Recyclage des granulats de béton

Recyclage des granulats de béton

Les granulats représentent un constituant majeur pour la fabrication du béton. Ils sont généralement définis comme étant des fragments de roches. Leurs natures et leurs formes diffèrent selon leur provenance et leur mode de fabrication. Les granulats représentent un des matériaux le plus utilisé par l’homme avec une consommation moyenne d’environ 6,8 tonnes par habitant et par an. Cette consommation se classe de loin devant celle du pétrole (1,5t/hab./an), le bois (0,8t/hab./an) ou encore le charbon (0,7t/hab./an) [2].

Selon une étude de l’UNICEM [3], la production annuelle de granulats en France a connu une croissance constante jusqu’à l’année 2007, avant de chuter de 26% pour atteindre une production de 330 millions de tonnes par an en 2016 (figure 1-1). Cette chute de production des granulats naturels est due en partie à la législation environnementale qui est de plus en plus contraignante pour limiter l’impact de cette production sur l’environnement .

Les déchets de démolition peuvent être considérés comme une ressource supplémentaire pour diminuer l’utilisation des ressources naturelles. En 2016, 204 millions de tonnes de granulats recyclés ont été produits en Europe [4]. L’Allemagne, la France, la Belgique, les Pays Bas et le Royaume Uni produisent à eux seuls 90% de la totalité des granulats recyclés en Europe. L’intérêt de la réutilisation des granulats recyclés est double. En premier lieu, elle permet d’éviter le stockage des déchets d’une manière sauvage, mais surtout de sauvegarder les ressources en granulats naturels. Pour augmenter le taux de recyclage des déchets de démolition, la directive Européenne 2008/98/EC a fixé comme objectif le recyclage au minimum de 70% des déchets de construction et de démolition à l’année 2020 [5]. En Europe, il n’y a que 50% de ces déchets qui sont valorisés [6]. L’Allemagne, le Danemark et les Pays Bas présentent le taux de recyclage le plus élevé (près de 90%). En Belgique, le taux de recyclage est de 80%, alors qu’en France il est de 60%  .

En Asie, le Japon est le pays qui recycle le plus avec un taux de recyclage de 96% des déchets de C&D [8], contrairement à la Chine où la notion de recyclage en général est très peu présente [9]. En Amérique, le recyclage, d’une manière générale est très peu présent. Au Brésil, par exemple, on observe une augmentation croissante dans la demande en granulat qui met en péril les ressources naturelles. En 2002, aux Etats-Unis, seulement 20 à 30% de déchets de C&D sont recyclés sur la totalité des 250 à 300 millions tonnes de déchets de construction et de démolition produits [10].

Caractéristiques des GBR

Les GBR proviennent des déchets de construction et de démolition (béton). Leur nature et leur composition diffèrent selon la nature du béton d’origine et surtout selon la qualité du processus de déconstruction/démolition. Les GBR sont principalement constitués de granulats naturels et de pâte de ciment durcie adhérente (figure 1-3). La différence entre un GBR et un granulat naturel réside essentiellement dans cette pâte adhérente .

Teneur en pâte de ciment dans les GBR

Les GBR sont obtenus après concassage des déchets issus du béton. Lors de cette opération, la pâte de ciment adhérente reste collée sur les granulats et elle est responsable de la qualité médiocre des GBR comparés aux granulats naturels [1].

De nombreux chercheurs se sont intéressés à la quantification de cette pâte de ciment adhérente dans les GBR dans le but d’estimer leur qualité. Certaines de ces méthodes ne fournissent que des grandeurs proportionnelles à la teneur en pâte de ciment. D’autres méthodes sont applicables pour les gravillons recyclés et non pour les sables recyclés car elle mesure la teneur en mortier adhérent. La quantification de la teneur en pâte de ciment/mortier adhérent pour les gravillons recyclés se fait selon trois méthodes thermique, chimique ou par analyse d’image :

