Le recyclage du verre

Le recyclage du verre

Le verre est principalement composé de trois éléments de base, soit l’oxyde de sodium (Na2O), l’oxyde de calcium (CaO) et le dioxyde de silicium (SiO2) ou communément appelé silice (Pajean, 2007). Ces trois éléments représentent 95 % de la composition chimique totale des éléments utilisés dans la fabrication de verre. La proportion restante est comblée par des additifs comme l’oxyde d’aluminium ou bien le plomb et dont le choix varie en fonction de l’utilisation prévue du verre. Globalement, il existe quatre types de verres utilisés dans la fabrication de produits. Ces différents types de verre sont présentés dans le Tableau 1.1. La variation de la composition chimique des différents types de verre est problématique au niveau du recyclage et pour cette raison, il est important de procéder à un tri avant de les recycler. À noter que seul le verre de type creux peut-être recueilli au moyen de la collecte sélective municipale.

Une fois acheminé au centre de tri, le verre creux est classé en quatre sous-catégories selon la couleur : brun, vert, incolore, mixte. Il arrive souvent que les contenants de verre creux se brisent durant le transport vers les centres de tri. Ainsi, les particules brisées se mélangent et il est impossible de classer ce verre brisé en fonction de la couleur avec les procédés de tri actuels. Ces particules sont définies comme étant du verre de post-consommation de couleur mixte tel qu’illustré à la Figure 1.1 et représentent plus de 59 % de la quantité totale de verre récupéré au Québec par les divers moyens de collecte (Gagné, 2010). La réutilisation de verre de post-consommation permet de réduire jusqu’à 32% la consommation d’énergie nécessaire à la fabrication de nouveaux produits et par le fait même, la production de gaz à effet de serre (Gagné, 2010). Le verre mixte est jugé non conforme pour la réutilisation, ce qui veut dire qu’il ne peut pas être utilisé pour la fabrication de nouveaux produits. En effet, si l’on mélange différents types de verre, la qualité du nouveau produit n’est pas assurée (Gagné, 2010).

Le prix du verre post-consommation varie beaucoup en fonction du type de verre. Selon Recyc-Québec (2013a), les recycleurs paient en moyenne 33$ pour une tonne de verre incolore, 15$ pour le verre brun-vert et facturent des frais de 12$ par tonne pour le verre mixte. Les centres de tri doivent ainsi payer les entreprises qui recyclent le verre pour se départir du verre mixte. Le verre mixte représente donc une nuisance pour la rentabilité des centres de tri et par le fait même une aubaine pour les entreprises recycleurs. Le Tableau 1.2 présente les diverses utilisations possibles pour le verre post-consommation. De plus, on y retrouve le potentiel de valeur ajoutée au principe des 3RV (Réduction à la source, Réemploi, Recyclage et Valorisation), le stade de développement du/des projets (en date de 2006) ainsi que la quantité de verre récupéré nécessaire à chacune des utilisations.

La structure d’une chaussée bitumineuse

Le rôle d’une chaussée est de rendre la circulation confortable et sécuritaire pour les usagers. La structure d’une chaussée est composée de plusieurs matériaux où chacun a un rôle à jouer (Figure 1.3). Figure 1.3 Coupe type d’une structure de chaussée Adaptée du dessin normalisé 01 (Ministère des Transports du Québec, à jour au 30 janvier 2013)  . La structure d’une chaussée permet au sol d’infrastructure de résister aux contraintes induites par le passage des véhicules. L’assise de la chaussée comprend deux éléments, soit la sousfondation et la fondation. Généralement composés de matériaux granulaires, leurs rôles est de protéger le sol support de la pénétration du gel et de répartir les pressions sur le sol afin d’éviter l’apparition de déformations permanentes (Di Benedetto et Corté, 2005). Le revêtement d’une chaussée peut être composé d’une ou de plusieurs couches. La qualité d’une chaussée est fortement tributaire de la qualité du revêtement utilisé malgré le fait que son rôle structurel soit secondaire. Le choix du type de revêtement doit être faits selon plusieurs caractéristiques qu’il est possible de regrouper sous quatre catégories :

1) Sécurité et confort aux usagers,

2) Maintien de l’intégrité de la structure,

3) Impact sur l’environnement ambiant par rapport à l’émission de bruit,

4) Possibilités de régénération des caractéristiques de surfaces (Faure, 1998).

