Soutenance mémoire
Les bétons de granulats recyclés
Propriétés du béton à l’état frais
Plusieurs recherches ont montré que pour une teneur en eau identique, l’ouvrabilité d’un béton recyclé sera inférieure à celle d’un béton standard, et ceci plus particulièrement quand le pourcentage de remplacement de granulats excède 50% [Topç 2004] [Seng 2004]. Cette différence est très certainement due à la plus grande porosité des granulats recyclés par rapport aux granulats naturels. Afin de pallier ce problème, différentes études ont été réalisées en faisant varier les conditions de préparation des granulats, et il en est ressorti qu’un ajout d’eau correspondant à l’absorption d’eau des granulats testés améliore significativement l’ouvrabilité du béton frais [Rao 2005]. L’eau peut être ajoutée de différentes manières, soit en pré saturant les granulats préalablement au malaxage, soit en compensant en ajoutant directement l’eau d’absorption dans l’eau de gâchage [Ferr 2011] [Zhao 2014]. De la même manière, la quantité d’air occlus est légèrement supérieure (de 4 à 5%) dans le cas des bétons recyclés avec un taux de remplacement de 100%. La masse volumique du béton frais naturel est connue pour être aux alentours de 2400kg.m-3 . Dans le cas des bétons formulés à partir de granulats recyclés, la valeur est clairement inferieure (aux alentours de 2150kg.m-3 ) et ce quel que soit le type de ciment utilisé. [Topç 1995] [Katz 2003] .
Propriétés du béton à l’état durci
Zone de transition interfaciale
Il n’est pas tout à fait exact de considérer le matériau béton comme étant un composite à deux phases : granulat et matrice cimentaire. En réalité, la pâte de ciment n’est pas complètement homogène et sa microstructure est modifiée à proximité des granulats. Cette zone est généralement appelée « zone de transition interfaciale » ou ITZ (Interfacial Transition Zone). Pendant le coulage du béton, la concentration volumique en grains anhydres s’appauvrit quand on se rapproche du granulat, par conséquent dans le béton frais la porosité et le rapport E/C augmentent de la matrice vers la surface des granulats. Cette perturbation, qui est plus significative sur quelques dizaines de microns autour de la surface du granulat entraine un certain nombre de perturbations :
– Le relativement large espace laissé vacant à proximité de la surface du granulat combiné à la mobilité des ions résultant des composés anhydres, conduit, pendant l’hydratation, à une cristallisation préférentielle des hydrates correspondants aux ions les plus mobiles (Ca, Na, S): ettringite et portlandite.
– Un rapport E/C localement plus élevé induit moins de sites de nucléation, moins de germes et des cristaux plus gros, mieux formés et préférentiellement orientés.
– Finalement, comme les pores à remplir sont plus larges, la porosité, à tout âge, sera supérieure au reste de la matrice.
La conséquence principale de cette variation de microstructure est une résistance mécanique localement inferieure au reste de la matrice. Quand les granulats sont solubles dans la solution interstitielle en superficie, les ions provenant des granulats (en plus grande concentration dans la zone de transition) peuvent se combiner avec les ions mobiles provenant des grains de ciment. [Olli 1995] Ce phénomène de zone de transition et l’influence qu’il peut avoir sur les performances mécaniques du béton semblent, d’après Diamond [Diam 2001], concerner plus particulièrement les bétons à hautes performances. Dans le cas des bétons fabriqués à partir de granulats recyclés, il a été montré dans différentes études que la présence d’ancien mortier autour des granulats améliore significativement les performances mécaniques de la zone de transition. En effet, on observe une bonne interaction entre l’ancien et le nouveau mortier et également une bonne résistance à l’abrasion [Kou 2011] [Evan 2007].
Propriétés de transfert (perméabilité / porosité)
Du fait de la présence de mortier attaché aux granulats, la structure des bétons recyclés est globalement plus poreuse qu’un béton naturel, et cela est d’autant plus vrai que le taux de remplacement est important [Evan 2007] [Gome 2002] [Topç 2004] [Rao 1996] [Queb 1996] [Hadj 1998] avec une diminution de la densité totale du matériau de l’ordre de 5 à 10% pour une substitution à 100% des gravillons naturels par des granulats recyclés. Les valeurs de porosité obtenues dans la littérature vont de 14% à 20,1%. Cependant il a été observé une diminution de porosité significative une fois que le béton a maturé quelques temps. En effet, Gomez-Soberon [Gome 2002] a montré que le taux de remplacement des granulats est directement corrélé au volume de pores total et à leurs tailles, mais que si cette influence est tout à fait vérifiée au jeune âge du béton, elle s’atténue à mesure que le béton vieillit. Ceci semble dû à la cristallisation de nouveaux produits qui réduisent à la fois le nombre et la taille des pores. Il a été largement prouvé que les bétons fabriqués à partir de granulats recyclés sont nettement plus perméables que les bétons classiques, cela dit, il faut tout de même noter que cette perméabilité peut facilement être réduite en utilisant des fines (cendres volantes, fillers, fumée de silice… etc).
