Propriétés rhéologiques, physiques et mécaniques des bétons de granulats recyclés

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1 Propriétés rhéologiques, physiques et mécaniques des bétons de granulats recyclés Braymand Sandrine 1, Francois Pierre 2, Grondin Aurélie 3, Feugeas Françoise 4, Fond Christophe 5 1,2,3,4,5, IMFS, Université de Strasbourg, 6 rue Boussingault, Strasbourg s.braymand@unistra.fr, pierre.francois@unistra.fr, francoise.feugeas@insa-strasbourg.fr, christophe.fond@unistra.fr RÉSUMÉ. L étude présentée ici s attache à identifier les caractéristiques rhéologiques, physiques et mécaniques de bétons dont les granulats sont issus du broyage de bétons de démolition. Une utilisation de ces bétons comme matériau à valeur ajoutée est recherchée. Il s agit dans un premier temps de montrer qu il est possible d obtenir des bétons de granulats recyclés de bétons possédant des propriétés mécaniques proches de celles de bétons de granulats naturels. Les propriétés thermiques et porométriques de ces bétons sont également étudiées et semblent montrer une différence de la géométrie de la porosité qui influence la conductivité thermique des bétons. Dans un deuxième temps les superplastifiants aptes à fluidifier des mortiers de sables recyclés et l influence de leur incorporation sur le comportement rhéologique de mortiers de fines recyclés sont identifiés. Les superplastifiants les plus performants sont ceux à base de copolymère polycarboxylate ou d ether polycarboxylique modifié, leur action sur les fines de sable recyclé explique en partie cette efficacité sur les mortiers de sables recyclés. Cette étude sera poursuivie dans le futur afin d apporter une contribution à la maitrise des paramètres de formulation des bétons de granulats recyclés. MOTS-CLÉS : bétons de granulats recyclés porosité rhéologie - adjuvants conductivité thermique - résistance mécanique ABSTRACT. This study identifies the rheological, physical and mechanical properties of recycled concrete aggregate. Aggregates are issued from demolition of concrete. The aim of this study is to produce added value material. First it was shown that it is possible to obtain recycled concrete aggregate with mechanical strength close to those obtained with natural aggregate. The thermal and porometric properties of concrete are also studied and a different geometry of porosity is identified which influences the thermal conductivity of concrete. Secondly a selection of superplasticizers efficient on recycled mortar sand was performed. Then the influence of the incorporation of these admixtures on the rheological behavior of recycled mortar filler sand is identifed. The most successful superplasticizers are those with copolymer polycarboxylate or ether polycarboxylique. Their action on recycled filler sand explains partially this efficiency. This study will be continued to identify formulation parameters of recycled concrete. KEY WORDS: recycled aggregate concrete porosity rheology admixture thermal conductivity -.mechanical strength

2 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin Introduction Les études menées sur les bétons de granulats recyclés s accordent à montrer que les caractéristiques des granulats recyclés issus du concassage de bétons sont généralement plus mauvaises que celles des granulats naturels, ceci étant dû à la présence de mortier et d impuretés résiduelles dans les granulats recyclés, qui provoque souvent des baisses des résistances mécaniques [MAS 12]. Cependant la résistance à la compression du béton de granulats recyclés n est pas toujours limitée par la résistance du béton concassé dont sont produits les granulats [AJD 02], [TU 06], [RAO 07], [MAI 12]. Il est noté dans la littérature que le remplacement des fines des granulats recyclés, qui provoquent une demande en eau supplémentaire [WES 08], [YAPN 11], par du sable naturel peut faciliter la mise en œuvre des bétons et contribuer l augmentation des propriétés mécaniques. [TU 06], [HAN 92]. Des études plus récentes se sont intéressées à la mise en œuvre des bétons de granulats recyclés et à l influence de l utilisation de superplastifiants sur la maniabilité de ces derniers. En particulier le recours systématique à la suppression des fines (éléments fins) peut être évité par l ajout de superplastifiants et permettre ainsi de conserver ces fines qui ont un effet bénéfique sur les propriétés mécaniques [PER 12]. Dans cette étude des essais sont menés sur des bétons et mortiers de granulats recyclés de bétons afin de répondre à deux objectifs. Il s agit dans un premier temps de caractériser des bétons à base de granulats recyclés d un point de vue mécanique, thermique et porométrique. Puis dans un deuxième temps de caractériser des mortiers de fines recyclées d un point de vue rhéologique après avoir identifié les adjuvants superplastifiants les plus efficaces au regard de la maniabilité et de la fluidité de mortiers de sables recyclés. 2. Matériel et Méthodes 2.1. Granulats recyclés (de béton) et classiques de l étude Les granulats recyclés proviennent d une part de matériaux de démolition (béton) concassés. Le matériau a été fractionné par tamisage en 3 classes différentes 0/6,5mm (sable) ; 6,5/13mm (gravillon) ; 13/20mm (gravier). Les granulats classiques utilisés sont des granulats roulés de gravières fractionnés en 3 classes : 0/4 mm (sable) ; 4/8 (gravillon) ; 8/20 (gravier). (cf Figure 1) Les fractions granulaires de sable recyclé utilisées pour la fabrication des mortiers en vue des études rhéologiques sont comprises dans la plage 0/6,3 mm pour la première étude dont l objectif est d identifier les fluidifiants/superplastifiants efficaces. Les fractions granulaires suivantes 0/0,063mm - 0/0,100mm - 0/1,25mm - 0/3,15mm - 0/6,3mm ont été sélectionnées par tamisage afin de différencier l efficacité des adjuvants étudiés en fonction de la fraction granulaire de sable.

