VALORISATION DES GRANULATS RECYCLES DE BETON :

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1 Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg : INSA Strasbourg Institut Universitaire Technologique Robert Schuman : IUT Robert Schuman Institut mécanique des fluides et des solides : IMFS Cellule économique du bâtiment et des travaux publics d Alsace : CEBTP Alsace VALORISATION DES GRANULATS RECYCLES DE BETON : ETUDE DES CARACTERISTIQUES PHYSIQUES ET MECANIQUES DES BETONS DE GRANULATS RECYCLES DE BETON Mémoire Projet de fin d étude 2011 GRONDIN Aurélie Tuteurs : Françoise FEUGEAS Sandrine BRAYMAND Nadia BAHLOULI Elodie NUSS Maître de conférences HDR à l INSA- IMFS Maître de conférences à l IUT Robert Schuman - IMFS Maître de conférences HDR - IMFS Chargée d affaires, tuteur CEBTP 1

2 Remerciements Je tiens à adresser mes remerciements aux différentes personnes qui ont contribué à la réussite de ce projet : À la CEBTP et en particulier Mademoiselle NUSS, chargée d études, pour leur accueil et leur participation à ce projet. À Madame Françoise FEUGEAS, Maître de conférence-hdr au laboratoire du génie de la conception à l INSA de Strasbourg, pour m avoir guidé dans mes recherches et aidé à la rédaction de ce rapport. À Madame Sandrine BRAYMAND, Maître de conférence à l IUT Robert Schuman d Illkirch, pour m avoir fait partager ses connaissances et ses compétences. À Madame Nadia BAHLOULI, Maître de conférence-hdr, pour son suivi, son aide et sa qualité d écoute. Je vous remercie pour votre encadrement et vos conseils qui m ont permis de comprendre le sujet de recherche et m améliorer dans les différentes tâches qui m ont été attribuées. Je tiens également à remercier l ensemble des enseignants avec lesquels j ai eu le plaisir de travailler : -Monsieur Christophe FOND, pour l élaboration de la modélisation du dispositif expérimental permettant la mesure de la conductivité thermique -Monsieur Jean-David GRANDGEORGE, pour son aide dans la compréhension du comportement thermique des bétons -Monsieur Pierre FRANCOIS, pour m avoir apporté ses connaissances sur le comportement rhéologique des fluides, pour sa disponibilité et son aide dans la réalisation de mes essais. Je remercie tout particulièrement Monsieur Patrick WOLFF, assistant ingénieur, pour m avoir conseillé pour la mise au point des protocoles expérimentaux et son investissement quotidien pour la réalisation des essais. J associe également à mes remerciements l ensemble de l équipe de chercheurs de l équipe Mécanique et environnement du laboratoire IMFS, TINARD Violaine, LIN Jian, KOPP Jean Benoit et NGUYEN Quang Tam, et à Nicolas BUR, thésard à l INSA de Strasbourg pour leur accueil chaleureux et pour avoir contribué à mon intégration au sein de cette équipe. Merci à tous 2

3 Sommaire Remerciements... 2 Introduction... 6 Chapitre I : Etude technologique : Production, consommation et utilisation des granulats naturels et recyclés en France... 8 I. Production de granulats en France Qu est-ce qu un granulat? Domaines d utilisation des granulats en France Production et consommation de granulats en France Production et consommation de granulats en Alsace II. Production de matériaux issus de démolitions Production en France et en Alsace Règlements normatifs et utilisation Conclusion Chapitre II : La problématique des granulats recyclés de béton valorisation en béton de granulats recyclés de béton I. Contexte : la classification des déchets II. Composition et propriétés physiques des granulats recyclés de béton (GRB) III. Ouvrabilité des bétons de GRB Absorption des granulats recyclés Problème des fines du sable recyclé IV. Propriétés physiques et mécaniques des bétons de GRB Porosité des GRB et des bétons de GRB Influence de la porosité des bétons recyclés sur leurs propriétés mécaniques et physiques V. Mécanisme d action des superplastifiants Définitions Mécanisme d action VI. Axes d études à développer

4 Chapitre III: Etude sur l adjuvantation des mortiers de sable RTB 0/6, Objectifs Paragraphe 1: Etude préliminaire sur les granulats I. Matériaux et méthodes Matériaux Matériels de mesure II. Résultats et premières analyses Masses volumiques absolue et apparente du sable et de fractions de sable RTB 0/6, Analyse granulométrique Module de finesse du sable RTB 0/6, Essai de perméabilité de Blaine Paragraphe 2: Adjuvantation des mortiers de sable RTB 0/6, I. Détermination de l ouvrabilité du mortier de sable RTB 0/6,3 : essais au mini cône Matériaux Méthodes : mesure à la table d affaissement et d étalement Compositions Résultats et discussions II. Détermination du comportement rhéologique du mortier de sable RTB 0/6,3 : mesure au viscosimètre Comportement rhéologique des bétons, mortiers et pâtes de ciment Matériaux Matériel de mesure et méthodes Détermination des compositions de référence mesurable par l appareil Résultats et discussions Chapitre IV: Etude des propriétés physiques et mécaniques des bétons de granulats recyclés de béton Paragraphe 1: Analyse des propriétés thermiques des bétons de granulats recyclés de béton I. Principe de la mesure II. Présentation du système de mesure Matériaux : composition des bétons et fabrication des échantillons Présentation de la manipulation

5 III. Mise au point du protocole expérimental Homogénéité de la température de surface Contrôle del épaisseur de béton Contrôle des effets de bords et déperditions négligées IV. Résultats et conclusions Validation numérique du dispositif expérimental Résultats expérimentaux et analyses Améliorations et perspectives Paragraphe 2: Analyse des propriétés mécaniques des bétons de granulats recyclés de béton I. Matériaux et méthodes Matériaux Description du dispositif de mesure II. Résultats et commentaires Paragraphe 3: Détermination de la porosité des bétons de granulats recyclés de béton I. Matériaux et méthodes Matériaux Principe de mesure : détermination de la porosité ouverte par la méthode de la triple pesée II. Résulats et discussions Conclusion

6 Introduction Le cadre de la présente étude concerne la gestion optimisée des granulats recyclés de béton. La France a consommé 379 millions de tonnes de granulats en 2009 (3 millions importés) dont 300 Mt pour le génie civil (79%) et 79 Mt pour le bâtiment (21 %). Cette consommation qui est en baisse ces dernières années en raison de la baisse de production de béton, se révèle être moins affectée par cette diminution en Alsace. Par ailleurs, une étude de l UNICEM et de l UNPG montrent néanmoins une production de granulats recyclés de démolition en 2009 identique à celle de l année précédente. Les matériaux de recyclage abordés dans cette étude proviennent de la déconstruction de bâtiments et de routes ou de déchets de chantier de construction. On distingue actuellement trois types de granulats recyclés : Les granulats recyclés de béton désignés par RTB : recyclé tout béton Les granulats recyclés comportant de l enrobé, désignés par RE ou REB : recyclé enrobé ou recyclé enrobé/béton. Les granulats mixtes comportant des matériaux de construction variables non triés (béton, brique, carrelage ) désignés par RTV : recyclé tout venant L étude présentée ici porte sur l analyse des caractéristiques et le réemploi des granulats recyclés de béton (RTB). Valoriser ces granulats issus des bétons de démolition pour la fabrication d un béton hydraulique peut étendre leur domaine d utilisation actuel. En effet, les granulats issus du recyclage sont essentiellement utilisés dans le domaine routier en tant que grave traitée ou non aux liants hydrauliques ou comme remblai. Malgré plusieurs études de recherche pour une éventuelle utilisation avec des liants hydrauliques pour la construction d ouvrages ou de bâtiments, les granulats recyclés trouvent peu d application en France en tant que granulats de béton. Néanmoins des Pays voisins comme la Suisse ou encore le Danemark ont adopté des normes pour la fabrication de béton de granulats recyclés. Cette valorisation présente un intérêt d ordre économique. En effet, le réemploi des matériaux de démolition pourrait être envisagé directement sur site ou sur les plateformes de recyclage chargées du traitement. Ces plateformes pourraient alors s occuper de la fabrication de béton à base de ces granulats recyclés. La diminution des coûts de transports des granulats et des déchets de démolition constitue l enjeu économique principal de ce projet, les granulats n étant pas toujours disponibles à proximité des chantiers de construction. Par ailleurs, ces granulats recyclés pouvant se substituer aux granulats naturels, ceci diminuerait l épuisement des ressources naturelles. En outre, le code de l environnement (modifié par ordonnance le 17 décembre 2010) précise que «tout producteur ou détenteur de déchets est responsable de la gestion de ces déchets jusqu à leur élimination ou valorisation». De ce fait, le recyclage et le réemploi des déchets inertes du BTP représentent des solutions intéressantes et s intègrent au concept de développement durable. 6

7 Ainsi l un des objectifs de ce projet est d effectuer une étude sur la production/consommation de granulats en France afin d en extraire les enjeux d une valorisation des granulats recyclés dans la réalisation de béton. Par la suite, une étude scientifique sur la caractérisation des propriétés physico-chimiques des granulats recyclés de béton et des performances mécaniques et thermiques des bétons de granulats recyclés sera l un des points forts développé dans cette étude. La compréhension de la rhéologie des bétons de granulats recyclés de béton sera l autre aspect très important de ce travail. Pour ce faire, il est nécessaire de définir préalablement les différents axes d études abordés prioritairement au cours de ce projet de recherche. Dans un premier temps, une étude bibliographique technique est menée afin de déterminer la production et la consommation de granulats recyclés en France et plus particulièrement en Alsace. Cette étude permet de comprendre l enjeu national mais également régional (Alsace) que représente la valorisation des granulats recyclés pour la fabrication de béton. Dans un second chapitre, la problématique de cette valorisation est présentée. Cette étude bibliographie consiste à définir les caractéristiques des matériaux étudiés : les granulats recyclés de béton et les bétons de granulats recyclés de béton. L analyse de travaux précédemment réalisés permet d identifier et de comprendre les lignes directives à développer tout au long de ce programme de recherche. La première phase de ce projet est orientée vers l élaboration d une formulation de béton dans le but de déterminer les adjuvants adaptés aux granulats recyclés. Cette partie mettra en évidence les caractéristiques du béton frais de granulats recyclés, notamment l ouvrabilité de ce béton directement fonction des propriétés des granulats recyclés. En effet, l analyse bibliographique permet de conclure sur le problème que représentent les parties fines des granulats recyclés de béton. L étude est donc ciblée sur l adjuvantation de ces parties fines par l analyse de l ouvrabilité et la caractérisation du comportement rhéologique des mortiers de sable recyclé. La deuxième phase consiste à identifier les propriétés physiques et notamment thermiques du béton de granulats recyclés de béton. Un protocole d essai élaboré au laboratoire est étudié afin de déterminer expérimentalement le comportement thermique des bétons de granulats recyclés de béton. Les paramètres expérimentaux seront validés à l aide d une modélisation numérique du dispositif de mesure. L ensemble de ces essais permet ainsi de caractériser les propriétés thermiques des bétons de granulats recyclés de béton qui semblent être meilleures que celles d un béton à base de granulats naturels. Une analyse de la porosité sera effectuée afin de comprendre ces différences de propriétés. Ainsi il sera possible de déterminer l influence de la porosité sur les propriétés de transfert dans le béton par l étude des propriétés thermiques du béton. Enfin, la dernière phase de ce projet caractérisera le comportement mécanique des bétons de granulats recyclés. Au cours de l étude sera effectuée une détermination expérimentale des modules d Young des bétons étudiés. 7

8 Chapitre I : Etude technologique : Production, consommation et utilisation des granulats naturels et recyclés en France NB : Les principales sources d informations sont datées de 2009 I. Production de granulats en France 1.1. Qu est-ce qu un granulat? Le granulat est un fragment de roche destiné à la fabrication d'ouvrages de travaux publics, de génie civil et de bâtiment. Leur nature et leur forme dépendent de leur provenance et des techniques de production. Leur taille est comprise entre 0 et 125 mm. Les granulats représentent, après l eau et l air, la matière première la plus importante utilisée dans un pays. Trois grandes familles de granulats sont définies en fonction de leur origine: Les granulats alluvionnaires ou de carrière. Leurs gisements sont des matériaux meubles, non consolidés. Ils proviennent de lits ou anciens lits de rivière, les fonds de lacs ou certains fonds marins. L extraction des granulats alluvionnaires se fait «à sec» ou «dans l eau», à l aide de pelles hydrauliques ou de draglines. La technique d exploitation varie en fonction de la situation du gisement par rapport à la hauteur du cours d'eau ou de la nappe phréatique. Ces granulats peuvent être traités suite à leur extraction. Ils sont concassés si leur granulométrie est trop importante. Cette opération est suivie d un criblage, d un lavage et d un calibrage. Les granulats de roches massives. L exploitation de ces roches représente la principale filière granulaire dans une grande majorité des régions françaises, sauf en Alsace. Cette matière première est présente dans différentes situations géologiques: couches plus ou moins massives de roches sédimentaires, massifs de granit, anciennes coulées volcaniques, roches métamorphiques... Leur extraction se fait généralement à l explosif. Les roches sont ensuite concassées, lavées et criblées Les granulats de recyclage et artificiels. Des granulats sont produits en concassant et en recyclant des matériaux de chantiers de démolition comme les bétons ou en recyclant des sous-produits de l industrie tels les laitiers de hauts fourneaux ou les mâchefers. Après concassage, lavage et criblage, leur usage reste souvent réservé à des emplois spécifiques compte tenu de leur qualité particulière et de la réglementation en cours. Figure 1-1 : Photographies de granulats _ Source : 8