La majorité des chaussées au Québec sont construites avec un revêtement de type enrobé bitumineux constitué d’une ou plusieurs couches. Dans les systèmes multicouches, on retrouve généralement une couche de surface installée sur une couche de base. Dans certains cas, on retrouve en plus une couche de liaison qui est installée entre la couche de surface et la couche de base. Sur le réseau routier géré par le ministère des Transports du Québec (MTQ), la proportion de chaussées revêtues avec revêtement en enrobé bitumineux est de 96 % (Ministère des Transports du Québec, 2012). Les revêtements d’enrobés bitumineux sont les plus utilisés puisqu’ils possèdent de multiples qualités : 1) recyclable à 100 %, 2) rapidité de construction, 3) alternative économique par rapport aux chaussées de béton, 4) environnement silencieux (Bitume Québec, 2008).

Viscoélasticité linéaire Le concept de module complexe d’un EB vise à quantifier la rigidité de ce matériau. Le principe consiste à mesurer les contraintes engendrées dans une éprouvette d’EB soumise à un déplacement cyclique à fréquence et température variables. Les mesures sont réalisées dans le domaine des petites déformations afin de caractériser le comportement viscoélastique linéaire du matériau (Di Benedetto et Corté, 2005). Les EB sont des matériaux possédant un comportement TM viscoélastique. Lorsque les charges sont appliquées très rapidement, l’EB présente un comportement fortement élastique, tandis que lorsque les charges sont appliquées lentement, l’EB présente un comportement fortement visqueux (Di Benedetto et Corté, 2005).

De plus, la température est aussi un paramètre qui modifie le comportement de l’EB. On dit ainsi que l’EB est thermosensible. À basse température, l’EB présente une rigidité élevée tandis qu’à haute température, l’EB présente une rigidité faible (Di Benedetto et Corté, 2005). Pour un matériau viscoélastique, la réponse à une sollicitation de type sinusoïdale est aussi de type sinusoïdale mais accuse un retard que l’on nomme déphasage (Di Benedetto et Corté, 2005). Pour les EB, la mesure de la rigidité avec un chargement de type sinusoïdal analysé selon la fréquence et la température est définie comme étant le module complexe (Di Benedetto et Corté, 2005). Le module complexe d’un EB se caractérise par la norme du module complexe, ainsi que l’angle de phase (Carter et Perraton, 2002). Le module complexe (E*) peut être décomposé à fin d’analyse. La norme du module complexe (|E*|) correspond au rapport entre l’amplitude de contrainte sinusoïdale et l’amplitude de déformation sinusoïdale (1.1). La norme du module complexe est aussi appelée module dynamique. Par ailleurs, étant donné le comportement viscoélastique des EB, la réponse du matériau sous sollicitation est caractérisée par un angle de phase (φ). L’angle de phase (ϕ) varie entre 0° pour un matériau purement élastique et 90° pour un matériau purement visqueux (Carter et Perraton, 2002).

Principe d’équivalence temps-température (PETT)

