Soutenance mémoire
Le béton est le deuxième matériau le plus consommé au monde après l’eau. Les professionnels de la construction, de plus en plus confrontés aux questions liées à la préservation de l’environnement, font face depuis quelques années à une double problématique. Dans les régions très urbanisées comme en Ile-de-France, le nombre de constructions augmente, et avec elles le besoin en matières premières. Le béton est un des matériaux les plus utilisés dans les ouvrages modernes, et le besoin en granulats, un de ses composants, s’élève en moyenne à 6 tonnes par habitant chaque année au niveau national. Or, les carrières de granulats s’épuisent. Elles sont de plus en plus classées ICPE, soit « Installations Classées Pour l’Environnement », les espaces potentiellement exploitables se raréfient, et les professionnels de la construction font face à des difficultés d’approvisionnement. Ils se trouvent face à la nécessité d’acheminer des granulats depuis d’autres régions, avec de fait un transport supplémentaire qui a un coût environnemental évident. D’autre part, le secteur du bâtiment en Ile-de-France produit annuellement plus de 11 millions de tonnes de déchets, qui sont aujourd’hui encore trop souvent déposés en installation de stockage. Il devient évident que la valorisation de ces déchets est un enjeu environnemental majeur, et que leur réutilisation sous forme de granulats destinés à la fabrication de nouveaux bétons serait une alternative bénéfique pour l’environnement. Elle permettrait en effet la préservation des ressources naturelles, mais également une limitation de la pollution par enfouissement. Le recyclage est désormais en marche, avec notamment la mise en place du projet national RECYBETON, réunissant de nombreux scientifiques et industriels du secteur de la construction pour décider des cadres d’utilisation de ce « nouveau » matériau.
Les propriétés du béton recyclé ont déjà été étudiées par de nombreux scientifiques à travers le monde, mais très peu d’auteurs se sont intéressés à la problématique de la durabilité de ce matériau à haute température. En effet, lorsque le béton est soumis à des températures élevées, lors d’un incendie par exemple, le matériau subit de nombreuses altérations. On peut observer une dilatation des granulats, un retrait de la pâte de ciment, une augmentation de la pression de vapeur au sein du matériau, ou encore différentes contraintes thermiques qui peuvent conduire à des phénomènes de fissuration et d’écaillage.
De par leur composition, les granulats recyclés présentent des caractéristiques différentes des granulats naturels, et leur comportement à haute température peut s’avérer distinct. En effet, les granulats recyclés sont plus poreux, ont un coefficient d’absorption d’eau plus important, contiennent des hydrates, et présentent des zones de transition interfaciale, connues pour être la zone de faiblesse mécanique du béton. Nous comprenons qu’il est primordial d’être en mesure d’anticiper le comportement du béton recyclé à haute température afin de permettre son utilisation dans le bâtiment.
Contexte général
La protection de l’environnement et l’économie des ressources naturelles sont devenues un enjeu socio-économique majeur. Le béton est le deuxième matériau le plus consommé au monde, après l’eau. Les industries, notamment du bâtiment, sont aujourd’hui contraintes de modifier leurs techniques de production et/ou de mise en œuvre, afin d’adopter des méthodes s’inscrivant dans un contexte de développement durable.
Il a été observé ces dernières années dans le secteur du BTP, une augmentation conséquente du nombre de constructions, qui se traduit par un besoin toujours croissant de matières premières. Or, les gisements naturels de granulats potentiellement exploitables se raréfient, et les industriels font face à une difficulté d’approvisionnement croissante. La production régionale de granulats étant en baisse en Ile-de-France, on fait, de plus, face à la nécessité d’acheminement des granulats d’autres régions, transport entraînant un impact environnemental et un coût économique évidents. La problématique environnementale des bétons se retrouve également en fin de vie du matériau. Le secteur du bâtiment produit une quantité de déchets extrêmement importante (environ 11M de tonnes annuellement en Ile-de France) dont la partie principale est aujourd’hui éliminée en décharge.