3 Propriétés rhéologiques, physiques et mécaniques des bétons de granulats recyclés. La fraction granulaire de sable 0/500 µm est utilisée pour l identification des comportements rhéologiques des mortiers de fines recyclées ; la limitation à 500 µm est d une part due aux contraintes d utilisation d un viscosimètre (entrefer) et d autre part choisie pour étudier le comportement des fines de granulats recyclés. Figure 1. Courbes granulométriques des granulats de l étude Les mesures de masse volumique absolue confirment les données bibliographiques : la masse volumique absolue des granulats recyclés de béton est moins élevée (2,4-2,6 g/cm3) que celle des granulats naturels (2,6 à 2,7g/m3) Ciments, adjuvants, et compositions de l étude Les 3 bétons caractérisés d un point de vue mécanique, porométrique et thermique ont été formulés selon la méthode de Dreux Gorisse avec un objectif de résistance mécanique visée à 28 jours de 37 MPa. Leur composition est donnée Tableau 1, ils sont classés F3 vis-à-vis de leur plasticité. L adjuvant choisi est un superplastifiant classique utilisé pour les BPE avec un maintien de la maniabilité. Composition en kg/m 3 Béton Classique BC Béton Mixte BM Béton Recyclé BR Ciment CEM I 52,5N CE CP2 NF Adjuvant Eau totale incluant eau adjuvant Sable classique Sable recyclé Gravillon classique Gravillon recyclé Gravier classique Gravier recyclé Tableau 1. Compositions des 3 bétons étudiés. Les mortiers étudiés pour la sélection des adjuvants ont été mis en œuvre en suivant les paramètres de formulation donnés Tableau 2.

4 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012 Compositions Ciment E/C adjuvant Vsable /Vciment Pâtes de ciment CEM II/B - M (L-S) 32,5 R CP2 0,28 1,5% 0 Mortiers CEM II/B - M (L-S) 32,5 R CP2 0,30 1,5% 2,5 Tableau 2. Composition des mortiers de sable recyclé Plusieurs adjuvants de compositions différentes ont été utilisés (cf Tableau 3). A B C D E F G polycarboxylate modifié phosphonate modifié Copolymère Polycarboxylate Naphtalene Polymélamine polycarboxylate modifié esther-polycarboxylate modifié Tableau 3. Adjuvants utilisés dans la formulation des mortiers et coulis Les mortiers de fines recyclés étudiés afin de caractériser leur comportement rhéologique ont été mis en œuvre selon les paramètres de formulation suivants : Compositions Ciment E/C adjuvant Msable/Mciment Coulis de ciment CEM II/B - M (L-S) 32,5 R CP2 0,45 1% 0 Mortiers CEM II/B - M (L-S) 32,5 R CP2 0,45 1% 0,4 Tableau 4. Composition des coulis additionnés de fines recyclées Les adjuvants utilisés dans cette partie de l étude sont les adjuvants A, F et G donnés Tableau 3.(voir & 3.2) Essais réalisés Propriétés mécaniques, thermiques et porométriques Afin de pouvoir effectuer des comparaisons entre les différentes compositions de bétons, les éprouvettes de béton ont été conservées dans un même lieu donc dans des conditions thermo hydriques identiques, soit 20 C +/-2 C et 75% +/-10% d humidité Des essais normalisés de compression ont été réalisés à différents âges. Afin de tester les propriétés thermiques du béton recyclé, trois éprouvettes cylindriques 16/22, creuses, ont été coulées et testées selon une méthode expérimentale développée au laboratoire. ([BRA10]). Des mesures d absorption capillaire et de porosité accessible à l eau ont été effectuées sur les trois bétons selon les recommandations AFPC-AFREM. [OLI 97]