– Méthodes thermiques [11]: Cette méthode consiste à réaliser plusieurs cycles d’immersion dans l’eau et de chauffage à 500°C, pour pouvoir détacher progressivement l’ancien mortier de la surface du GBR. Après plusieurs étapes, le mortier adhérent reste toujours attaché. Ainsi, un marteau en caoutchouc est utilisé pour gratter la surface. La teneur en mortier est calculée par la perte de masse entre le granulat recyclé d’origine et le granulat grossier obtenu. Pour les sables recyclés, Zhao et al. [12] et Le et al. [13] ont développé une méthode thermique qui consiste à mesurer la différence de perte de masse entre 105°C et 475°C, cette méthode permet de mesurer la teneur en pâte de ciment adhérente pour les sables recyclés;
– Méthodes chimiques [14] : Cette méthode consiste à dissoudre de manière sélective la pâte de ciment adhérente au granulat par différentes solutions acides (acide nitrique, acide chlorhydrique, acide salicylique) ;
– Méthode d’analyse par imagerie [15] : Cette méthode consiste a utilisé l’analyse par imagerie pour quantifier la quantité de pâte de ciment adhérente dans un GBR. Cette démarche est très compliquée à utiliser, car il est très difficile de faire la distinction entre le sable et la pâte de ciment adhérente. Aussi, pour que l’analyse soit représentative, il est nécessaire de réaliser une étude statistique ce qui peut prendre beaucoup de temps.

De Juan et al. [11] ont réalisé une comparaison entre les différents granulats en fonction de la quantité de mortier adhérent. Ils ont trouvé que plus la taille de la fraction granulaire est petite plus la teneur en mortier attaché augmente .

La pâte de ciment adhérente dans le GBR est responsable de l’absorption d’eau élevée, comparée à celle des granulats naturels. De Juan et al. [11] ont réalisé une étude comparative entre l’absorption d’eau et la quantité du mortier adhérent. Les résultats montrent que l’absorption d’eau augmente avec l’augmentation de la quantité de mortier .

Zhao et al. [12] ont aussi démontré que la quantité de pâte de ciment influence significativement la masse volumique des matériaux. Cette dernière diminue avec l’augmentation de la teneur en pâte de ciment. Ainsi, on peut conclure que la pâte de ciment adhérente influence significativement l’absorption d’eau et la masse volumique.

Masse volumique, porosité et absorption d’eau

La masse volumique, la porosité et l’absorption d’eau sont des grandeurs très importantes dans la formulation des bétons. La masse volumique absolue et la porosité permettent de connaitre la proportion volumique réelle du GBR dans une formulation de béton et la valeur d’absorption d’eau permet de contrôler l’eau efficace qui va jouer un rôle très important pour étudier le comportement à l’état frais et à l’état durci du béton ou du mortier. La masse volumique absolue (ρabs) d’un matériau est définie comme étant une caractéristique physique intrinsèque du matériau. Cette valeur correspond à la masse par unité de volume de la matière qui constitue le granulat, sans tenir compte des vides pouvant exister dans les grains ; cette valeur est obtenue suivant la norme européen NF EN 1097-6 [16]. Zhang et al. [17] distinguent deux types de pores dans les matériaux poreux. Les pores ouverts et les pores fermés. Les pores ouverts forment entre eux un système connecté. Les pores fermés sont des pores isolés et ne sont pas connectés entre eux. Seuls les pores connectés sont capables de transporter de la matière. La proportion de pores connectés diffère suivant la nature et la source des granulats. Dans le cas des GBR, cette porosité est beaucoup plus importante comparée à un matériau naturel à cause de la pâte de ciment adhérente qui est très poreuse et donc absorbante [18]. Le coefficient d’absorption d’eau (WA) des granulats est déterminé suivant la norme EN 1097-6 [16]. Selon la procédure décrite dans cette dernière, les granulats sont immergés dans de l’eau à 22°C pendant 24 heures. La mesure d’absorption d’eau passe par la détermination de l’état saturé surface sèche (SSS). Cet état est défini comme étant un état où la porosité intra granulaire est saturée avec une fine pellicule d’eau en surface et qu’il ne reste plus d’eau inter granulaire. Une fois cet état déterminé, la masse à l’état SSS est enregistrée (Msss), l’échantillon est séché jusqu’à masse constante dans un four à 105°C (Msec). Dans le cas des GBR, la température de séchage est souvent réduite (à 60°C ou 75°C selon les études) pour éviter la détérioration des hydrates qui sont toujours présents dans la pâte de ciment [19]. Le coefficient d’absorption d’eau (WA) est calculé suivant (eq.1-1).

WA =  ????−??? / ???