On comprend alors la nécessité de trouver rapidement une alternative moins impactante sur l’environnement qui permettrait d’une part la préservation des ressources naturelles, mais également l’économie de matériaux mis en décharge, et une réduction des transports. Il serait en effet alors idéal de n’employer que des matériaux locaux et, au mieux, réutilisés in situ sur les chantiers. Il s’agit alors de raisonner en termes d’analyse de cycle de vie (ACV). Cette étude bibliographique détaillera le contexte socio-économique dans lequel s’inscrit l’utilisation du béton recyclé, puis résumera l’état de l’art consacré aux propriétés du béton recyclé, au comportement du béton à haute température. Nous détaillerons enfin le peu d’études réunissant déjà les deux aspects cités, à savoir le comportement du béton recyclé à haute température.
Contexte Européen
D’après une étude de la commission Européenne [stud 2005], les déchets de construction et de démolition représentent 1 tiers des déchets générés dans l’UE, soit environ 1t/hab./an. 40% d’entre eux sont réutilisés dans la production de granulats recyclés. D’autre part, en 2005 la production de matériaux recyclés sous forme de granulats représentait 6% de la production totale de granulats utilisés dans le BTP. Le principe de recyclage se met cependant petit à petit en place. Le traitement des déchets de démolition représente aujourd’hui une vraie industrie, mais dont le profit dépend fortement de l’environnement technique, économique, géologique et politique de la zone dans laquelle elle opère.
Les facteurs suivants ont le plus d’impact :
● La pénurie de matériaux naturels
● La stabilité de l’industrie du bâtiment et travaux publics (BTP)
● L’implication des acteurs directement en amont et en aval des filières de recyclage
● Le soutien des autorités publiques
● Le schéma de taxation, adapté aux conditions locales.
Comparés à certains pays européens , la France est encore un peu en retard sur la mise en place d’une industrie du recyclage des déchets de démolition, mais les choses se mettent en place, notamment via le Projet National RECYBETON, démarré en 2011.
Situation en France
Réutilisation
Si aujourd’hui en France le recyclage des chantiers routiers est très efficace, la réutilisation des déchets de démolition de chantiers du bâtiment s’avère autrement plus complexe. En effet, les ouvrages d’art sont faciles à recycler, puisque constitués presque uniquement de béton. Dans un bâtiment, le béton cohabite avec d’autres matériaux très divers (bois, plastiques, métaux, verre, brique…). Le recyclage du béton n’est alors possible qu’à la suite d’un tri des matériaux, on parle ici de « déconstruction ». Cette opération est onéreuse, et jusqu’à présent n’était pas nécessairement demandée dans les appels d’offres et non prévue dans le financement. Parmi eux, les bétons sont aujourd’hui essentiellement réutilisés dans des remblaiements ou concassés afin d’être utilisés dans les TP, et plus particulièrement dans les sous couches de fondation des routes. Une alternative judicieuse et économique serait pourtant de réutiliser ces bétons existants directement dans le domaine du bâtiment, puisque cela permettrait à la fois une économie des ressources naturelles et une limitation de la mise en décharge, mais également une mise en œuvre rapide et une diminution des transports. En effet, dans l’idéal, les matériaux de démolition seraient concassés in-situ et réutilisés pour la formulation de nouveaux bétons sur le même chantier. Aujourd’hui en France l’applicabilité des règles de calcul de l’Eurocode 2 aux granulats recyclés n’est pas encore établie. Le dispositif normatif est le même pour les granulats naturels et recyclés, bien que certaines caractéristiques spécifiques à ces derniers induisent une réflexion autour de son applicabilité. Selon la norme EN 206-1, l’utilisation des granulats recyclés a été autorisée, mis à part dans les bétons précontraints, mais dans des proportions limitées qui dépendent de leur qualité et de la classe de résistance souhaitée pour le béton.
Trois types de gravillons recyclés sont définis :
• Type 1 : Au moins 95 % de béton ou granulats non liés
• Type 2 : Au moins 90 % de béton ou granulats non liés
• Type 3 : Au moins 70 % de béton ou granulats non liés .
Le taux de substitution maximal autorisé de granulats recyclés en % par rapport à la masse totale de gravillon ou de sable varie de 30% pour les gravillons de type 1, à 15% pour les gravillons de type 2 et 5% pour les gravillons de type 3. De plus, les gravillons recyclés de Type 2 et 3 ainsi que les sables recyclés ne peuvent être utilisés que pour des bétons de résistances inférieures ou égales à C25/30.
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Table des matières
Introduction générale
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
4.5.1.2 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
Conclusion générale