5 Propriétés rhéologiques, physiques et mécaniques des bétons de granulats recyclés Essais sur mortier frais : maniabilité et fluidité Les mesures de maniabilité et de fluidité du mortier ont nécessité deux dispositifs : un «mini cône» (maniabilité), et une plaque d étalement (fluidité). Le «mini cône» s inspire de l appareil d essai rhéologique le cône d Abrams, les dimensions du mini cône respectent le 1/3 de celles du cône d Abrams utilisé pour mesurer la maniabilité des bétons selon la norme NFP La plaque d étalement permet de quantifier l étalement du mélange Essais sur mortier frais : viscosité Le type de rhéomètre utilisé (cylindres coaxiaux) est celui qui convient le mieux à l étude des fluides plastiques. Cet appareil permet de déterminer les paramètres intrinsèques au matériau. Le couple maximal Ω max du viscosimètre est de 2 N.cm. Il convient d utiliser un entrefer étroit afin d émettre l hypothèse d une contrainte de cisaillement constante dans l entrefer. Dans notre étude l entrefer est de 3 mm, soit au moins 6 fois la taille du plus gros grain de sable (0,5 mm) ou de ciment. 3. Résultats et discussion 3.1. Propriétés mécaniques, thermiques et porométriques des bétons Une importante quantité d adjuvant (3%) a été ajoutée pour le béton de granulat recyclé BR pour obtenir la même maniabilité que BC et BM. Il s agissait en effet de de prendre en compte le fait que, d une part, beaucoup de fines sont présentes dans le sable recyclé qui adsorbent énormément d eau, que d autre part, les granulats de béton recyclé vont avoir tendance à absorber plus d eau que les granulats naturels du fait de leur porosité plus élevée et enfin que les granulats recyclés sont concassés et procurent donc une maniabilité moindre au béton. La mise en œuvre des 3 bétons a ainsi pu être réalisée en conservant l objectif de résistance égale. Les résultats présentés figure 2 le confirment. Figure 2. Evolution de la résistance en compression au cours du temps L observation des surfaces des bétons indique que les granulats recyclés et la pâte de ciment sont bien liaisonnés : on ne distingue pas visuellement à cette échelle le «vieux» béton (granulats recyclés) de la «nouvelle» pâte de ciment (Figure 3),

6 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012 ceci explique en partie les bonnes résistances mécaniques obtenues sur le béton de granulats recyclés. Béton classique Béton mixte Béton recyclé mm Figure 3.. Observation des bétons étudiés sous caméra numérique Les résultats de grandeurs physiques présentés Tableau 5 ont été obtenus sur des bétons âgés de 18 et 36 mois. Béton Remontée capillaire Age 18 mois Porosité accessible Age 18 mois Conductivité thermique Age 18 mois Conductivité thermique Age 36 mois Incertitude mesure conductivité kg/m 2 /h 1/2 % W/mK W/mK % BR 0, BC 0, BM 0, Tableau 5. Capillarité, porosité et conductivité thermique pour les trois bétons En fonction du type de granulats utilisés, les trois paramètres mesurés ne suivent pas la même tendance. En effet, la valeur de la porosité accessible à l eau donne une valeur de la quantité de vide et donc d air (isolant) dans l échantillon, il est ainsi normal de trouver une conductivité thermique légèrement plus faible pour le béton recyclé (BR) que pour le béton classique (BC) aux mêmes âges. Il ne serait pas étonnant alors d obtenir des valeurs identiques pour BR et BM (béton mixte) ce qui n est pas le cas. La différence serait due à la différence de géométrie de la porosité qui est indiquée par la remontée capillaire : plus elle est élevée, plus il y a interconnexion du réseau capillaire permettant aux flux de chaleur et aux fluides de pénétrer le matériau. Cette hypothèse devra être confirmée par de nouvelles mesures et par une étude plus approfondie de la distribution de la géométrie de la porosité Choix de l adjuvant Les essais réalisés au mini cône (affaissement) et à la table d étalement sur les mortiers de sable recyclés par fraction granulaire ont permis de sélectionner trois