9 1.2. Domaines d utilisation des granulats en France Les granulats sont employés dans l industrie du BTP. Ils permettent de réaliser des ouvrages de génie civil, des bâtiments ou sont utilisés dans les TP Les routes et le VRD (Voiries Réseaux Divers) Les chaussées sont constituées en partie d une couche d assise (couche de fondation et couche de base). Elles sont surmontées éventuellement d une couche de liaison pour l amélioration des performances, puis d une couche de roulement adaptée aux trafics (Classe du trafic définie par la moyenne journalière des poids lourds par voie de circulation). Quel que soit le niveau, les granulats sont utilisés dans l ensemble de ces couches. Ils doivent répondre à des critères de qualité liés à la solidité des ouvrages et à la sécurité. Ces exigences sont spécifiées dans des normes produits françaises (NF) et européennes (EN). Les granulats de recyclage peuvent être utilisés dans les couches de forme et les couches d assises, ainsi que sur les accotements des chaussées. Figure 1-2 : Structure de chaussées, étude de l UNPG _ Source : La production de béton Les granulats sont également utilisés dans l industrie du béton. Ils apportent au béton la consistance, le volume et participent à la résistance. Le ciment sert de liant à l ensemble. Les bétons peuvent être réalisés avec des granulats de diverses natures : alluvionnaires, éruptifs, calcaires. Actuellement, les emplois des bétons à base de granulats recyclés de bétons ne sont pas encore normalisés en France. Des bétons peuvent aussi être fabriqués avec des granulats concassés ou roulés, selon le contexte géologique locale (rareté des alluvionnaires), ou selon des raisons purement techniques Les réseaux ferrés Les voies ferrées requièrent de très grandes quantités de granulats pour la réalisation de structures des plates-formes, des chaussées, et de ballast des chemins de fer Production et consommation de granulats en France 379 millions de tonnes de granulats ont été consommés en France en 2009, soit 6 tonnes par habitant. Ils peuvent être utilisés sous sa forme naturelle (sables, gravillons ) ou après transformation (bétons de ciment, bétons bitumineux ). Selon les sources de l UNPG, l industrie de la production de granulats en France génère un chiffre d affaire de millions d euros grâce à l activité de 1550 entreprises. Néanmoins ce chiffre connaît une baisse de l ordre de 11 % par rapport à l activité développée en

10 Production par famille de granulats La production de roches massives s avère représenter plus de 50 % de la production française de granulats, contre près de 40% pour les roches meubles. Uniquement 21 millions de tonnes de granulats de recyclage sont produites sur le territoire français. 71% d entre eux sont des matériaux de démolition. La production de ce matériau n a pas subit d évolution entre 2008 et 2009, 15 millions de tonnes sont produits chaque année. Figure 1-3 : Tableau statistique sur la production nationale de granulats, étude de l UNPG _ Source : Depuis 1995, la tendance de production de granulats alluvionnaires et massifs a changé. En effet, avant 1995, la part de production des roches meubles était plus importante face à celle des roches massives. La production des roches massives connaît un essor depuis ces 15 dernières années. Plus globalement, la production de granulats diminue nettement depuis 2007, alors que celle des granulats recyclés ne cesse d augmenter. Figure 1-4 : courbes statistiques sur la production nationale de granulats, étude de l UNPG _ Source : Il faut donc retenir que : La production de granulats a enregistré une baisse en 2009 par rapport à celle de Avec 376 millions de tonnes, elle a perdu 12,8 %. Cette baisse est régulière depuis les 10 dernières années La production de roches meubles a chuté de 14,6 % et celle de roches massives de 11,8 %. Les matériaux de recyclage limitent leur baisse à 8,7 %. Ils représentent désormais 6 % de la production totale. 10

11 Répartition de la production par région française Figure 1-5 : carte définissant la répartition de la production de granulats sur le territoire français, Source : SOes d après Unicem Figure 1-6 : Tableau statistique sur la production de granulats dans chaque région, étude de l UNPG _ Source : La production métropolitaine de granulats est concentrée dans les régions suivantes : les régions Rhône Alpes, Pays-de-Loire, Provence, Bretagne, Midi Pyrénées, Aquitaine, Poitou Charente, Alsace. Ces départements conjuguent des ressources exploitables et des besoins en matériaux assez proches. Néanmoins trois départements se distinguent en produisant de plus de 10 millions de tonnes de granulats : la Loire Atlantique (12), le Bas Rhin (11) et les Bouches du Rhône (10,1) Consommation de granulats La France ne produit que 376 millions de tonnes de granulats, hors elle en consomme 379 millions de tonnes. Cela s explique par le fait que 7 millions de tonnes de granulats sont exportés en Allemagne, Belgique, Pays- Bas, Royaume-Uni, Suisse, notamment, alors que 10 millions de tonnes proviennent de l importation des pays voisins dont l Allemagne, la Belgique, l Espagne, la Norvège, ou encore le Royaume-Uni. 79% des granulats sont utilisés dans le domaine du génie civil et du VRD, contre 21% pour les besoins dans le secteur du bâtiment. Les granulats sont davantage employés dans les travaux routiers et ferroviaires, ainsi que pour des travaux d endiguements. Figure 1-7 : Diagramme définissant la répartition des granulats en fonction du domaine d utilisation, étude de l UNPG _ Source :

12 1.4. Production et consommation de granulats en Alsace La production en Alsace Granulats naturels Une étude de l UNICEM estime la production de granulats en Alsace à 17,8 millions de tonnes. Cette production présente une baisse de l ordre de 10 % par rapport à la production établit en Le Bas Rhin produit plus de 11 millions de tonnes de granulats et se classe parmi les trois départements les plus productifs de granulats. Contrairement à la tendance nationale, l Alsace produit davantage de roches meubles (granulats alluvionnaires, 15,5 millions de tonnes) que de roches massives (0,6 millions de tonnes). De plus, la cartographie (figure 8) montre bien la présence importante de gisements de matériaux meubles. Ces roches meubles d origine alluvionnaire constituent la principale ressource exploitée pour la production de granulats. Figure 1-8 : Cartographie des ressources en granulats dans la région Alsace, étude de l UNPG _ Source : Granulats recyclés Avec plus de 70 plateformes de recyclage des matériaux de démolition et 3 plateformes de production de MIOM, l Alsace produit 1,7 millions de tonnes de granulats recyclés soit 8% de la production nationale. Une étude complémentaire à la CEBTP permettra de définir le nombre exact de plateformes de recyclage et le type de déchets traités. Les granulats issus du recyclage sont utilisés sur certains chantiers de la région qui tend de plus en plus à intégrer la notion d économie des ressources naturelles. Figure 1-9 : Cartographie des plateformes de recyclage dans la région Alsace, étude de l UNPG _ Source :

13 La consommation des granulats En Alsace, la consommation de granulats avoisine les 8 tonnes par habitant et par an, soit environ 15 millions de tonnes. Elle est constituée à 90 % de sables et graviers alluvionnaires. Les roches meubles représentent 83% des besoins en granulats de la région. L excédant est exporté dans les départements ou les pays voisins tels que l Allemagne, la Suisse, la Belgique, ou les Pays-Bas. De manière générale, la consommation régionale est répartie comme suit : 32 % est destinée à la fabrication de bétons hydrauliques 12 % est utilisée pour la fabrication de bétons bitumineux 56 % est orientée vers la réalisation de chaussées ou dans le domaine des VRD Les consommations se répartissent selon deux grandes catégories : Bâtiment : 22 % Génie civil : 78 % Conclusion : L enjeu de ce projet n est donc pas de subvenir à un manque actuel de granulats naturels mais plutôt de contribuer à la diminution de l épuisement de ressources naturelles pour l avenir, point fort du grenelle de l environnement. 13

14 II. Production de matériaux issus de démolitions 2.1. Production en France et en Alsace Processus de fabrication des granulats recyclés Les différentes phases d élaboration des produits issus du recyclage des matériaux de démolition sont : Sélection, stockage et traitement des produits bruts. Préparation des matériaux avant concassage : cette étape consiste à réduire les plus gros éléments l aide d un brise roche hydraulique (BRH) et à retirer les impuretés les plus grosses. Tri manuel Déferrage électromagnétique. Concassage et criblage : étape destinée à éliminer les matériaux de faibles caractéristiques. Concassage secondaire éventuel de la fraction supérieure issue du concassage primaire. Stockage Analyses éventuelles avant utilisation La production nationale et régionale des granulats recyclés Des études précédentes montrent que 40 millions de tonnes de déchets sont produits par les chantiers de bâtiment en France par an. Ces déchets proviennent des chantiers de démolition, de réhabilitation, et de constructions neuves, soit : (FFB). 65 % proviennent de la démolition, 28 % proviennent de la réhabilitation des ouvrages, 7 % proviennent de la construction neuve. Ces chiffres proviennent des études effectuées par la Fédération Française du bâtiment Sur le plan national, 15 millions de tonnes de granulats issus de matériaux de démolition sont produits en Ce chiffre reste inchangé par rapport à l année précédente. Ce type de granulats représente plus de 70% de la production de granulats issus du recyclage des déchets en France (21 millions de tonnes). La région Alsace produit 1,7 millions de tonnes de granulats de recyclage, et se classe dans les premières régions productrices de granulats recyclés. 14

15 2.2. Règlements normatifs et utilisation Circulaire sur la gestion des déchets Les déchets du bâtiment et des travaux publics sont soumis aux dispositions générales sur l élimination des déchets reprises dans le Code de l Environnement (article L à L ). Cet article définit le rôle et les responsabilités des producteurs de déchets de chantier par rapport à leur élimination. En effet, tout producteur de déchets de chantiers est responsable de leur bonne élimination. Il doit, entre autres veiller à limiter l enfouissement aux seuls déchets ultimes, à favoriser leur valorisation par réemploi ou par recyclage. «Enfin, la circulaire interministérielle du 15 février 2000, relative à la planification de la gestion des déchets de chantiers du BTP, a assigné les objectifs suivants : assurer le respect de la réglementation (fin des décharges sauvages, application du principe du «pollueur-payeur»), mettre en place un réseau de traitement bien réparti sur le territoire et dont les coûts seront intégrés et clairement répartis, réduire les déchets à la source, réduire le stockage en développant la valorisation et le recyclage, développer l utilisation des matériaux recyclés, impliquer les maîtres d ouvrages publics.» Source : Normes et réemploi des matériaux de démolition Encadrement normatif des graves de béton recyclé Les Graves de Recyclage sont identifiées selon six catégories (GR0-Sol, GR1-Sol, GR2, GR3 et GR4) et par un indice (B, E, M) en fonction de leur origine : B : Grave recyclée béton, E : Grave recyclée enrobés, M : Grave recyclée mixte (enrobé et béton). Les caractéristiques géotechniques des matériaux recyclés conduisent à leur classification dans la catégorie F7 de la norme NF P (1992) (Exécution des terrassements, classification des matériaux utilisables dans la construction des remblais et des couches de formes d'infrastructures routières.) Les matériaux recyclés peuvent également intégrer les catégories E ou D de la norme granulats XP P , 1997 (Granulats. Définitions, conformité, spécifications). La norme XP P établit une définition des granulats et donne des classes de spécification et de conformité pour les principaux usages, en particulier pour les matériaux routiers. Le système de classification ne différencie pas les matériaux naturels des matériaux artificiels. Les normes NF P , XP P , et NF P (GNT A) (normes non spécifiques aux granulats recyclés) définissent les graves suivantes en fonction de leur utilisation : 15