Saturation et cinétique d’absorption dans l’eau et dans la pâte des GBR

Tam et al. [25] ont développé une méthode qui permet de suivre l’évolution de l’absorption d’eau dans le temps. Cette méthode est basée sur l’immersion des GBR dans un pycnomètre, la cinétique d’absorption d’eau est obtenue en quantifiant la baisse du niveau d’eau dans le pycnomètre dans un intervalle de temps régulier. Tam et al. [25] ont montré que l’absorption d’eau est très rapide les premières minutes. L’inconvénient de cette méthode réside dans l’impossibilité de quantifier l’eau absorbée au cours des premières minutes, lors de la mise en place du matériau dans le pycnomètre. Tegguer [26] a développé une méthode basée sur une pesée hydrostatique pour suivre l’absorption d’eau au cours du temps d’un GBR . Cette méthode consiste à placer les granulats dans un bain thermostaté, et de suivre la variation de la masse correspondant à la cinétique d’absorption d’eau. Comme pour la méthode de Tam et al. [25] les premières minutes d’absorption d’eau sont très difficiles à obtenir. Cette méthode montre aussi que dès les 5 premières minutes le degré de saturation est très élevé.

Table des matières

Introduction générale
1. Etat de l’art
1.1 Introduction
1.2 Recyclage des granulats de béton
1.3 Caractéristiques des GBR
1.3.1 Teneur en pâte de ciment dans les GBR
1.3.2 Masse volumique, porosité et absorption d’eau
1.3.3 Saturation et cinétique d’absorption dans l’eau et dans la pâte des GBR
1.3.4 Hétérogénéité des GBR
1.4 Effet des caractéristiques physiques des granulats sur l’état frais des bétons et des mortiers
1.5 Caractéristiques des bétons et des mortiers réalisés avec des GBR
1.6 Utilisation des GBR comme addition minérale dans le domaine du Génie Civil
1.6.1 Utilisation des GBR dans la fabrication du clinker
1.6.2 Utilisation des GBR comme addition minérale dans la fabrication du béton ou du mortier
1.7 Conclusion
1.7.1 Bilan des travaux antérieurs
1.7.2 Objectifs fixés pour la thèse
2. Utilisation d’un sable naturel modèle pour la compréhension du comportement à l’état frais et durci d’un mortier fabriqué avec un sable recyclé.
2.1 Introduction
2.2 Méthodologie
2.3 Préparation des sables (recyclé et naturel)
2.3.1 Matériaux naturels utilisés
2.3.2 Préparation du béton
2.3.3 Préparation du sable recyclé
2.3.4 Préparation des sables naturels modèles
2.4 Caractérisation des sables (recyclé et naturel)
2.4.1 Etude morphologique
2.4.2 Mesure de l’absorption d’eau des SR et des SN
2.4.3 Mesure de compacité
2.5 Etude à l’état frais
2.5.1 Composition des mortiers de référence
2.5.2 Procédure de mesure du seuil de cisaillement
2.5.3 Conditions de pré-saturation et procédure de malaxage
2.5.4 Résultat de seuil de cisaillement des différents mortiers réalisés
2.6 Propriétés mécaniques
2.6.1 Composition des mortiers
2.6.2 Etude de l’effet limitant des propriétés mécaniques
2.6.3 Résultats et discussions
2.7 Conclusion
3. Mesure de porosité et d’absorption d’eau d’une pâte de ciment broyée (>125µm)
3.1 Introduction
3.2 Méthodologie
3.3 Fabrication et caractérisation des matériaux
3.3.1 Fabrication des matériaux
3.3.2 Protocole de caractérisation
3.3.3 Résultats et discussion
3.4 Approche théorique
3.4.1 Présentation du modèle théorique
3.4.2 Vérification statistique du modèle théorique
3.4.3 Application du modèle théorique sur PCB et BP
3.5 Approche expérimentale
3.5.1 Test de porosité au mercure réalisée sur la poudre non poreuse (FC)
3.5.2 Le test de porosité au mercure réalisée sur PCB et BP
3.6 Absorption et cinétique d’absorption d’une poudre
3.6.1 Absorption d’eau d’une poudre
3.6.2 Cinétique d’absorption d’une poudre
3.7 Demande en eau de PCB et FC
3.7.1 Mélanges réalisés et mesure de la maniabilité
3.7.2 Résultats et discussions
3.8 Conclusion
Conclusion générale

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