7 Propriétés rhéologiques, physiques et mécaniques des bétons de granulats recyclés. adjuvants pour la suite de l étude : un adjuvant d efficacité moyenne (A), un adjuvant de bonne efficacité (G) et un adjuvant d efficacité élevée.(f). Sur les figures qui suivent sont représentés les gains par rapport aux compositions non adjuvantées.. Figure 4. Mortier Recyclé Sable 3,15/6,3 Figure 6. Coulis de ciment Figure 5. Mortier Recyclé Filler 0/1,25 Tous les adjuvants ont une bonne efficacité sur le sable grossier (Figure 4). Les adjuvants ont une efficacité variable sur les mélanges sans sable (Figure 6) et sur les mélanges avec la fraction filler du sable recyclé (Figure 5). De plus, l action des adjuvants est plus marquée sur l essai d affaissement que celui d étalement lorsqu il y a présence de sable, (filler) Etude au viscosimètre Seuls les résultats de mesures instantanées réalisées immédiatement après le malaxage seront présentés ici. Les courbes représentées Figure 7 et Figure 8 décrivent le comportement des coulis de ciment et mortiers de fines recyclées adjuvantés ou non Analyse des compositions de coulis de ciment Le comportement observé pour le coulis sans adjuvant est un comportement quasi linéaire avec une valeur initiale élevée de la contrainte de cisaillement (loi de

8 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012 Bingham avec seuil) et l apparition d une légère hystérésis. Le comportement des coulis adjuvantés est différent : on observe une valeur faible et constante de la contrainte de cisaillement à gradient de vitesse faible, puis un rhéoépaissement à partir d une valeur du gradient de vitesse qui dépend de l adjuvant étudié. On observe une diminution de la contrainte de cisaillement lors de l ajout de superplastifiant quel que soit le gradient. Les trois adjuvants utilisés semblent avoir une efficacité quasi identique sur le ciment (légère différence avec l adjuvant A). Ce résultat confirme les résultats d affaissement de la Figure 6. Figure 7. Rhéogramme des compositions de coulis de ciment Analyse des compositions de pâte de mortier Le comportement observé pour l ensemble des mortiers est un comportement quasi linéaire avec apparition d une hystérésis pour une valeur de gradient de vitesse fonction de l adjuvant (loi de Bingham avec un seuil élevé sans adjuvant). Comme pour les coulis, on observe une diminution de la contrainte de cisaillement lors de l ajout de superplastifiant. Néanmoins, l efficacité des adjuvants est différente selon leur nature tant au niveau de la valeur de la contrainte de cisaillement que de l apparition de l hystérésis. Les deux adjuvants F et G ont une efficacité immédiate plus importante que celle observée avec l adjuvant A. Ce résultat rejoint les résultats donnés Figure 5. Figure 8..Rhéogramme des compositions de mortiers de fines recyclées

9 Propriétés rhéologiques, physiques et mécaniques des bétons de granulats recyclés. 4. Conclusion et perspectives Dans cette étude, des essais de caractérisation rhéologique, mécanique et porométrique de bétons et de mortiers ont été menés avec des granulats recyclés de béton dont les propriétés géométriques ont été identifiées. Il a ainsi été montré qu il est possible d obtenir des bétons de granulats recyclés pour lesquels les résistances mécaniques sont comparables à celles de bétons classiques, sous réserve que la mise en œuvre soit facilitée par l ajout d adjuvants. Les bonnes résistances mécaniques obtenues sont attribuées d une part à une bonne liaison «pâte-granulat recyclé» et d autre part à l origine des granulats «tout béton» non souillés par d autres matériaux de démolition. Les mesures des propriétés porométriques et thermiques de ces bétons semblent montrer un agencement granulaire différent en fonction de la nature des granulats utilisés, induisant une différence de la géométrie de la porosité et donc de la conductivité thermique des bétons. Elles ont également indiqué que la substitution du sable recyclé par du sable naturel (béton mixte) ne semble pas être une solution à retenir pour résoudre le problème de mise en œuvre, puisque les grandeurs physiques telles que la remontée capillaire et la conductivité thermique sont augmentées. De plus, le sable recyclé ne serait pas valorisé dans une telle solution. Les superplastifiants les plus efficaces pour fluidifier les mortiers de sables recyclés ont été identifiés, il s agit de ceux à base de copolymère polycarboxylate ou d ether polycarboxylique modifié, leur action sur les fines de sable recyclé explique en partie cette efficacité. Le comportement rhéologique à l état frais des mortiers de fines recyclées a ensuite été caractérisé, et l influence des adjuvants sur ces comportements a été mise en évidence et confirme les résultats des études sur mortiers de sable recyclé. Ces résultats sont encourageants et cette étude devra être poursuivie afin d identifier quels sont les paramètres des granulats recyclés (notamment parmi les fines) qui régissent la rhéologie des mélanges et ainsi de déterminer l action des adjuvants sur la défloculation des fines de sable recyclé selon ces paramètres. La maitrise de ces facteurs permettra de formuler des bétons de granulats recyclés dont les propriétés physiques et mécaniques seront optimisées en vue d une utilisation de ces bétons comme matériau à valeur ajoutée. 5. Remerciements Les auteurs de ce papier remercient la Communauté Européenne pour sa contribution à ce projet de recherche à travers le programme Interreg IV B20 Tem3, et le laboratoire KIT dans lequel certains essais ont été réalisés.