16 Graves GR0-Sol et GR1-Sol La grave GR0-Sol est utilisable en remblai et la grave GR1-Sol en couche de forme et en tranchée. Les conditions d emploi sont déterminées par référence au G.T.R. pour la famille «matériaux de démolition -F7» pour laquelle les dispositions applicables sont celles de la famille de sols «naturels» dont les paramètres d identification géotechnique sont les mêmes. Pour la GR0-Sol, la détermination des conditions d emploi nécessite la connaissance de l état hydrique du matériau. Graves GR2, GR3 et GR4 Leur emploi en assise de chaussées est possible, sous forme GNT. Les spécifications sont données en fonction de : - la position de la couche dans l assise (fondation ou base) - du trafic selon l échelle suivante. Figure 1-10: Structure de chaussées _ Source : Figure 1-11: Classe de trafic _ Source : guide d utilisation en travaux public : graves de recyclage_unicem Figure 1-12: Récapitulatif des classements des graves de recyclage _ Source : 16

17 Ces normes précisent les caractéristiques des granulats recyclés NF EN / P : Essais pour déterminer les caractéristiques mécaniques et physiques de granulats - Partie 2 : méthodes pour la détermination de la résistance à la fragmentation NF EN / P : NF EN Essais pour déterminer les caractéristiques mécaniques et physiques des granulats - Partie 1 : détermination de la résistance à l'usure (micro-deval). NF EN : Essais pour déterminer les caractéristiques géométriques des granulats Partie 9 : Qualification des fines Essai au bleu de méthylène XP P : Granulats - Eléments de définition, conformité et codification : teneur en sulfates solubles NF P : Classification des matériaux utilisables dans la construction des remblais et des couches de forme d'infrastructures routières - Exécution des terrassements NF EN Essais pour déterminer les caractéristiques géométriques des granulats. Partie 11 : essai de classification des constituants de gravillons recyclés (indice de classement: P ). Cette norme est basée sur un tri visuel. Elle permet une classification des produits en fonction de teneurs pondérales ou volumétriques. L'amendement de juin 2008 précise les teneurs en constituants des granulats recyclés (chlorures, sulfates solubles dans l'eau). Il aborde en outre la question de la réaction alcali silice avec les granulats recyclés et leur effet possible sur le temps de prise Encadrement normatif de granulats recyclés pour béton Les granulats recyclés et artificiels sont soumis aux mêmes exigences que les granulats naturels, c est-à-dire, que ces granulats doivent respecter les normes en vigueur pour les granulats naturels, soit : NF EN "Granulats pour mortiers" NF EN "Granulats pour bétons hydrauliques" NF EN "Granulats légers pour bétons, mortiers et coulis" Depuis plusieurs années, des études ont été menées pour caractériser les bétons constitués de granulats artificiels. Néanmoins aucune norme ne spécifie l emploi des granulats recyclés pour la fabrication de béton. 17

18 Conclusion Cette partie de l étude porte sur la production, la consommation et l utilisation des granulats, naturels et recyclés en France et tout particulièrement en Alsace en Il faut retenir, d un point de vue national, que : La production de granulats a enregistré une baisse en 2009 par rapport à celle de Avec 376 millions de tonnes, elle a perdu 12,8 %. La production de roches meubles a chuté de 14,6 % et celle de roches massives de 11,8 %. Les matériaux de recyclage limitent leur baisse à 8,7 %. Ils représentent désormais 6 % de la production totale. Les matériaux issus de la démolition n observent aucune baisse, ni augmentation. En effet, 15 millions de tonnes de granulats recyclés ont été produits en 2009 Au niveau régional : L Alsace se classe 8 ème région productrice de France avec plus de 17 millions de tonnes de granulats produits. l Alsace produit 1,7 millions de tonnes de granulats recyclés soit 8% de la production nationale grâce à plus de 70 plateformes de recyclage des matériaux de démolition. Cette région exporte une grosse quantité de roches meubles vers les pays limitrophes en raison d une richesse importante de ce matériau. La baisse de la production de granulats en France s explique par le fait que la consommation a baissé au cours de cette période. La valorisation de ces granulats issus du recyclage présente un intérêt d ordre économique et environnemental. Le réemploi de ce matériau dans la fabrication de béton contribuerait à la diminution des coûts de transports des granulats et des déchets de démolition. Par ailleurs, ces granulats recyclés pouvant se substituer aux granulats naturels, ceci diminuerait l épuisement des ressources naturelles. Néanmoins, il est nécessaire d approfondir les connaissances sur les propriétés des granulats recyclés de béton en fonction de leur origine (qualité du béton parent, ) ce qui facilitera leur valorisation en tant que granulats à béton. 18

19 Chapitre II : La problématique des granulats recyclés de béton valorisation en béton de granulats recyclés de béton La thématique des bétons de granulats recyclés est un sujet très vaste qui couvre un grand nombre d études. Cette partie bibliographique ne présente que les éléments essentiels à l étude de la rhéologie du béton de granulats recyclés de béton à l état frais et la caractérisation de ses propriétés physiques et mécaniques à l état durci. La plupart des études de la littérature axe la problématique sur l analyse des résistances mécaniques des bétons de granulats recyclés liées aux propriétés des bétons initiaux, appelés bétons parents, et aussi sur leur durabilité mettant l accent sur les problèmes liés à des problèmes d alcali-réaction [4], [5], [6]. L étude proposée ici a pour objectif de répondre à deux problématiques liées à l industrialisation des bétons de Granulats Recyclés de Béton (GBR) : leur mise en œuvre et leurs propriétés spécifiques dans un contexte de développement durable. L étude bibliographique qui suit, après avoir effectué un rappel sur la classification des déchets de chantier, s articulera autour des trois volets suivants : - Les propriétés des granulats recyclés de béton (GRB) - La mise en œuvre des bétons de GRB - Les propriétés physicomécaniques des bétons de GRB I. Contexte : la classification des déchets Les granulats recyclés proviennent des déchets de démolition de bâtiments ou de routes. Ces déchets de chantier sont constitués de résidus des procédés de production et de transformation (déchets chimiques, emballages, bois traités ou non traités ). Ces déchets de démolition font partis des déchets industriels dans la classification usuelle (à distinguer des déchets urbains et des déchets agroalimentaire). Il est nécessaire de distinguer les différentes catégories des déchets industriels. Quatre grandes catégories permettent de classer ces déchets industriels : les déchets inertes désignés DI: La Directive européenne 1999/31/CE concernant la mise en décharge des déchets définit un déchet inerte comme un déchet ne pouvant subir aucune modification physique, chimique ou biologique. Les déchets inertes ne se décomposent pas, ne brûlent pas et ne produisent aucune autre réaction physique ou chimique. Ces déchets n entrainent pas de pollution de l environnement et ne peuvent nuire à la santé humaine. Exemple : béton, briques, pierre, tuiles, céramiques les déchets industriels banals (DIB) : Un déchet est dit banal si est traité par les mêmes procédures que ceux employés pour les déchets ménagers. Ces déchets ne sont ni inertes, ni toxiques. Cette appellation est en cours de modification : Déchets Non Dangereux (DND). Exemple : plastiques, métaux, verre, bois non traités 19

20 les déchets industriels spéciaux (DIS) ou déchets dangereux (DD): En opposition avec les DIB, ce type de déchet est traité par des procédés qui diffèrent de ceux employés pour les ordures ménagères. Ils contiennent des substances dangereuses pour l homme et pour l environnement. Leur stockage et leur traitement sont soumis à des règles strictes. Exemple : amiante, solvants, peintures, huiles, colles, goudron, bois traités ou emballages souillés, les déchets d emballages dont le traitement impose une valorisation au-delà d une certaine quantité produite (volume hebdomadaire : 1100 litres : décret du 13 juillet 1994 modifié le 30 juillet 1998) Figure 2-1: Compositions des déchets, chiffres de 2004 _ Source : chiffres Les déchets de démolition de bâtiments ou de routes peuvent donc être constitués de l ensemble de ces types de déchets. En effet, la composition approximative des déchets de démolition en Grèce se répartit comme suit [7] : - béton (40 %), - brique (30 %), - bois (10 %), - plastique (5 %), - métaux (5 %), - autres éléments (10 %). La démolition des routes génère des déchets d enrobés mais également des déchets de bétons hydrauliques. Le traitement de ces déchets permet d extraire les éléments non appropriés (comme les métaux) dans la fabrication de granulats recyclés pour usage routier. On distingue trois types de matériaux issus du recyclage : - Granulat recyclé béton, - Granulat recyclé enrobés, - Granulat recyclé tout venant. L étude actuelle porte sur la caractérisation des propriétés des granulats recyclés de béton et leur valorisation dans la fabrication des bétons. 20

21 II. Composition et propriétés physiques des granulats recyclés de béton (GRB) Les granulats recyclés de béton diffèrent des granulats naturels par leur composition. En effet, le granulat recyclé de béton est un matériau composite, dont les deux constituants sont[1], [8], [9] : des granulats naturels concassés partiellement de la pâte de ciment hydraté concassée, enrobant les granulats naturels. Figure 2-2: Compositions des granulats recyclés de béton _ Source : [1] Les éléments constitutifs de ces granulats recyclés sont présents en proportion différente. En effet, Le taux de pâte de ciment présent dans les granulats recyclés de béton varie en fonction de leur origine c est-à-dire en fonction de la formulation de base du béton initial appelé béton parent dans la littérature. [9]. Les propriétés de la pâte de ciment sont à l origine des éventuelles mauvaises propriétés des granulats recyclés constatées [1]. En effet, les propriétés physiques des granulats recyclés dépendent de la quantité et la qualité de pâte de ciment présente sur les granulats concassés. [10]. Des études montrent que la densité de ces granulats recyclés est plus faible ou encore que leur capacité d absorption est plus élevée [9]. De plus, leurs propriétés mécaniques s avèrent être moins bonnes que celles des granulats naturels [1]. La qualité de la pâte de ciment du béton parent est primordiale dans la définition des propriétés des granulats recyclés selon les auteurs. La lecture bibliographique a permis d établir un tableau comparatif (annexe 1) entre les propriétés physiques et mécaniques des granulats recyclés et celles exigées dans les normes européennes pour les granulats naturels dans la fabrication de bétons hydrauliques. L analyse de ces résultats présentés nous permet de conclure que : la masse volumique des granulats recyclés semble plus faible que celle des granulats naturels. l absorption d eau est importante pour les granulats recyclés. En effet, l ensemble des études montre que les granulats recyclés de béton sont caractérisés par une forte capacité à absorber l eau. De plus, il semble que la partie plus fine des granulats recyclés absorbe une quantité d eau plus élevée que les éléments plus grossiers. Le coefficient de Los Angeles est élevé comparé à celui exigé par la norme XP P article 10. Cette tendance est confirmée par les travaux de Sanchez de Juan & Gutiérrez qui expliquent que cette valeur élevée du coefficient de Los Angeles est due à la quantité de pâte de ciment présent autour des granulats naturels concassés. D une manière générale, les auteurs s accordent à dire que la qualité des granulats recyclés semble être inférieure à celle des granulats naturels. Il est donc essentiel de contrôler la quantité et la qualité de la pâte de ciment présent sur les granulats d origine afin de comprendre leur influence sur les propriétés des granulats recyclés et, par conséquent, les propriétés des bétons de granulats recyclés de béton. Il convient donc de définir les essais et analyses pertinents afin de caractériser les propriétés des granulats recyclés de béton. Cela induit également la nécessité de connaître les propriétés physiques et mécaniques du béton parent. 21

