etats-Unis, la Nouvelle-Zelande ou Taiwan (Nan Su (2002)) montrent que le VPC est un bon materiau pour remplacer une partie des granulats et du sable present dans la structure routiere. D’apres le Federal Highway Administration (FHA, 2002), si le VPC est concasse et traite de la bonne facon, il peut alors avoir une permeabilite similaire a celle du sable grossier. Cela ouvre alors des possibilites quant a son utilisation dans les couches de base.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Le recyclage du VPC
1.1.1 Situation québécoise
1.1.2 Projets de recherche
1.2 Le verre postconsommation (VPC) dans les chaussées
1.2.1 Le Glasphalt
1.2.2 Le VPC dans les couches granulaires
1.2.3 Aspect thermique
1.2.3.1 L’intérêt des propriétés thermiques
1.2.3.2 Contribution thermique du VPC
1.3 Action du gel sur les chaussées
1.3.1 Contexte climatique
1.3.2 Dégradations liées au gel et dégel
1.3.3 Dimensionnement au gel des chaussées
1.3.4 Isolation de la chaussée
1.3.5 Formation des lentilles de glace
1.3.6 Vitesse de gonflement et de dégonflement
1.4 Transferts thermiques : quelques éléments fondamentaux
1.4.1 Modes de transferts thermiques
1.4.1.1 Rayonnement
1.4.1.2 Conduction
1.4.1.3 Convection
1.4.2 Propriétés thermiques
1.4.2.1 Conductivité thermique
1.4.2.2 Capacité thermique
1.4.2.3 Diffusivité thermique
1.4.3 Transfert de chaleur dans les milieux poreux
1.4.3.1 Effets de la porosité et de la composition minéralogique du milieu
1.4.3.2 Effet de l’eau
1.5 Mesure des propriétés thermiques
1.5.1 Méthodes en régime permanent
1.5.1.1 Méthode de la plaque chaude gardée
1.5.1.2 Méthode à flux radial
1.5.2 Méthodes en régime quasi-établi
1.5.2.1 Méthode de contact : la sonde thermique
1.5.2.2 Mesure de la diffusivité thermique
1.5.3 Choix des méthodes de mesures
1.6 Synthèse de la revue de littérature
CHAPITRE 2 OBJECTIF ET PROGRAMME EXPÉRIMENTAL
2.1 Problématiques et objectif de l’étude
2.2 Méthodologie
2.2.1 Phase I : programme expérimental
2.2.1.1 Granulométrie à l’étude
2.2.1.2 Influence de la nature minéralogique des mélanges
2.2.1.3 Influence de la granulométrie
2.2.1.4 Influence de la teneur en eau (wc)
2.2.1.5 Dispositifs expérimentaux
2.2.2 Phase II : modélisation numérique
2.2.2.1 Outils de modélisation
2.2.2.2 Étude paramétrique
2.3 Plan de travail
CHAPITRE 3 DESCRIPTION DES PROCÉDURES EXPÉRIMENTALES
3.1 Mélanges à l’étude
3.1.1 Source de granulats
3.1.1.1 Granulats de pierre calcaire
3.1.1.2 Granulats de VPC
3.1.2 Préparation des mélanges
3.1.3 Préparation de l’eau
3.2 Mesure de la conductivité thermique
3.2.1 Procédure
3.2.1.1 Équipements
3.2.1.2 Compactage
3.2.1.3 Hétérogénéité, dimensions finies, et paramètres d’essai
3.2.1.4 Mesure et acquisition
3.2.2 Calibration
3.2.3 Analyse des données
3.3 Mesure de la diffusivité thermique
3.3.1 Théorie
3.3.1.1 Méthode des différences finies
3.3.1.2 Résolution numérique de l’équation de la chaleur unidimensionnelle
3.3.2 Procédure
3.3.2.1 Dispositif expérimental
3.3.2.2 Compactage
3.3.3 Calibration
3.3.4 Analyse des résultats
3.3.4.1 Acquisition
3.3.4.2 Calcul d’α
CHAPITRE 4 PRÉSENTATION ET ANALYSE DES RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX
4.1 Essais préliminaires : densité des particules sèches des mélanges
4.2 Résultats des essais de conductivité thermique
4.2.1 Phase de calibration
4.2.2 Influence de la taille des granulats
4.2.2.1 Résultats sur la pierre calcaire
4.2.2.2 Résultats sur le VPC
4.2.3 Influence de la nature minéralogique
4.3 Résultats des essais de diffusivité thermique
4.3.1 Phase de calibration
4.3.2 Influence de la taille des granulats
4.3.2.1 Résultats sur la pierre calcaire
4.3.2.2 Résultats sur le VPC
4.3.3 Influence de la nature minéralogique
CHAPITRE 5 ÉTUDE PARAMÉTRIQUE PAR SIMULATIONS NUMÉRIQUES
5.1 Validation sur un cas simple
5.1.1 Caractéristiques de l’échange convectif
5.1.2 Solution analytique et résultats de la simulation numérique
5.2 Présentation des cas d’étude
5.2.1 Configurations considérées
5.2.2 Propriétés des matériaux
5.2.3 Conditions initiales, aux limites et températures de l’air
5.3 Résultats pour le cas Tconst air
5.3.1 Configuration de référence : cas #1 à l’état sec (S : θ = 0%) et partiellement saturé (PS : θ = 10%)
5.3.2 Incorporation de couches de VPC (θ = 0%)
5.3.3 Incorporation de couches de VPC (θ = 10%)
5.4 Résultats pour le cas Tsin air
5.4.1 Configuration de référence
5.4.2 Incorporation de couches de VPC (θ = 0%)
5.4.3 Incorporation de couches de VPC (θ = 10%)
CHAPITRE 6 SYNTHÈSE ET ANALYSE
6.1 Synthèse des essais de conductivité thermique
6.1.1 Effet de la porosité à l’état sec (θ = 0%)
6.1.2 Effet de la teneur en eau
6.1.3 Effet de la teneur en VPC
6.2 Synthèse des essais de diffusivité thermique
6.2.1 Effet de la teneur en eau
6.2.2 Effet de la teneur en VPC
6.3 Modélisation numérique
6.3.1 Impact de la teneur en eau
6.3.2 Impact de l’épaisseur et de la position de la couche de VPC
CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS
ANNEXE I EXEMPLE DE PRÉPARATION DES MÉLANGES
ANNEXE II PROCÉDURE POUR LA PRÉPARATION DU MÉLANGE EAU/AGAR-AGAR
ANNEXE III THÉORIE DE LA SONDE THERMIQUE
ANNEXE IV MONTAGE DE LA SONDE THERMIQUE
ANNEXE V EXEMPLE DE CODE FLAC
ANNEXE VI RÉSULTATS DES SIMULATIONS NUMÉRIQUES
BIBLIOGRAPHIE
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