10 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin Références bibliographiques [ADJ 02] AJDUKIEWICZ A., KLISZCZEWICZ A. Influence of recycled aggregates on mechanical properties of HS/HPC, Cement & Concrete Composites 24, p , 2002 [BRA 10] BRAYMAND S., GRANDGEORGE J.D., Etude des propriétés physiques des bétons de granulats recyclés élaborés à l aide d adjuvants spécifiques. VI èmes Journées d Etudes Techniques 2010, The International congress for applied mechanics, Marrakech, mai [BRA 10] BRAYMAND S., Influence de l'utilisation de granulats recyclés sur les propriétés rhéologiques et physiques des bétons, Congrès matériaux 2010, Nantes, oct [ BRA 10] BRAYMAND S., GRANDGEORGE J.D., Mise au point d une méthode expérimentale de mesure de la conductivité thermique : application aux bétons de granulats recyclés, Congrès matériaux 2010, Nantes, oct [BRA 12] BRAYMAND S., Study of rheological and mechanical properties of recycled brick aggregate concrete, WASCON 2012, Göterburg, 31mai-2 juin 2012,. [BRA 12] BRAYMAND S., GRONDIN A, FRANÇOIS P, FEUGEAS F, Rheological properties of recycled aggregate concrete using superplasticizers, Tenth International Conference on superplasticizers and other chemical admixture in concrete, Prague, October 2012,. [HAS 92] HANSEN T. C., Recycling of demolished concrete and masonry, RILEM Report, London Chapman & Hall, E & FN Spon, [MAI 12] MAIER P.L., DURHAM S.A. «Beneficial use of recycled materials in concrete mixture», Construction and Building Materials, 2012,vol 29, p [MAS 12] MAS BENITO, CLADERA A., DEL OLMO T., PITARCH F. «Influence of the amount of mixed recycled aggregates on the properties of concrete for non structural use», Construction and Building Materials 2012 vol 27, p [OLI 97] OLIVIER JEAN PIERRE Compte-rendu Des Journees Techniques de L' AFPC-AFREM, Groupe de Travail Durabilité Des Bétons : Méthodes Recommandées Pour la Mesure Des Grandeurs Associées à la Durabilité. 11 et 12 Décembre 1997, Toulouse [PER 12] PEREIRA P., EVANGELISTA L., DE BRITO J., «The effect of superplasticizers on the workability and compressive strength of concrete made with fine recycled concrete aggregates», Construction and building materials, 2012, vol28, p , [RAO 07] RAO A., JHA K. N., MISRA S., «Use of aggregate from recycled construction and demolition waste in concrete», Ressources conservation and concrete, 2007, vol. 50, p [TU 06] TU T. Y., CHEN Y. Y.,HWANG C., «Properties of HPC with recycled aggregates», Cement and concrete research, 2006,vol 36, p , [WE 08] WESTERHOLM M., LAGERBLAD B., SILWERBRAND J., FORSSBERG E., «Influence of fine aggregate characteristics on the rheological properties of mortars», Cement and concrete composites, 2008, vol 30, p [YAP 11] YAPRAK H., ARUNTAS H., DEMIR I., SIMSEK O., DURMUS G., «Effects of the fine recyled concrete aggregate on the concrete properties», International Journal of Physical science, 2011,Vol 6, pp