22 III. Ouvrabilité des bétons de GRB 3.1. Absorption des granulats recyclés Les granulats recyclés de bétons ont comme caractéristique une forte capacité d absorption. Cette propriété reste vraie quelle que soit la provenance du béton parent. [11], [1], [10]. Ce critère influe considérablement sur le comportement rhéologique des bétons frais. Les compositions des bétons de GRB nécessitent une quantité d eau supplémentaire pour l obtention d une ouvrabilité plastique similaire à celle d une composition de béton de granulats naturels. En effet, les bétons de GRB requièrent approximativement 15% d eau supplémentaire pour un même affaissement qu un béton classique. *T.C.HANSEN, Cette absorption est bien évidemment la conséquence de la présence de la pâte de ciment, mais plus particulièrement de sa structure alvéolaire [11]. En effet, la pâte de ciment est reconnue pour être un matériau poreux. Les interstices ont tendances à capter l eau et à la retenir. Il n y a donc pas suffisamment d eau libre pour hydrater les grains de ciment Problème des fines du sable recyclé Ce besoin en eau est également lié à la granulométrie du sable recyclé. En effet, la littérature permet de conclure que les parties fines des granulats recyclés réduisent l ouvrabilité du béton [T.C.HANSEN, 1986]. Plusieurs études ont permis de cibler le problème des fines des granulats recyclés en comparant l ouvrabilité d un béton constitué de 100% de granulats recyclés (béton recyclé) à celle d un béton de gravillons, graviers recyclés et de sable naturel (béton mixte). Il en ressort que le besoin en eau d un béton recyclé est plus important que celui d un béton mixte, soit 5 % d eau supplémentaire. [T.C.HANSEN, 1986]. Le remplacement de fines recyclées par le sable naturel facilite la mise en œuvre des bétons. Des études de formulations ont été effectuées afin d utiliser un adjuvant afin de réduire l apport en eau [14+. Il a été montré que la quantité d adjuvant nécessaire pour obtenir des valeurs similaires d affaissement est plus importante pour un béton de granulat recyclé que pour un béton mixte et un béton classique. Les fines des granulats recyclés influent donc sur le comportement rhéologique des bétons. Les fines, tout comme les éléments grossiers des granulats recyclés, sont constituées de granulats naturels concassés (ici en l occurrence des fines provenant du concassage des granulats naturels) et de pâte de ciment relativement friable (des fines issues du ciment hydraté). Il serait ainsi intéressant d identifier la part qui provoque la rigidification importante du béton recyclé: fines de granulats naturels concassés ou fines de pâte de ciment. En effet, dans le cadre de l étude d un béton à faible impact environnemental, l utilisation d une quantité d eau plus importante n est pas à souhaiter. En outre ce besoin en eau supplémentaire aura pour conséquences de diminuer les résistances mécaniques du béton. 22

23 IV. Propriétés physiques et mécaniques des bétons de GRB 4.1. Porosité des GRB et des bétons de GRB La porosité des granulats est généralement corrélée à leur capacité d absorption. La forte capacité d absorption des granulats recyclés est liée une forte porosité de ce matériau. Le taux de ciment dans le béton parent influe également sur la porosité des granulats recyclés. Celle-ci augmente significativement avec l augmentation de la quantité de pâte de ciment [12]. Grâce à des analyses microscopiques, Tam et al. ont décrit la géométrie de la porosité de granulats recyclés. Des pores sont présents entre les granulats naturels et la pâte de ciment selon eux. Ces pores fragilisent le matériau et limitent l emploi de ces granulats recyclés dans la fabrication des bétons. [2]. Pores observés entre les granulats naturels et la pâte de ciment constituant un granulat recyclé. Figure 2-3: Interface granulat naturel/pâte de ciment d un granulat recyclé de béton Source : [2] Ces pores engendrent une forte porosité des bétons de granulats recyclés [2]. L absorption des bétons recyclés augmente proportionnellement avec le taux de granulats recyclés, tandis que la densité des bétons décroît légèrement. [3]. Des problèmes de durabilité des bétons de GRB sont directement liés à la capacité d absorption et donc à la porosité des bétons de GRB. En effet, un grand nombre de phénomènes agressifs comme l alcali-réaction, le gel-dégel sont favorisés lorsque l absorption des bétons est élevée [4]. Le comportement hydrique des bétons recyclés serait assimilable à celui des bétons à base de granulats naturels. Grâce à une détermination de la porosité globale des bétons de GRB, il a été montré que l absorption initiale de ces bétons (absorption au bout d un jour de cure) est 7 fois plus élevée que celle d un béton classique [4]. Ce résultat souligne une proportion en volume plus importante des pores capillaires dans des bétons de GRB. D autres études notent l importance du volume des gros pores dans la répartition porométrique des bétons recyclés. [13]. Il semblerait que le béton de granulats recyclés et le béton mixte possèdent un volume de pores plus important qu un béton classique. Néanmoins, la remonté capillaire d un béton mixte semble être nettement plus élevée (1,6 fois plus importante) que les autres bétons (classique et recyclé)[14]. Le béton mixte semble posséder davantage de pores communicante que le béton recyclé et classique. Figure 2-4: Distribution porométrique, bétons à 28 jours (r=1 : béton composé de 100% de GRB; r=0,60 : béton de 60% de GRB ; r=0,30 : béton de 30% de GRB ; r=0,0 : béton de 0% de GRB_ Source : [3] 23

24 4.2. Influence de la porosité des bétons recyclés sur leurs propriétés mécaniques et physiques Des études ont montré que lors du remplacement des agrégats naturels par des granulats recyclés, les caractéristiques physiques et mécaniques des bétons de GRB changent. La porosité des bétons est modifiée et engendre des modifications sur le comportement mécanique du béton. Il apparaît que la forte porosité des bétons recyclés provoque la réduction de ces propriétés mécaniques [3]. Des essais de résistance à la traction, de résistance à la compression et de détermination du module d Young à 28 jours des bétons de BGR réalisés sur des éprouvettes φ 0,15 x 0,30 ont montré que f t, f c et E (respectivement la résistance à la traction, la résistance à la compression et le module d Young) des bétons BGR sont plus faibles que ceux des bétons ordinaires à 28 jours (baisse de, respectivement 10,8%, 11,5 % et 10,1 %)[3]. M. Etxeberria et al confirment cette tendance pour la résistance à la traction, la résistance à la compression et le module d Young (baisse de respectivement 2%, 9% et 11% par rapport aux valeurs enregistrées pour un béton classique) [10]. Ces résultats ne sont pas reconnus par tous. Pour un béton ordinaire, le module d Young augmente en fonction de l âge du béton tandis que le module d Young des bétons de GRB (26,6 GPa) ne semble pas dépendre de l âge de l éprouvette de béton (à rappeler que la valeur conventionnellement utilisée pour un béton ordinaire est 35 GPa) [3]. Des essais de porosité par injection de mercure montrent tout d abord un volume important des gros pores dans les bétons de GRB. Une étude comparative entre béton mixte et béton recyclé confirme le fait que la porosité dépend de la quantité de granulats recyclés et donc du taux de pâte de ciment présent sur les granulats. Ces essais d injection de mercure montrent également une baisse de la porosité totale des éprouvettes de béton GRB en fonction de son âge. [3]. En effet, la porosité totale passe de 19%, à 7 jours, à 15%, à 90 jours pour les bétons recyclés. Il serait donc intéressant de savoir si au-delà de ces 90 jours, la porosité totale des bétons de GRB pourrait encore varier et jusqu à quelle valeur. Des relations sont établies entre la porosité totale des bétons de granulats recyclés et leurs performances mécaniques. La résistance à la traction, à la compression et le module d Young semblent diminuer lorsque la porosité augmente [3]. De plus des études ont été faites en vue d établir une corrélation entre la porosité des bétons de GRB et leur propriété thermique. [14]. Les résultats de détermination des propriétés physiques indiquent que le béton recyclé (BR) semble posséder de meilleures propriétés thermiques (λ) que le béton de granulats naturels (Béton Classique BC) ce qui est corrélé à une porosité plus élevée mesurée (17% contre 14%). Il est cependant relevé que les capillarités du béton classique et du béton recyclé sont proches ce qui laisse supposer selon les auteurs que la distribution et la nature des pores sont différentes selon les bétons. Ces résultats mériteraient d être complétés par une mesure de la distribution de la porosité (répartition de la taille des pores) et une observation microscopique permettant d observer la porosité ouverte et/ou fermée. 24

25 V. Mécanisme d action des superplastifiants Les adjuvants sont des produits généralement chimiques qui sont incorporés dans les bétons de ciment lors leur malaxage à des doses inférieures à 5% de la masse du ciment. Ils provoquent des modifications de propriétés ou de comportement de béton frais. Un adjuvant a une action principale, selon laquelle on le classe, mais également des actions secondaires. La norme EN «adjuvants pour bétons-définition, spécifications et critères de conformité» définit une classification des adjuvants : - Adjuvants modificateurs de la rhéologie (Plastifiant et Superplastifiant) -Adjuvants modificateurs de prise et de durcissement (Accélérateur de prise, Accélérateur de durcissement et Retardateur de prise) - Autres catégories normalisées (Rétenteur d'eau, Entraîneur d'air et Hydrofuge de masse) Dans notre étude nous nous intéresserons uniquement aux adjuvants modifiant la rhéologie des bétons, c est-à-dire les plastifiants et superplastifiants Définitions - Plastifiants réducteurs d'eau Selon la définition donnée par la norme EN :1997, un superplastifiant est un «adjuvant qui, sans modifier la consistance, permet de réduire fortement la teneur en eau d un béton donné, ou qui, sans modifier la teneur en eau, en augmente considérablement l affaissement /l étalement ou qui produit les deux effets à la fois». La diminution du rapport E/C induit une augmentation des résistances mécaniques. Cet adjuvant provoque une défloculation des grains de ciment et une lubrification de la pâte. Il ne se dose en général qu entre 0,3 et 0,5 % du poids du ciment. - Superplastifiants hauts réducteurs d'eau Cet adjuvant fonctionne sur le même principe que le plastifiant mais avec une intensité plus importante. Le plastifiant permet une réduction d eau de 5 à10 % pour une maniabilité égale, tandis que le superplastifiant 15 à 25% suivant son dosage. Ces deux types d adjuvants permettent également un retard de prise à haut dosage en raison des naphtalènes. 25

26 5.2. Mécanisme d action Les superplastifiants ont pour fonction principale de provoquer, sans ségrégation, une augmentation importante de l ouvrabilité en conservant une même teneur en eau. Le béton se met donc en place plus facilement grâce à son aspect liquide. Les superplastifiants facilitent le mouillage des éléments fins comme les grains de ciment. Il existe différents superplastifiants classés en fonction de leur composition en quatre catégories. les sels sulfonés de polycondensés de naphtalène et de formaldéhyde, couramment appelés les polynaphtalènes sulfonates ou encore les superplastifiants à base de naphtalène les sels sulfonés de polycondensés de mélamine et de formaldéhyde, appelés couramment les superplastifiants à base de mélamine les lignosulfonates les polymères à base de polyoxyde d éthylène. Ces différents types de superplastifiants fonctionnent selon des mécanismes d action différents. On distingue dans la littérature deux mécanismes : la répulsion électrostatique la répulsion électrostatique et stérique Mécanisme Type d adjuvant Répulsion électrostatique polynaphtalènes sulfonates PNS polycondensés de mélamine sulfonée PMS Lignosulfonates MLS Répulsion électrostatique et stérique polymères à base de polyoxyde d éthylène Figure 2-5: Tableau des types d adjuvants en fonction de leur mécanisme d action La répulsion électrostatique : mode d action des PNS, PMS et LSM Les lignosulfonates modifiés (LSM) Les lignosulfonates modifiés forment le groupe des premiers superplastifiants utilisés. Ils proviennent du traitement du bois par voie chimique. Une liqueur est obtenue par réduction du bois. Elle contient de la lignine, polymère naturel constitutif de la couche de soutien du bois. Les LSM permettent une réduction de la teneur en eau dans les mortiers et bétons de 5 à 15 %. Ils sont retardateurs de prise à haut dosage : cet effet secondaire est causé par les résidus de sucres. Ils ont tendance à être fortement entraîneur d air. Cet adjuvant permet une augmentation des performances mécaniques. 26

27 (PMS) Les polynaphtalènes sulfonates (PNS) et les polymélamines sulfonates Ces deux derniers adjuvants permettent une très bonne dispersion des grains de ciment. Ils augmentent également les performances mécaniques lorsqu ils sont utilisés pour leur fonction réducteur d eau. Les polynaphtalènes sulfonates peuvent présenter un retard de prise à très haut dosage. Les mélamines améliorent quant à eux la compacité sans entrainer d'air. Leur utilisation s avère donc pointue car dans les cas d'extrême fluidité, c est-à-dire à fort dosage, il y a risque de ségrégation par manque de cohésion. Ces adjuvants formés d un polymère doivent assurer plusieurs fonctions lors de la réalisation du béton (réduction d eau, ouvrabilité prolongée, stabilité pour les bétons autoplaçant, performances mécaniques élevées à court et long terme ). Cette multiplicité de fonctions entraîne une évolution technologique de la chimie des adjuvants. Les nouvelles générations d adjuvants à base copolymères acryliques, maléïques remplissent ces différentes fonctions de manière plus efficace Mode de dispersion En présence d'eau, les grains de ciment ont tendance à s'agglomérer, à floculer. Lors de la mise en œuvre du béton, les grains de ciments se regroupent pour former un agglomérat appelé floc. Ces flocs entrainent une perte d ouvrabilité du béton car l eau utile pour la fluidification du mélange est piégée par ces flocs. Il est donc indispensable d employer une quantité d eau supplémentaire. Les superplastifiants ont pour but de casser ces flocs. Les grains dispersés sont ainsi mieux hydratés. En effet, lorsque des grains de ciment est en présence d une molécule de superplastifiants, il se crée une dispersion de ces grains en raison d une répulsion électrostatique. Le superplastifiant permet donc une défloculation et l individualisation des grains de ciment en raison des forces d attraction électrostatiques à l interface eau/ciment. L eau pénètre donc mieux dans le grain de ciment. Schéma de principe de la répulsion électrostatique La répulsion électrostatique et stérique: mode d action des polymères Figure 2-6: Mécanisme de répulsion électrostatique des PNS, PMS et MLS_ Source : 27