Propriétés mécaniques
Résistance à la compression
De manière générale, il a été souvent constaté [Butl 2013] [Duan 2014] [Paul 2014] que les bétons formulés à partir de granulats recyclés présentent des résistances à la compression inferieures aux bétons standards. Et cette diminution de performance varie fortement selon un certain nombre de paramètres, tels que le taux de remplacement de granulats, les conditions de préparation des granulats (saturés ou non), la qualité du béton parent, ou encore le rapport eau/ciment (E/C). Il est cependant important de noter que l’inverse a aussi été observé, avec des augmentations de performances mécaniques de l’ordre de 10 à 13% pour les bétons recyclés par rapport aux bétons naturels [Wang 2010] [Etxe 2007].
Il a été montré par exemple qu’à E/C élevé (entre 0,6 et 0,75), la résistance d’un béton recyclé est comparable à celle d’un béton standard jusqu’à un taux de remplacement aussi important que 75%. [Katz 2003]. Rao et al. [Rao 2005] ont également constaté que pourvu que le rapport E/C soit supérieur ou égal à 0.55, les résistances des bétons recyclés étaient comparables à celles des bétons standards même au taux de remplacement de 100%. Cette tendance est liée au fait qu’à rapport E/C élevé, la résistance en compression est liée à la qualité de la pâte et de l’interface pâte-granulats, moins résistantes que les granulats. En revanche, avec un rapport E/C réduit à 0.4, la valeur de la résistance chute de 25%. Le peu d’études réalisées jusqu’à présent cherchant à relier la résistance en compression aux conditions de préparation des granulats (séchés en étuve, séchés à l’air, imbibés surface sèche…) n’ont pas donné de résultats très concluants [Poon 2004] [Rao 2005]. De manière générale, on peut dire que plus le rapport granulats recyclés/granulats naturels augmente, plus la résistance à la compression diminue, mais qu’en ajustant ce ratio, on parvient toujours à atteindre les résistances requises. [Evan 2007] [Gome 2002] [Topç 2004] [Rao 1996] [Queb 1996]. De Brito a également constaté que la qualité du granulat recyclé joue un rôle très important dans la résistance en compression du béton dans lequel il est incorporé .
De plus, il est extrêmement important de noter que si, à 28jours, le béton naturel présente clairement une meilleure résistance à la compression, sur le long terme en revanche (un an), le béton recyclé présente le meilleur gain de performance, et peut aller jusqu’à dépasser le béton standard sur le très long terme (5 ans) [Kou 2011] [Evan 2007].
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1. Etude bibliographique
1. Contexte général
1.1 Introduction
1.2 Contexte Européen
1.3 Situation en France
1.3.1 Réutilisation
1.3.2 Aspect économique
1.3.3 Législation
1.4 Perspectives / avenir
2. Les granulats recyclés
2.1 Production des granulats
2.2 Principaux paramètres influant sur les caractéristiques des granulats recyclés
3. Les bétons de granulats recyclés
3.1 Propriétés du béton à l’état frais
3.2 Propriétés du béton à l’état durci
3.2.3 Zone de transition interfaciale
3.2.2 Propriétés de transfert (perméabilité / porosité)
3.2.3 Propriétés mécaniques
2.2.1.1 Résistance à la compression
3.2.3.2 Résistance à la traction par flexion et par fendage
3.2.3.3 Module d’élasticité
4. Evolution du comportement du béton avec la température
4.1 Modification de la microstructure de la pâte de ciment
4.1.1 Transformations physico-chimiques de la pâte de ciment durcie
4.1.2 Evolution de la perte de masse
4.1.3 Evolution de la porosité avec la température
4.2 Incompatibilité de déformation pâte – granulats
4.2.1 Déformation thermique des granulats
4.2.2 Fissuration de l’interface pâte – granulat
4.3 Evolution des propriétés thermiques avec la température
4.3.1 Conductivité thermique du béton
4.3.2 Chaleur spécifique du béton
4.4 Evolution des propriétés mécaniques avec la température
4.4.1 Résistance à la rupture en compression
4.4.2 Résistance à la rupture en traction par fendage
4.4.3 Module d’Young
4.5 Eclatement des bétons sous sollicitation thermique
4.5.1 Les différents types d’instabilités thermiques
4.5.1.1 L’aspect thermo-hydrique
2.2.1.1 L’aspect thermomécanique
5. Problématique du béton recyclé à haute température
5.1 Etat de l’art et remarques sur les protocoles expérimentaux