Le module complexe d’un EB s’exprime toujours en fonction de la température et de la fréquence d’essai, sans quoi la valeur de module n’a aucune signification (Carter et Perraton, 2002). Pour un EB, on remarque à l’examen des courbes isothermes (Figure 1.10) qu’une même valeur de module peut être obtenue pour un autre couple de température-fréquence (Baaj, 2002). De plus, lorsque les points expérimentaux permettent de définir une courbe unique dans le plan Cole-Cole (Figure 1.11) et l’espace de Black (Figure 1.12), on dit que le matériau obéit au principe d’équivalence temps-température (PETT) (Di Benedetto et Corté, 2005). Ce principe d’équivalence permet d’énoncer qu’une augmentation de la fréquence de sollicitation a un effet équivalent à une baisse de la température (Carter et Perraton, 2002). Lorsqu’un enrobé bitumineux respecte le principe le PETT, il est possible de construire une courbe unique (log |E*|, log Fr-eq) pour une température de référence choisie et ainsi d’obtenir des valeurs de module pour des fréquences inaccessibles par l’expérimentation (Di Benedetto et Corté, 2005). Pour les matériaux qui obéissent au PETT, le module complexe peut être exprimé en fonction d’une seule variable soit : E*(ω, T°) = E*(ω·f(T°)) = E*(ω·aT, T°ref) où aT est la fonction de translation qui peut être décrite avec la loi de WLF présenté à l’équation (1.3) (William, Lander et Ferry, 1955). La courbe maîtresse est obtenue en effectuant une translation parallèle à l’axe des fréquences de chaque isotherme par rapport à l’isotherme correspondant à la température de référence Tref telle qu’illustrée à la Figure 1.14.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Le recyclage du verre
1.1.1 Disponibilité du verre de post-consommation à l’échelle du Québec
1.1.2 Efficacité du processus de recyclage du verre de post-consommation pour la fabrication de nouveaux produits
1.1.3 Problématique environnementale liée au recyclage du verre de postconsommation
1.2 La structure d’une chaussée bitumineuse
1.2.1 Type de sollicitations d’une chaussée bitumineuse
1.2.1.1 Effet du trafic
1.2.1.2 Effet de la température
1.3 Principaux constituants des enrobés bitumineux
1.3.1 Granulats
1.3.1.1 Porosité d’un granulat
1.3.1.2 Nature pétrographique des particules de granulats
1.3.1.3 Caractéristiques géométriques des granulats
1.3.1.4 Vérifications des performances des granulats
1.3.2 Liant bitumineux
1.3.2.1 Composition chimique du bitume
1.3.2.2 Structuration du bitume
1.3.2.3 Classification des bitumes
1.3.2.4 Rhéologie du bitume
1.3.3 Utilisation de matériaux post-consommation comme constituant dans les enrobés
1.4 Description des enrobés bitumineux (EB)
1.4.1 Différents types d’enrobés bitumineux
1.4.2 Principe de la formulation des enrobés bitumineux
1.4.3 Méthode de formulation du Laboratoire des Chaussées (LC)
1.4.3.1 Les vides interstitiels (Vi)
1.4.3.2 Le volume de granulat brut (Vgb) vs volume de granulat effectif (Vge)
1.4.3.3 Les vides intergranulaires (VAM) et les vides comblés par le bitume (VCB
1.4.3.4 Le volume de bitume effectif (Vbe)
1.4.3.5 Le volume de bitume absorbé (Vba)
1.5 Comportement des enrobés bitumineux dans les structures routières
1.5.1 Viscoélasticité linéaire
1.5.1.1 Méthodes d’essai pour la mesure du module complexe
1.5.1.2 Représentation graphique des résultats de module complexe
1.5.1.3 Modélisation du module complexe
1.5.1.4 Principe d’équivalence temps-température (PETT)
1.5.1.5 Paramètres influençant le module complexe
1.5.2 Déformation permanente dans les chaussées bitumineuses
1.5.3 Fissuration à basse température
1.5.4 Phénomène de fatigue
1.5.4.1 Type d’essai
1.5.4.2 Méthodes d’analyse d’un essai de fatigue
1.5.4.3 Représentation graphique
1.5.4.4 Paramètres influençant la résistance à la fatigue
1.6 Utilisation du verre de post-consommation dans les enrobés bitumineux
1.6.1 Historique de l’utilisation du verre de post-consommation dans les enrobés bitumineux
1.6.2 Formulation des enrobés bitumineux avec verre post-consommation
1.6.3 Dosage et caractéristiques physiques des particules de verre postconsommation utilisés dans les enrobés bitumineux
1.6.4 Impact du verre sur les performances et caractéristiques des enrobés bitumineux
1.6.4.1 Caractéristiques thermiques
1.6.4.2 Stabilité Marshall
1.6.4.3 Résistance aux déformations permanentes