28 Les polymères à base de polyoxyde d éthylène apparaissent pendant les années 90. Ils sont obtenus par synthèse de plusieurs polymères. Ils regroupent les polycarboxylates, les polyacrylates et les phosphonates polyoxydes d éthylène. Ces adjuvants sont dits de «nouvelles générations». Les superplastifiants traditionnels ont pour effet principal la répulsion électrostatique, tandis que les polymères à base de polyoxyde d éthylène combinent deux actions : la répulsion électrostatique et l effet stérique. Schéma de principe de la répulsion électrostatique et stérique Figure 2-7: Mécanisme de répulsion électrostatique et stérique des PCP_ Source : 28

29 VI. Axes d études à développer Cette première étude bibliographique a permis de définir les problématiques des granulats recyclés de béton et de leur valorisation dans les bétons de granulats recyclés de béton (GRB). L étude portera donc sur l influence des granulats recyclés de béton sur les propriétés des bétons à base de ce matériau composite. Après avoir caractérisé les matériaux utilisés pour la confection des éprouvettes de bétons (étude de l absorption d eau, porosité des granulats, densité, granulométrie, ), le programme de recherche pourra s orienter autour des points suivants à approfondir. L adjuvantation des bétons de granulats recyclés, et plus particulièrement l adjuvantation des mortiers constitués de sable recyclé (partie la plus fine des granulats recyclés) : cette étude devra permettre dans un premier temps d identifier la part qui provoque la rigidification importante du béton recyclé: fines de granulats naturels concassés ou fines de pâte de ciment. Par la suite, il s agira de déterminer un type d adjuvant qui permet de défloculer les grains de ciment mais également d intervenir sur les parties fines du sable recyclé. Les propriétés mécaniques des bétons de granulats recyclés : il s agit d identifier les propriétés mécaniques des bétons recyclés et d identifier la relation existante entre porosité des bétons (géométrie et distribution) et performances mécaniques. Les propriétés thermiques des bétons de granulats recyclés : les caractéristiques thermiques particulières de ces bétons pourraient être liées à la porosité des bétons recyclés. En effet, la géométrie de la porosité entraînerait une meilleure inertie thermique de ces bétons. 29

30 Chapitre III: Etude sur l adjuvantation des mortiers de sable RTB 0/6,3 Objectifs Les bétons à base de granulats recyclés sont caractérisés par un problème d ouvrabilité. En effet en raison d une forte absorption et adsorption d eau par les granulats recyclés, les bétons auraient besoin d une correction en eau importante afin d atteindre une ouvrabilité plastique. Des études ont montré que les bétons de granulats recyclés requièrent approximativement 15 % d eau supplémentaire pour obtenir le même affaissement qu un béton classique sans ajout d adjuvant. Lorsqu une augmentation du dosage en adjuvant n est pas souhaitée, l ajout d adjuvant à hauteur de 5% doit être ajouté [14]. La porosité des granulats recyclés est à l origine de leur adsorption d eau importante. Cette porosité importante est une propriété physique du matériau qui dépend de la composition des granulats recyclés. Ils sont composés essentiellement de granulats naturels enrobés de mortier. Le mortier présent dans ces granulats recyclés est reconnu pour être un matériau poreux [10]. L adsorption d eau et la porosité des granulats recyclés sont donc des propriétés significatives à prendre en compte pour la réalisation de béton de granulats recyclés. Ils ont une influence non négligeable sur les propriétés du béton frais et durci. Le but de la présente étude est d identifier les adjuvants, notamment quel(s) type(s) de superplastifiant(s), sont à employer avec le sable RTB 0/6,3 provenant de Lingenheld Alsace. Pour cela, la rhéologie de la pâte de mortier comportant différents adjuvants sera étudiée à l aide notamment d un viscosimètre. L objectif est d identifier les adjuvants qui agissent sur la partie fine du sable recyclé, indépendamment de leur action bien connue sur le ciment anhydre. La partie fine du sable recyclé étant constituée de sable naturel et de pâte de ciment broyés, le mode d action de l adjuvant sera probablement différent de celui utilisé pour défloculer les grains de ciment anhydre. Les essais utilisés dans cette partie de l étude ont pour but de mettre en évidence ces phénomènes. 30

31 Paragraphe 1 : étude préliminaire sur les granulats recyclés I. Matériaux et méthodes 1.1. Matériaux Granulats récupérés sur site : Recyclé Tout Béton RTB 0/20. Date de prélèvement sur plateforme de recyclage Lingenheld Alsace : juin coupes réalisées : - 0/6,3-6,3/12,7-12,7/20 Dans cette étude, deux coupes granulaires sont utilisées - Sable entier 0/6.3 - Gravier 6.3/ Matériels de mesure Mesure de densité effectuée selon la norme : P Masse volumique absolue des fines Analyse granulométrique selon la norme : - NF EN Analyse granulométrique par tamisage - NF P Sédimentométrie Essai de perméabilité de Blaine : La notion de finesse de mouture est liée à la notion de «surface spécifique qui désigne le total des aires de tous les grains contenus dans une quantité unité. Plus la finesse de mouture est grande, plus la vitesse des réactions d'hydratation est élevée. L'appareil utilisé pour déterminer la finesse de mouture est appelé «Perméabilimètre de Blaine». Cet appareil est schématisé comme ci contre. Il se compose pour l essentiel d une cellule dans laquelle est placé le ciment à tester et d un manomètre constitué d un tube en verre en forme de U. La cellule est équipée d une grille en sa partie inférieure. Un piston sert à tasser le ciment dans la cellule sous un volume V défini. On mesure la vitesse d écoulement et détermine ainsi la surface spécifique. 31 Figure 3-1 : Schéma de l appareil de mesure de la perméabilité de Blaine _ Source :

32 II. Résultats et premières analyses 2.1. Masses volumiques absolue et apparente du sable et de fractions de sable RTB 0/6,3 Fraction Sable entier RTB 0/6,3 Sable RTB 3,15/6,3 Sable RTB 1,25/3,15 Sable RTB 0/1,25 Sable RTB 0/0,100 Sable RTB 0/0,063 γ app M. vol. ap. 1,31 1,19 1,14 1,28 1,18 1,00 en g/cm 3 γ abs M. vol. 2,44 2,48 2,49 2,51 2,60 2,57 abs. en g/cm 3 Figure 3-2 : Tableau des masses volumiques apparente (γ app) et absolue (γ abs ) de différentes fractions de sables Ces essais confirment les conclusions amenées par la lecture bibliographique : la masse volumique absolue des granulats recyclés de béton est moins élevée que celle des granulats naturels (2,6 à 2,7g/m 3 : valeurs courantes pour les granulats naturels) Analyse granulométrique L analyse granulométrique permet de déterminer la distribution des tailles des éléments composant l échantillon à analyser. Elle est composée de plusieurs opérations faisant appel à des méthodes différentes. Lors de l étude en cours, deux méthodes sont utilisées : 1. Tamisage à sec : supérieur à 63 microns 2. Sédimentométrie : inférieur à 63 microns. Figure 3-3 : Analyse granulométrique sable RTB 0/6,3 et du sable normalisé 32

33 Le sable RTB dans la fraction 0/0,160 possède plus d éléments fins que le sable de sablière. Cette différence s explique probablement aux poussières de concassage. Dans la fraction 0,160/6,3, le sable RTB est composé de plus d éléments grossiers que le sable de gravière. Ces résultats sont en adéquation avec ceux déterminés lors de campagnes d essais précédentes. [14] Le sable RTB possède une courbe granulométrique continue dans la fraction 6,3/0,063. Cet essai a été réalisé à deux reprises et les deux résultats obtenus montrent la même tendance 2.3. Module de finesse du sable RTB 0/6,3 La norme XP P définit le module de finesse d un sable comme le 1/100 ème de la somme des refus exprimés en pourcentages sur les différents tamis suivants : 0,16-0,315-0,63-1,25-2,5-5 mm. On a donc Le module de finesse moyen obtenu est de. Le sable étudié est donc qualifie de grossier. Un bon sable à béton doit avoir un module de finesse M f compris entre 2,2 et 2,8 (le module idéal étant de 2,5). Le sable recyclé ne semble pas posséder de bonnes propriétés pour la fabrication de béton Essai de perméabilité de Blaine Cet essai est réalisé sur la partie la plus fine du sable RTB, c est-à-dire sur une partie dont le diamètre maximal est inférieur à 0,063 mm. Résultats : surface spécifique en cm²/g sable RTB 0/0, Ciment : Holcim CEM II/B M (L- S) 32,5 R CP2 Figure 3-4 : Tableau de résultats La surface spécifique du sable RTB 0/0,063 est inférieure à celle des grains de ciment. Il sera nécessaire d effectuer la même mesure sur la partie fine d un sable normalisée afin d en extraire une conclusion 33

34 Paragraphe 2 : Adjuvantation des mortiers de sable RTB 0/6,3 I. Détermination de l ouvrabilité du mortier de sable RTB 0/6,3 : essais au mini cône 1.1. Matériaux A. Sable RTB 0/6,3 : o Provenance du sable : Lingenheld Alsace o Coupes granulaires : - Filler 0/1,25 mm - Sablon 1,25/3,15 mm - Sable grossier 3,15/6,3 mm - Sable entier 0/6.3 mm B. Ciment : Holcim CEM II/B M (L-S) 32,5 R CP2 C. Eau de gâchage : Eau potable D. Adjuvant : Plastifiant/ Superplastifiant Adjuvants utilisés lors de l étude Nom Fabricant Composition Résultats prévus par le fabricant Chryso fluid optima 203 CHRYSO Plastifiant haut réducteur d eau, superplastifiant de nouvelle génération à base de polycarboxylate modifié superplastifiant de nouvelle génération à base de phosphonate modifié Chryso fluid CHRYSO optima 100 Structuro 333 FOSROC superplastifiant haut réducteur d eau, nouvelle génération constitué de copolymères polycarboxylates Résiflow N40 FOSROC superplastifiant haut réducteur d eau, constitué de polymères de synthèse de la famille des naphtalènes Résiflow BB40 FOSROC superplastifiant haut réducteur d eau, constitué de Chryso fluid premia 150 glenium sky 537 CHRYSO BASF polymélamine Superplastifiant haut réducteur d eau, de nouvelle génération à base de polycarboxylate modifié Superplastifiant haut réducteur d eau, de nouvelle génération à base d éther polycarboxylate modifié Plage de dosage préconisée Long maintien d ouvrabilité 0,3 à 3,0 kg pour 100 kg de ciment Très long maintien d ouvrabilité Augmentation du temps d ouvrabilité Maintien satisfaisant Tableau 3-5: tableau des caractéristiques des adjuvants utilisés d ouvrabilité 0,3 à 5,0 kg pour 100 kg de ciment 0,2 à 5,0 kg pour 100 kg de ciment 0,5 à 4,0 kg pour 100 kg de ciment Amélioration de la 0,5 à 4,0 kg pour 100 compacité du béton frais kg de ciment Faible maintien d ouvrabilité 0,25 à 2,0 kg pour 100 kg de ciment Long maintien d ouvrabilité (maniabilité très plastique ou fluide pendant 1h30min) 0,2 à 3,0 kg pour 100 kg de ciment 34

35 1.2. Méthodes : mesure à la table d affaissement et d étalement Les mortiers de sable RTB sont réalisés selon la norme EN Le malaxage de la composition de mortier s effectue pendant 4 minutes conformément aux prescriptions de la norme. L appareil de mesure de la maniabilité du mortier est composé de deux dispositifs : - un «mini cône» - une plaque d étalement. Figure 3-6 : Photographie de la table d affaissement et d étalement Le «mini cône» s inspire d un appareil d essai rhéologique : le cône d Abrams. Celui-ci permet de déterminer l ouvrabilité du mortier mis en œuvre. 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. Ce dispositif permettra de définir des tendances sur l efficacité des adjuvants utilisés, maniabilité et fluidité Compositions Compositions de référence 4 coupes granulaires ont été réalisées afin de caractériser l efficacité des adjuvants sur chacune de ces différentes coupes. Filler 0/1,25 mm Sablon 1,25/3,15 Sable grossier 3,15/6,3 Sable 0/6,3 Masse de ciment L étude est réalisée : - à volume constant - pour un rapport E/C fixé - pour une proportion de sable fixée. Volume de ciment 40% du volume de ciment = Volume de sable Figure 3-7: Procédure de détermination de la masse de sable à introduire dans les mélanges Masse de sable par fraction 35