5.2 Instabilités thermiques observées après chauffage de bétons de granulats recyclés
5.3 Comportement thermique et propriétés thermiques des bétons recyclés
5.4 Comportement mécanique résiduel des bétons de granulats recyclés
5.4.1 Résistance résiduelle en compression
5.4.2 Résistance résiduelle en traction
5.4.3 Module d’élasticité résiduel
6. Conclusion de l’étude bibliographique
Références bibliographiques
Chapitre 2. Caractérisation de granulats recyclés
1. Introduction
2. Evaluation des méthodes de mesure des propriétés physiques des granulats recyclés – Etude réalisée dans le cadre du Projet National Recybeton
2.1 Problématique – objectifs de l’étude
2.2 Démarche expérimentale
2.3 Essais sur gravillons
2.3.1 Masse volumique réelle, norme EN 1097-6
2.3.2 Coefficient d’absorption à 24 H
2.3.3 Répétabilité hétérogénéité du lot
2.4 Essais sur sable recyclé
2.4.1 Séchage jusqu’à l’état saturé surface sèche selon la norme EN 1097-6
2.4.2 Séchage jusqu’à l’état saturé surface sèche sur dispositif Büchner
2.4.3 Comparaison des deux méthodes de séchage de sable
2.4.4 Comparaison des résultats avec et sans fines (méthode Büchner)
2.5 Cinétique d’absorption
2.5.1 Description des protocoles expérimentaux
2.5.1.1 Méthode norme EN 1097-6 (granulats naturels)
2.5.1.2 Méthode norme EN 1097-6 (granulats légers)
2.5.2 Cinétique d’absorption d’eau sur gravillons
2.5.2.1 Résultat de la cinétique à court terme
2.2.1.1 Résultat de la cinétique à long terme
2.5.3 Cinétique d’absorption d’eau du sable recyclé
2.6 Etude de l’ouvrabilité des mortiers
2.6.1 Méthode 1 – immersion 24 H
2.6.2 Méthode 2 – ajout de la quantité d’eau d’absorption
2.7 Conclusion sur l’évaluation des méthodes de caractérisation des propriétés physiques
3. Origine des granulats
3.1 Les granulats recyclés de laboratoire (GRL)
3.2 Les granulats recyclés industriels (GRI)
3.3 Les granulats naturels de référence (GSC)
4. Caractérisation physique des granulats
4.1 Granulométrie
4.2 Détermination de la quantité de mortier attaché aux granulats d’origine
4.3 Masse volumique, coefficient d’absorption d’eau et porosité
4.3.1 Mesure de la masse volumique et du coefficient d’absorption d’eau des granulats recyclés
4.3.2 Mesure de la porosité à l’eau sous vide des granulats recyclés
5. Caractéristiques pétrographique et minéralogique des granulats recyclés
5.1 Pétrographie des granulats recyclés par microscopie optique à lumière polarisée
5.2 Analyse cristallographie par diffraction des rayons X
5.3 Analyse thermogravimétrique (ATG) et thermo-différentielle (ATD) des granulats
6. Conclusion
Références bibliographiques
Chapitre 3. Influence des granulats recyclés sur les propriétés physiques et mécaniques de bétons ordinaires et à hautes-performances
1. Introduction
2. Préparation et conditionnement des bétons
2.1 Formulations et composition des bétons
2.1.1 Le ciment
2.1.2 Le superplastifiant
2.1.3 L’eau
2.1.4 Les granulats
2.1.5 Formulation
2.2 Procédure de fabrication
2.2.1 Influence de l’état de pré-saturation des granulats recyclés sur la rhéologie du béton à l’état frais
2.2.1.1 Méthode 1 – Ajout de la quantité exacte d’eau d’absorption
2.2.1.2 Méthode 2 – Immersion pendant 24h
2.2.1.3 Résultats – Valeurs d’ouvrabilité obtenues
2.2.2 Mise en œuvre
2.2.3 Propriétés du béton à l’état frais
2.3 Conditionnement
3. Méthodologie expérimentale
3.1 Observation de l’interface « pâte-granulats » par microscopie
3.1.1 Microscopie électronique à balayage
3.2 Propriétés physiques
3.3 Mesure des propriétés thermiques
3.4 Mesure des propriétés mécaniques
3.4.1 Essai de résistance à la rupture en compression uni-axiale
3.4.2 Essais de résistance à la rupture en traction par fendage
3.4.3 Mesure du module d’élasticité dynamique
4. Résultats expérimentaux et discussion
4.1 Zone de transition interfaciale
4.2 Propriétés physiques
4.2.1 Masse volumique des bétons
4.2.2 Porosité accessible à l’eau des bétons
4.3 Propriétés thermiques
4.4 Propriétés mécaniques
4.4.1 Résultats des mesures
4.4.2 Comparaison du béton de granulat recyclé de laboratoire et son béton parent
4.4.3 Comparaison entre le BRL et le BSC à matrice hautes performances
4.4.4 Comparaison entre les deux types de béton recyclé, BRL et BRI
5. Conclusion
Références bibliographiques
Conclusion générale