1.6.4.4 Rigidité
1.6.4.5 Teneur en vides
1.6.4.6 Sensibilité au dommage dû à l’eau
1.6.4.7 Résistance à la fatigue
CHAPITRE 2 PROGRAMME EXPÉRIMENTAL
2.1 Programme de recherche
2.1.1 Phase I : Étude de l’effet du dosage en verre
2.1.2 Phase II : Sélection du dosage optimal en particules de verre postconsommation
2.1.3 Phase III : Évaluation et comparaison des performances, des caractéristiques physiques et de la durabilité
CHAPITRE 3 MATÉRIAUX UTILISÉS, FORMULATION DES ENROBÉS, PRÉPARATION DES ÉPROUVETTES ET MÉTHODES D’ESSAIS
3.1 Description des matériaux utilisés
3.1.1 Caractéristiques des granulats utilisés
3.1.1 Caractéristiques des particules de verre utilisées
3.1.2 Description du bitume utilisé
3.2 Description des enrobés confectionnés
3.2.1 Exigences granulométriques de l’enrobé ESG-14
3.2.2 Dosage des enrobés bitumineux avec particules de verre de postconsommation
3.3 Confection des enrobés en laboratoire
3.3.1 Malaxage des enrobés
3.3.2 Fabrication des éprouvettes
3.3.2.1 Éprouvettes pour l’essai de résistance à l’orniérage
3.3.2.2 Éprouvettes pour les essais thermomécaniques (TM)
3.3.2.3 Éprouvettes pour la mesure de la tenue à l’eau
3.4 Description et procédure des différents essais réalisés
3.4.1 Formulation
3.4.1.1 Essai de détermination de la densité maximale
3.4.1.2 Aptitude au compactage à la presse à cisaillement giratoire
3.4.2 Essais thermomécaniques (TM)
3.4.2.1 Résistance à l’orniérage
3.4.2.2 Résistance à la fissuration thermique : retrait thermique empêché
3.4.2.3 Détermination du module complexe
3.4.2.4 Résistance à la fatigue
3.4.3 Essai de mesure des caractéristiques physiques
3.4.3.1 Évaluation de la macro texture par hauteur de sable
3.4.3.2 Mesure de l’adhérence au pendule SRT
3.4.4 Essai de durabilité
3.4.4.1 Tenue à l’eau
CHAPITRE 4 PRÉSENTATION ET DISCUSSION DES RÉSULTATS
4.1 Sommaire des essais réalisés
4.2 Phase I – étude du dosage en verre
4.2.1 Caractéristiques volumétriques
4.2.2 Évaluation de l’aptitude au compactage à la presse à cisaillement giratoire
4.2.3 Résistance à l’orniérage
4.3 Phase II – sélection du dosage optimal en particules de verre post-consommation
4.4 Phase III – évaluation des performances
4.4.1 Essai de résistance au retrait thermique empêché
4.4.2 Essai de détermination du module complexe
4.4.2.1 Courbes isothermes de l’éprouvette ESG-14R-P2B3X
4.4.2.2 Évolution du module complexe de l’éprouvette ESG-14RP2B3X dans le plan Cole-Cole et dans l’espace de Black
4.4.2.3 Courbe maîtresse à 10°C et variation des facteurs de translation de l’éprouvette ESG-14R-P2B3X
4.4.2.4 Paramètres 2S2P1D
4.4.3 Essai de résistance à la fissuration par fatigue
4.4.3.1 Évolution de la température
4.4.3.2 Évolution de la norme du module complexe
4.4.3.3 Évolution de l’angle de phase
4.4.3.4 Indice de qualité des signaux
4.4.3.5 Évolution de la déformation
4.4.3.6 Évolution de l’amplitude de contrainte
4.4.3.7 Évolution du centre de contrainte
4.4.3.8 Évolution du centre de déformation
4.4.3.9 Évolution de l’énergie dissipée
4.4.4 Évaluation des caractéristiques physiques
4.4.4.1 Évaluation de la macro texture par hauteur de sable
4.4.4.2 Mesure de l’adhérence au pendule SRT
4.4.5 Évaluation de la durabilité
4.5 Sommaire des résultats des essais réalisés
CHAPITRE 5 ANALYSE DES RÉSULTATS
5.1 Essai de retrait thermique empêché (TSRST)
5.2 Essai de détermination du module complexe
5.2.1 Écart des essais de module complexe dans un domaine fréquentiel équivalent
5.2.2 Analyse des courbes dans le plan Cole-Cole
5.2.3 Analyse des courbes maîtresses
5.3 Essai de résistance à la fatigue
5.3.1 Analyse des résultats des essais de fatigue
5.3.2 Endommagement lors des essais de résistance à la fatigue
5.3.3 Critères de rupture de fatigue
5.3.3.1 Critère de rupture classique (Nf50%)
5.3.3.2 Critère de transition entre les phases II et III (NfII/III)
5.3.4 Relation entre les durées de vie et les amplitudes de déformation : droites de fatigue selon la loi de Wöhler
CONCLUSION
ANNEXE I FORMULE DE L’ENROBÉ DE RÉFÉRENCE ESG14
ANNEXE II FORMULE DE L’ENROBÉ ESG-14V-10-B
ANNEXE III ATTESTATION DE CONFORMITÉ DU BITUME
ANNEXE IV COURBE GRANULOMÉTRIQUE DES DIFFÉRENTS CONSTITUANTS
ANNEXE V RÉSULTATS DES ESSAIS DE MODULE COMPLEXE
ANNEXE VI RÉSULTATS DES ESSAIS DE FATIGUE
BIBLIOGRAPHIE

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