36 Suite à une succession de compositions étudiées, les compositions de référence suivantes sont retenues : Composition sans sable : - 450g de ciment g d eau (soit un rapport E/C= 0,28) Composition avec sable : - 450g de ciment g d eau (soit un rapport E/C= 0,30) - Volume de sable : 40% du volume de ciment Ces compositions permettent d obtenir par fraction granulaire de sable une valeur de référence pour la suite des essais avec adjuvants. Afin de caractériser l efficacité de l adjuvant, la composition de référence doit avoir un affaissement et un étalement compris dans un intervalle exploitable. Ces deux caractéristiques doivent se trouver dans des plages bien définies. En effet, l affaissement pour être suffisant pour que le mélange soit considéré comme ferme afin de pouvoir observer l efficacité des adjuvants lors de leur ajout dans la formulation de mortier de sable recyclé ou de coulis de ciment Compositions adjuvantées Composition sable sans Ciment : 450g Eau : 126 g (E/C=0.28) Adjuvant : 1,5 % de la masse de ciment Composition avec sable entier RTB 0/6,3 Ciment : 450 g Eau : 135g (E/C=0.3) Sable : 40% volume de ciment : 141,68 g Adjuvant : 1,5 % de la masse de ciment Composition avec filler RTB 0/1,25 Ciment : 450 g Eau : 135g (E/C=0.3) Sable : 40% volume de ciment : 145,74 g Adjuvant : 1,5 % de la masse de ciment Composition avec sablon RTB 1,25/3,15 Ciment : 450 g Eau : 135g (E/C=0.3) Sable : 40% volume de ciment : 144,58 g Adjuvant : 1,5 % de la masse de ciment Composition avec sable grossier RTB 3,15/6,3 Ciment : 450 g Eau : 135g (E/C=0.3) Sable : 40% volume de ciment : 144,00 g Adjuvant : 1,5 % de la masse de ciment L extrait sec de chaque adjuvant est pris en compte dans la formulation de mortier. Figure 3-8: Tableau des compositions : essais réalisés au mini cône 1.4. Résultats et discussions Sur l ensemble des compositions, une mesure d étalement (sur la table) et d affaissement (au mini cône) est réalisée immédiatement après les 4 minutes de malaxage. Ces essais permettent donc de conclure sur l efficacité immédiate des adjuvants. L objectif de cette étude est d identifier quel(s) type(s) d adjuvant est (sont) efficace(s) sur les fines du sable recyclé. Les différents adjuvants et en particulier les superplastifiants sont connus pour leur action sur les grains de ciment. Les essais suivants permettront de caractériser l influence de l adjuvant sur la 36

37 rigidification apportée par le sable recyclé. Il s agit de déterminer quel type de superplastifiant agit sur le sable recyclé en fonction les différentes fractions de sable recyclé. Effet des différentes fractions de sable RTB Pour le soin de cette étude, le même rapport E/C est utilisé pour les compositions sans sable et avec sable RTB, c est-à-dire E/C=0,3, à volume constant de sable soit 40% du volume de ciment. Afin d observer l influence du sable recyclé sur la pâte de ciment, un calcul de perte (gain négatif) est effectué. Ainsi il sera possible d observer le changement de maniabilité apportée par l ajout de sable recyclé. La composition de référence est dans ce cas le mélange ciment/eau sans sable. La perte a donc pour expression : (Sable RTB entier 0/6,3 ; Filler RTB 0/1,25;Sablon RTB 1,25/3,15;Sable grossier 3,15/6,3) Figure 3-9.a: Diagramme décrivant l effet des différentes fractions de sable RTB sur l ouvrabilité de la pâte de mortier Sable RTB entier 0/6,3 Filler RTB 0/1,25 Sablon RTB 1,25/3,15 Sable grossier RTB 3,15/6,3 Perte d affaissement Perte d étalement Figure 3-9.b: Tableau des valeurs des pertes en affaissement et étalement des différentes fractions de sable RTB par rapport à une composition sans sable. 37

38 Calcul des pertes théoriques en affaissement et étalement sur le sable RTB entier 0/6,3 : Ce calcul est effectué en tenant compte des proportions de chaque fraction dans la composition globale du sable (proportion donnée par l analyse granulométrique) ; Affaissement : Etalement : L effet des différentes fractions de sable semble s ajouter : il ne semble pas avoir d interaction entre les différentes fractions de sable dans le comportement globale du sable RTB 0/6,3 Cette première étude montre l influence du sable recyclé sur l ouvrabilité du mortier de sable RTB. En effet, pour toute fraction de sable recyclé utilisée (sable entier, sable grossier, sablon ou filler), une forte rigidification de la pâte de mortier est observée. Par rapport à un mélange ciment/eau, on relève une perte d affaissement de 69,2 % et d étalement de 19 % pour le mélange constitué de sable entier RTB 0/6,3. Cela confirme la forte absorption de l eau par le sable recyclé [T.C.HANSEN, 1986]. De plus cette étude permet également d affirmer que les parties fines des granulats recyclés contribuent considérablement à la réduction d ouvrabilité du mortier. En effet, l ouvrabilité du mortier de filler RTB est moindre que l ouvrabilité des autres fractions de sable. L absorption par les fines du sable recyclé est donc plus importante que les autres fractions de sables. Ce résultat est en adéquation avec des études antérieures relatives au problème d absorption de l eau par les parties fines des granulats recyclés de béton [T.C.HANSEN, 1986]. La même analyse avec des mélanges composés de sable normalisé pourrait être effectuée afin d obtenir un comparatif entre fractions fines de sable normalisé et sable recyclé. Celle-ci permettra de mettre en évidence les effets négatifs du sable recyclé, notamment sa plus forte absorption. Effet immédiat de l adjuvant sur le ciment et le sable RTB entier 0/6,3 Efficacité des adjuvants sur le ciment : Dans cette analyse, on cherche à définir l efficacité des différents adjuvants sur la pâte de ciment. L analyse porte donc sur le gain positif en termes de maniabilité et de fluidité. La composition de référence est dans ce cas le mélange ciment/eau sans sable, non adjuvantée. Le gain a donc pour expression : 38

39 Figure 3-10.a: Diagramme décrivant l efficacité des adjuvants sur une pâte de ciment et tableau de valeurs associées Optima 203 Optima 100 Structuro 333 Résiflow N40 Résiflow BB40 Premia 150 Glenium sky 537 Affaissement Etalement Figure 3-10.b: Tableau des valeurs des gains en affaissement et étalement des différentes compositions adjuvantées par rapport à une composition de référence de coulis de ciment sans adjuvant. L ensemble des adjuvants utilisés améliore l ouvrabilité de la pâte de ciment. Le gain en affaissement est pratiquement le même selon les 7 adjuvants testés (environ 125 %). Ces mesures d affaissement apportent des indications sur la maniabilité du mélange. Néanmoins, au même dosage (dosage en adjuvant de 1,5% de la masse de ciment), l efficacité des adjuvants, en termes d étalement (qui caractérise la fluidité), diffère en fonction de leur composition. En effet, il est observé que les superplastifiants hauts réducteurs d eau, de nouvelle génération à base de polycarboxylate modifié (Chryso Fluid premia 150) ou constitués de polymélamine (Résiflow BB40) provoquent un étalement plus important que les autres types d adjuvants (Plastifiant haut réducteur d eau, superplastifiant de nouvelle génération à base de polycarboxylate modifié, Chryso fluid optima 203, ou superplastifiant haut réducteur d eau, constitué de polymères de synthèse de la famille des naphtalènes,résiflow N40, par exemple). Efficacité des adjuvants sur le sable RTB entier 0/6,3: Pour caractériser l efficacité immédiate des adjuvants sur le sable RTB 0/6,3, les gains en maniabilité et en fluidité sont déterminés suivant la relation suivante : 39

40 Figure 3-11.a: Diagramme décrivant l efficacité des adjuvants sur une pâte de mortier de sable recyclé et tableau de valeurs associées Optima 203 Optima 100 Structuro 333 Résiflow N40 Résiflow BB40 Premia 150 Glenium sky 537 Affaissement Etalement Figure 3-11.b: Tableau des valeurs des gains en affaissement et étalement des différentes compositions adjuvantées par rapport à une composition de mortier de sable RTB 0/6,3 entier sans adjuvant. Lors de l ajout du sable RTB 0/6,3 dans la composition, les adjuvants influencent de manière différente l ouvrabilité de la pâte de mortier. Contrairement à la pâte de ciment, le gain en affaissement est plus élevé que le gain en étalement. La maniabilité du mélange est donc améliorée par l ajout de superplastifiant, sans toutefois augmenter la fluidification du mélange de manière très marquée à ce pourcentage d adjuvant (1,5% de la masse de ciment). Pour les 7 adjuvants, le gain en affaissement est supérieur à 300%. Néanmoins, l ouvrabilité du mortier de sable recyclé avec l adjuvant Chryso Fluid Premia 150 est plus importante que pour les autres compositions. C est par ailleurs le mélange qui présente le plus grand étalement. Les résultats des essais antérieurs effectués au laboratoire avaient montré de bons résultats pour l adjuvant Chryso Fluid optima 203 sur le sable entier 0/6,3 par rapport aux autres adjuvants. Cette tendance ne se retrouve pas lors des derniers essais en ce qui concerne la fluidité. On peut observer un affaissement important de la pâte de mortier, quasiment équivalent à celui des autres compositions. Néanmoins, l efficacité de cet adjuvant sur l étalement est, quant à elle, quasiment nulle face à celle des autres adjuvants tel que le Chryso fluid premia

41 Cette différence de tendance peut s expliquer par un dosage en adjuvant plus important lors des précédents essais (3% de la masse de ciment), mais également par des conditions d essais différentes. Il semblerait que certains adjuvants agissent directement sur le sable recyclé en plus de leur action sur le ciment anhydre. Afin de vérifier cette conclusion, une étude sur les différentes fractions de sable est réalisée. Il s agit de déterminer sur quelle fraction de sable agissent les adjuvants. Efficacité des adjuvants sur les différentes fractions de sable RTB : Pour caractériser l efficacité immédiate des adjuvants sur les différentes fractions de sable RTB( fraction 0/1,25, 1,25/3,15, 3,15/6,3), les mêmes calculs de gain en maniabilité et en fluidité sont effectués: Optima 203 Optima 100 Structuro 333 Résiflow N40 Résiflow BB40 Premia 150 Glenium sky 537 Affaissement Etalement

42 Optima 203 Optima 100 Structuro 333 Résiflow N40 Résiflow BB40 Premia 150 Glenium sky 537 Affaissement Etalement Optima 203 Optima 100 Structuro 333 Résiflow N40 Résiflow BB40 Premia 150 Glenium sky 537 Affaissement Etalement Figure 3-12: Diagrammes décrivant l efficacité des adjuvants sur les différentes fractions de sable recyclé et tableaux de valeurs associées 42

43 Cette première série d essais permet de définir des tendances concernant le comportement rhéologique des pâtes de mortier adjuvantées. De manière générale, il semblerait que les adjuvants agissent davantage sur la maniabilité (caractérisée par le gain en affaissement) que sur la fluidité du mélange (caractérisée par le gain en étalement) pour les pâtes de mortier composés de filler RTB 0/1,25 et de sablon 1,25/3,15. Pour la composition de sable grossier, les gains en affaissement et en étalement sont sensiblement les mêmes. Les adjuvants agissent donc autant sur la maniabilité et sur la fluidité du mélange. Néanmoins, 3 adjuvants se distinguent et contribuent à l amélioration du comportement rhéologique du mélange de référence : - Résiflow BB40 - Chryso Fluid premia Glenium sky 537. Pour les mélanges de sablon RTB 1,25/3,15, seul le Chryso fluid premia 150 apporte la même efficacité sur la maniabilité et la fluidité. En effet, le gain en affaissement est quasiment identique au gain en étalement, soit 250%. 3 autres adjuvants (Structuro 333, Résiflow BB40, Résiflow N40) sont efficaces sur cette pâte de mortier bien que leur gain en étalement soit inférieur à celui mesuré sur la pâte de mortier adjuvanté avec le Chryso fluid premia 150. Pour la fraction de sable la plus fine, c est-à-dire le filler RTB 0/1,25, on peut observer une amélioration de la maniabilité de la pâte de mortier. En effet, le gain en affaissement est de plus de 600 % pour 6 adjuvants sur 7 testés, tandis que pour les deux autres types de compositions (avec sablon RTB et sable grossier) le gain en affaissement par rapport à leur référence sans adjuvant n excède pas 250%. Par ailleurs, l efficacité des adjuvants sur la fluidité est moindre par rapport à la maniabilité. Néanmoins, pour 3 des 7 adjuvants utilisés, on note une efficacité identique sur la fluidité à celle des autres compositions. Pour les mélanges composés des différentes fractions (filler, sablon, sable grossier), on note que pour: - Chryso fluid optima 100 : gain en étalement d environ 140% par rapport à la référence sans adjuvant - Chryso fluid premia 150 : gain en étalement d environ 240 % par rapport à la référence sans adjuvant - Glenium sky 537 : gain en étalement d environ 145 % par rapport à la référence sans adjuvant Il semblerait que certains types de superplastifiants agissent sur les parties fines du sable recyclé en plus de leur action sur les grains de ciment. Les autres fractions semblent être moins influencées par l ajout d adjuvant. Les graphiques (pâtes de ciment adjuvantées sans sable p.39 et pâte de mortier de filler RTB 0/1,25 p.41) montrent que le gain en affaissement des mortiers de filler RTB est 43

44 supérieur à celui des compositions de coulis de ciment adjuvantées, tandis que le gain en étalement est inférieur. Deux hypothèses peuvent expliquer ce comportement : - Le mode d action des adjuvants diffèrent selon les parties fines (grains de ciment, fines de sable recyclé, sable RTB entier) - Les adjuvants ne sont efficaces que sur le ciment, cependant cette efficacité peut varie en fonction de la taille du sable présent. Des essais supplémentaires seront à réaliser sur des compositions comportant des fines recyclés sans présence de ciment afin de caractériser un effet éventuel sur les fines du sable RTB. Les seuls adjuvants capables de défloculer les particules fines des granulats recyclés avec une influence sur la fluidité sont ceux à base d éther polycarboxylique modifié (Glenium sky 537) ou de polycarboxylate modifié (Chryso Fluid premia 150 et le Chryso Fluid optima 100). Ces adjuvants peuvent donc permettre une mise en œuvre des bétons de granulats recyclés en diminuant la quantité d eau à incorporer. Ces adjuvants de nouvelle génération combinent deux actions : répulsion électrostatique et effet stérique. La répulsion électrostatique est le processus de dispersion des superplastifiants traditionnels plus anciens comme les mélamines ou naphtalènes. L effet stérique est garanti par l emploi de polymères dans la formulation de l adjuvant. La dispersion des grains de ciment est plus stable et donc meilleure que celle provoquée par l effet d un superplastifiant traditionnel. De ce fait il y a une meilleure hydratation. En outre l ouvrabilité est ainsi prolongée sans toutefois modifier la cinétique d hydratation. Ce type d adjuvant (base d éther polycarboxylique modifié ou de polycarboxylate modifié) permet une très bonne dispersion des grains de ciment grâce à son pouvoir défloculant. Il augmente les performances de maintien de rhéologie en diminuant le dosage par rapport aux adjuvants à base de naphtalènes et mélamines. Il présente également l avantage d être très haut réducteur d'eau. Cette caractéristique entraîne une bonne cohésion et homogénéité des bétons fluidifiés. Par la suite, il serait intéressant de déterminer sur quel composant des parties fines du sable recyclé agit l adjuvant: fines de granulats naturels issues du concassage ou fines de pâte de ciment hydraté. Par ailleurs, des études complémentaires devraient être faites sur les bétons de GRB afin de juger de leur efficacité sur des tailles de grains plus importantes, mais également valider cette efficacité lors de l utilisation d un autre liant hydraulique tels qu un autre ciment (CEM III/32,5 par exemple) ou le laitier de haut fourneau. Les essais ont été réalisés immédiatement après le malaxage, c est-à-dire au bout de 4 minutes après le début de malaxage. De ce fait, la durée pratique d utilisation n a pas été observée. 44

45 En effet, les adjuvants utilisés n ont pas le même maintien d ouvrabilité attendu. Ces essais sont donc à répéter en effectuant au minimum 3 séries de mesure afin d observer leur efficacité à plus long terme : - mesure immédiate - mesure au bout de 15 minutes après le début de malaxage - mesure au bout de 30 minutes après le début de malaxage Les essais effectués à l aide de la «table d étalement» ne permettent d obtenir que des tendances en niveau du comportement rhéologique d une pâte de mortier de sable recyclé adjuvantée. Ce matériel n est pas suffisant pour déterminer l action de l adjuvant sur les différents éléments fins présents dans la composition. Une campagne d essais à l aide d un viscosimètre à cylindres coaxiaux sera à effectuer afin de caractériser de manière plus précise le comportement rhéologique des compositions adjuvantées. Des valeurs quantitatives seront fournies par ce type de matériel et permettront d identifier l influence et le rôle de chaque adjuvant sur les 3 types d éléments fins présents dans la composition. Ces essais permettront notamment d observer un maintien ou non de l ouvrabilité des mélanges. 45

46 II. Détermination du comportement rhéologique du mortier de sable RTB 0/6,3 : mesure au viscosimètre L étude qui suit porte sur l analyse du comportement rhéologique d un mortier de sable recyclé adjuvanté. L étude précédente (à l aide de la table d étalement) n est pas suffisante pour analyser l action de l adjuvant sur les différents éléments fins. En effet, on cherche à découpler l action de l adjuvant sur les constituants suivants de nos bétons : ciment anhydre, ciment en partie hydraté présent dans le sable recyclé sable concassé présent dans le sable recyclé. Le viscosimètre à cylindres coaxiaux est couramment utilisé pour l étude du comportement des coulis de pâtes de ciment ou des mortiers. Il permet de définir un comportement rhéologique basé sur un modèle mathématique (loi de newton, loi de Herschel Bulkley ). Ainsi à l aide d une étude comparative (entre pâte de ciment adjuvantée ou non et mortier adjuvanté ou non), il sera possible d observer et de quantifier le rôle et l effet de chaque adjuvant sur les différents éléments fins présents dans le mélange. Grâce à une mesure immédiate et une mesure sur un temps long (pour obtenir une durée pratique d utilisation DPU significative), le type d adjuvant efficace sur le sable recyclé pourra être identifié. Il est avant tout nécessaire de rappeler les comportements rhéologiques des mortiers et de détailler le principe de mesure d un viscosimètre afin de comprendre et analyser les propriétés du fluide étudié. Cette campagne permet d identifier les caractéristiques du viscosimètre à acquérir pour la suite de notre étude, c est-à-dire la plage de couple de l outil et la plage de viscosité mesurable par celui-ci Comportement rhéologique des bétons, mortiers et pâtes de ciment Définition de la rhéologie La rhéologie représente l'étude de la déformation et de l'écoulement de la matière sous l'effet d'une contrainte appliquée. La déformation et l'écoulement sont en fait les conséquences de mouvements relatifs des particules d'un corps les unes par rapport aux autres. La rhéologie est capable d'intégrer l'étude de l'ensemble des substances, qu elles soient liquides ou solides. Dans le cadre des matériaux fluides, on s'intéresse plus particulièrement à leur écoulement. En annexe 2 sont décrit certains termes utiles à la description de la rhéologie d un fluide comme la viscosité ou la contrainte de cisaillement. 46

47 Comportement de fluide On distingue plusieurs comportements de fluides. Les rhéogrammes permettent de décrire le comportement d un fluide et d en extraire ses principales caractéristiques, notamment la viscosité apparente mais également les contraintes de seuil. Le rhéogramme s exprime en fonction des deux grandeurs suivantes : - τ : contrainte de cisaillement : contrainte générée par les forces de frottement entre les couches qui s exercent tangentiellement à la surface de ces couches. - Le gradient de vitesse traduit l évolution de la vitesse au sein du fluide. en Pa Fluide Comportement Loi Représentation graphique Fluides newtoniens Loi de Newton Avec η : viscosité absolue Fluides plastiques Plastique idéal Plastique non idéal : rhéofluidifiant/ rhéoépaississant Loi de Bingham Avec η : viscosité plastique et la contrainte de seuil, ordonnée à l origine Loi de Herschel Bulkley Avec k : la consistance, paramètre de la relation, lié à la viscosité Figure 3-13: Comportements rhéologiques des fluides _ source : thèse de Sandrine Maximilien : contribution à l étude du comportement rhéologique des bétons fluides Dans notre étude, nous cherchons à étudier le comportement rhéologique d un matériau cimentaire. Or les matériaux cimentaires comme le béton sont réputés pour être thixotropes. La thixotropie est une propriété physique complexe que possèdent certains fluides. Ils ont la particularité de pouvoir passer de l'état liquide à solide et de l état solide à liquide. Un fluide ou matériau est dit thixotrope si sous contrainte (ou gradient de vitesse) constante, sa viscosité diminue au cours du temps. Figure 3-14: Rhéogramme charge-décharge : phénomène de la thixotropie On dit que le fluide se déstructure lorsqu'il devient liquide et inversement, qu'il se restructure lorsqu'une phase viscoélastique apparaît. On réalise une charge et une décharge du mélange lors de la mesure de la contrainte de cisaillement. Une boucle d hystérésis est observée : le fluide a un comportement différent en charge et décharge. La structure est modifiée durablement lors de la charge et le comportement du produit est affecté (rhéogramme de décharge différent, liquide globalement moins visqueux). 47

48 2.2. Matériaux Sable RTB 0/6,3 : o Provenance du sable : Lingenheld Alsace o Coupes granulaires : - Filler 0/0,5 mm : le but de l étude étant de dissocier l action de l adjuvant sur les différents éléments fins de la composition (ciment anhydre, durci et sable concassé), le choix de la taille des grains de sable RTB s est fait en considérant la taille des plus gros grains de ciment anhydres, soit environ 500μm. Ciment : Holcim CEM II/B M (L-S) 32,5 R CP2 Eau de gâchage : eau potable Adjuvant : Plastifiant/ Superplastifiant o Chryso fluid optima 203 o Chryso fluid premia 150 o Glenium sky 537 Les adjuvants choisis sont ceux qui ont présentés la plus grande efficacité lors de l étude précédente (essai au mini cône et table d étalement). 8 compositions seront réalisées dans cette étude afin de caractériser l action de l adjuvant sur le sable recyclé. Ciment + eau Ciment + eau + sable RTB 0/0,5 Sans adjuvant Sans adjuvant Chryso fluid optima 203 Chryso fluid optima 203 Chryso fluid premia 150 Chryso fluid premia 150 Glenium sky 537 Glenium sky Matériel de mesure et méthodes Principe de mesure Ce type de rhéomètre (cylindres coaxiaux) est le plus fréquemment utilisé car celui-ci convient le mieux à l étude des fluides plastiques. Le principe du viscosimètre à cylindres coaxiaux est de forcer le fluide à s'écouler dans l'espace annulaire, appelé entrefer, compris entre deux cylindres coaxiaux dont l'un tourne, et l'autre est fixe. La figure suivante schématise un viscosimètre à cylindres coaxiaux. Figure 3-15: Photographie du viscosimètre 48

49 Le matériau de viscosité η à étudier est placé dans l entrefer. Le cylindre extérieur (rayon R2) est fixe tandis que le cylindre intérieur (rayon R1) est animé d'un mouvement de rotation qui peut être à vitesse de rotation constante Ω imposée (on mesure alors la contrainte τ) ou bien à contrainte τ imposée (on mesure alors la vitesse de rotation Ω). Cet appareil permet de déterminer des paramètres intrinsèques au matériau, comme la contrainte de cisaillement maximale, sa viscosité et la contrainte de seuil. Le matériau est cisaillé dans l intervalle compris entre les deux cylindres. La contrainte de cisaillement dépend de la taille de l entrefer, de la hauteur du cylindre. Cette contrainte est fonction du couple d entrée de l appareil. Figure 3-16: schéma du viscosimètre à cylindres coaxiaux Relation liant la contrainte de cisaillement et le couple d entrée : La contrainte varie proportionnellement à l inverse du carré du rayon. Plus l entrefer est grand, plus la contrainte varie. La contrainte et le gradient de vitesse pas sont pas homogènes dans tout le corps. L hypothèse que l espace entre les deux outils est faible ( ) permet de négliger cette variation du gradient de vitesse. On peut donc admettre que la valeur de la contrainte demeure constante dans l entrefer. On a donc, et ainsi ne dépendant pas de τ, on a constant dans l entrefer et ayant pour expression Où R 1 et R 2 sont respectivement les rayons intérieur et extérieur, Ω la vitesse de rotation du cylindre intérieur en rad.s -1, est le gradient de vitesse en s -1. On peut ainsi obtenir le rhéogramme (τ ; ). 49

50 Viscosimètre à cylindres coaxiaux Lors de l étude, nous disposons d un viscosimètre à cylindres coaxiaux de marque HAAKE VT 500, ainsi que de différents outils de mesures permettant d avoir des entrefers de taille différente. Le couple maximal Ω max du viscosimètre est de 2 N.cm. Comme précisé précédemment, il convient d utiliser un entrefer étroit afin d émettre l hypothèse d une contrainte de cisaillement constante dans l entrefer. Pour ce faire, on utilise un cylindre extérieur de 6 cm de diamètre et un outil intérieur de 5,4 cm de diamètre. Dans ce cas, l entrefer est de 3 mm, soit 6 fois la taille du plus gros grain de sable RTB (0,5 mm) ou de ciment. Pour le diamètre intérieur, deux types d outils sont à disposition pour la mesure de la contrainte de cisaillement: -un outil cylindrique de 2,7 cm de rayon et 6,9 cm de haut -un outil avec ailettes appelé «Vane» de 2,7 cm de rayon et 6,9 cm de haut Une étude préliminaire permettra de définir l outil à préconiser pour une mesure correcte de la contrainte de cisaillement. Résultats : Figure 3-17: Rhéogramme du coulis de mortier de sable recyclé à l aide de deux outils différents Lors de l essai avec l outil cylindrique, on observe un glissement de la pâte de coulis de ciment par rapport à la paroi du cylindre intérieur. Lors de l essai est observée une rotation de l outil sans entraînement de la pâte de mortier. Une fine pellicule d eau empêche le cisaillement de la pâte. Les valeurs de contraintes mesurées ne sont pas dans ce cas représentatives du comportement rhéologique de la pâte considérée. Elles sont en effet plus faibles. Cet essai montre donc l importance de l outil de mesure. En effet, la mesure avec un outil cylindrique ne permet pas de donner une valeur précise de la contrainte de cisaillement par rapport à celle mesurée avec l outil cannelé. Un écart de 46 % est présent entre les deux contraintes de cisaillement maximales mesurées. 50

51 On observe lors de la décharge un effet thixotrope important: cela peut s expliquer par un temps de malaxage court. L outil «Vane» supprime ce problème. Néanmoins, il peut y avoir un glissement entre le cylindre extérieur et la pâte de mortier dans les deux cas. Il est donc à prévoir un cylindre extérieur lui aussi cannelé afin d avoir la valeur la plus précise possible. L outil «Vane» est donc plus adapté à nos compositions Détermination des compositions de référence mesurable par l appareil Figure 3-18: Rhéogramme des compositions de référence Une série de mesure nous a permis de déterminer les compositions de référence mesurables par l appareil (pâtes de ciment et de mortier non adjuvantées) à l aide de l outil «Vane». Pour un rapport E/Ps faible (E/C faible), les contraintes de cisaillement ne sont pas mesurables avec le viscosimètre HAAKE VT 500. La plage de couple de l outil (couple maximal à 2Ncm) n est pas suffisante pour mesurer des contraintes de cisaillement plus importantes. La composition suivante a été retenue : Composition pâte de ciment de référence Composition pâte de mortier de référence Sa/Ci 0 % 40 % Ci/Ps 100% 71,5 % Sa/Ps 0 % 28,5 % Rapport E/C 0,45 0,45 Rapport E/Ps 0,34 0,34 Sa : Sable ; Ci : Ciment ; E : Eau ; Ps : Phase solide Figure 3-19: Tableau de compositions de référence 2.5. Résultats et discussions L analyse des résultats permettra de d estimer la contrainte de seuil (contrainte à l origine) et la viscosité absolue par l étude de la variation de la viscosité apparente. 51

52 En effet, la viscosité apparente et la viscosité absolue est donnée lorsqu à gradient de vitesse élevé, la viscosité absolue tend vers une valeur précise. Mesures immédiates : (après 4 minutes de malaxage) Analyse des compositions de coulis de ciment Les courbes suivantes décrivent le comportement des coulis de ciment adjuvantés ou non. Il s agit de fluides rhéoépaississants. Le modèle Bingham (Herschel Bulkley d ordre 1) donne une approximation de la contrainte de cisaillement. On observe une diminution de la contrainte de seuil lors de l ajout de superplastifiant. Figure 3-20: Rhéogramme des compositions de coulis de ciment adjuvantées ou non En effet, ce seuil est abaissé, voire annulé (simplification du calcul pouvant engendrer une différence de la contrainte de seuil, cf. Annexe 3). La viscosité absolue (viscosité obtenue à vitesse élevée) diminue également avec l ajout d adjuvant. Elle est divisée par 3 pour 1% d adjuvant introduit dans le mélange. Les trois adjuvants utilisés semblent avoir la même efficacité sur le ciment. La contrainte de seuil et la viscosité absolue sont identiques pour les trois superplastifiants. Ce résultat est semblable à celui observé grâce à l essai au mini cône. En effet, l affaissement est quasiment identique pour les trois adjuvants (Chryso fluid optima 203, Chryso fluid premia 150, Glenium sky 537). Figure 3-21: courbe : évolution de la viscosité apparente des différentes compositions Contrainte de seuil par méthode simplifiée (Pa) Contrainte de seuil par intégration de la loi Herschel Bulkley (Pa) (cf.annexe3) Sans adjuvant Avec Optima 203 Avec Premia 150 Avec glenium 36,16 17,00 17,00 17,00 32,60 15,33 15,33 15,33 Viscosité absolue Pa.s 0,25 0,097 0,086 0,088 52

53 Analyse des compositions de pâte de mortier Les pâtes de mortier adjuvantés ou non sont des fluides plastiques pouvant être représentés par un modèle linéaire, modèle Herschel Bulkley d ordre 1. (cf.annexe3). On observe une diminution de la contrainte de seuil lors de l ajout de superplastifiant. En effet, ce seuil est abaissé, voire annulé (simplification du calcul pouvant engendrer une différence de la contrainte de seuil, cf. Annexe 3). Figure 3-22: Rhéogramme des compositions de mortiers adjuvantées ou non Néanmoins, contrairement à la pâte de ciment, l efficacité des adjuvants semble être différente. Les deux adjuvants Chryso fluid premia 150, Glenium sky 537 ont une efficacité immédiate légèrement plus importante que celle de observée avec le Chryso fluid optima 203. Là encore ce résultat est conforme à celui présenté dans la partie précédente (essai au mini cône). La viscosité absolue diminue également de l ajout d adjuvant (3 fois moins importante par rapport au mélange de référence). Figure 3-23: courbe : évolution de la viscosité apparente des différentes compositions Contrainte de seuil par méthode simplifiée (Pa) Contrainte de seuil par intégration de la loi Herschel Bulkley (Pa) Sans adjuvant Avec Optima 203 Avec Premia 150 Avec glenium 73,22 13,07 6,52 6,31 66,02 11,78 5,88 5,69 Viscosité absolue Pa.s 0,57 0,24 0,14 0,18 53

54 Mesures sur 20 minutes à vitesse constante Dans cette partie, on cherche à étudier le comportement des différents mélanges sur une longue durée. Il s agit ici de déterminer si, au dosage d adjuvant fixé (1% de la masse du ciment), l ouvrabilité du mélange est maintenue pendant 20 minutes. L essai est réalisé à une vitesse constante à (23,2 tr/min), soit à un gradient de vitesse de 18,5 s -1. Coulis de ciment Figure 3-24: courbe : évolution de la contrainte de cisaillement en fonction du temps à vitesse constante : coulis de ciment avec et sans adjuvant A vitesse constante, la contrainte de cisaillement de la pâte de ciment sans adjuvant diminue au début de l essai. Le mélange se fluidifie, cependant au bout de 25 minutes après le début de malaxage, on observe une augmentation de contrainte pouvant caractériser un phénomène d épaississement du mélange. La contrainte de cisaillement mesurée pour le mélange comportant le Chryso Fluid Optima 203 varie peu tout au long de l essai. L ouvrabilité est donc maintenue sur 20 minutes. Cette caractéristique est un résultat énoncé pas le fabricant. Cependant, aucune conclusion ne peut être énoncée pour les deux autres mélanges (composés de chryso fluid premia 150 et glenium sky 537) en raison d une forte ségrégation des particules. Les plus gros éléments reposant au fond du cylindre extérieur, la contrainte mesurée se rapproche davantage d un mélange eau/ adjuvant que celui d un coulis de ciment adjuvanté. 54

55 Pâte de mortier Figure 3-25: courbe : évolution de la contrainte de cisaillement en fonction du temps à vitesse constante : mortier de sable recyclé avec et sans adjuvant Les mêmes conclusions sont apportées : - A vitesse constante, la contrainte de cisaillement du mortier de référence diminue au début de l essai, puis augmente (épaississement du mélange). - Pour le mélange composé de Chryso Fluid Optima 203, la contrainte de cisaillement varie peu tout au long de l essai. Il y a maintien de l ouvrabilité. - On ne peut conclure pour les deux autres mélanges, composés de chryso fluid premia 150 et glenium sky 537 (forte ségrégation des particules). La contrainte mesurée se rapproche davantage d un mélange eau/ adjuvant que celui d un mortier adjuvanté. Conclusion de l essai Cet essai permet dans un premier temps d identifier le comportement rhéologique des compositions étudiées. Elle permet également d effectuer une étude comparative sur l effet des adjuvants par rapport à une composition de référence non adjuvantée. Les premiers résultats établis ne peuvent être exploités en raison d une forte ségrégation. Les essais devront être répétés à dosage en adjuvant moins élevé afin de conclure sur le maintien d ouvrabilité de ces adjuvants et sur la durée pratique d utilisation (DPU). Des essais à long terme permettraient de déterminer les efficacités des adjuvants à long terme. Tous les adjuvants devront être testés au viscosimètre afin de comparer les résultats au viscosimètre avec ceux établis lors des essais au mini cône. 55

56 Chapitre IV: Etude des propriétés physiques et mécaniques des bétons de granulats recyclés de béton. Paragraphe 1 : Analyse des propriétés thermiques des bétons de granulats recyclés de béton Etude des caractéristiques thermiques des bétons sous convection forcée L objectif de ce paragraphe est l étude du comportement thermique des bétons de granulats recyclés. Pour ce faire, un protocole expérimental a été validé afin de mesurer la conductivité thermique de différents bétons. L essai mis en place se base sur le fait qu à un flux donné, l évolution des températures aux parois de béton représente le comportement thermique de celui-ci. L expérience, pour être validée, suppose la présence de convection forcée en négligeant les effets de bords de l échantillon analysé. Dans ce cas, le comportement thermique théorique d un matériau peut être décrit par une solution analytique. Après une présentation du principe de mesure puis du protocole expérimental utilisé pour cette étude, les différents paramètres de validation de l essai seront étudiés, analysés et confirmés par un calcul numérique. 56

57 I. Principe de la mesure Le principe de la mesure repose sur le calcul de la conductivité thermique d un matériau. Pour ce faire, une convection doit être établie entre les deux surfaces, intérieure et extérieure. Un transfert de chaleur par conduction se produit alors dans le matériau. La conduction thermique provoquée par la différence de température entre les deux parois de l échantillon, se réalise sans déplacement de matière. Figure 4-1: Diagramme du transfert de chaleur sous convection Source : cours de M. GRANDGEORGE, enseignant IUT Robert Schuman A un flux donné, 3 modes de transmission de chaleur se produisent successivement : - une zone de convection du côté de la paroi intérieure - une zone de conduction à travers le matériau - une zone de convection du côté de la paroi extérieure Le choix de la forme de l éprouvette pour notre essai s est porté sur un modèle de cylindre creux. Par cette géométrie, la conductivité thermique du matériau peut être obtenue facilement. En effet l expression de λ (équation 1) est donnée sous les hypothèses suivantes : La température est homogène sur chaque surface du tube (intérieure et extérieure) L épaisseur de l éprouvette est constante sur la périphérie La conductivité thermique n est déterminée qu en régime permanent (attente d un RPE : régime permanent établi, avant mesure) Les effets de bords sont négligeables Le matériau est homogène Comme en géométrie cylindrique, le flux s écoule radialement, la conductivité thermique est déterminée par la relation suivante : Ri Re l Figure 4-2: Principe de mesure de la conductivité thermique sous convection forcée 57

58 Le projet consiste à mettre au point un protocole expérimental existant afin d assurer les conditions suivantes : - Homogénéisation de la température de surface - Epaisseur constante - Etablissement du régime permanent - Effets de bords négligeables II. Présentation du système de mesure 2.1. Matériaux : composition des bétons et fabrication des échantillons Une étude comparative est effectuée sur trois échantillons de compositions différentes de bétons âgés de 3 ans. 3 types de bétons ont été réalisés en juin 2008 suivant la méthode de DREUX-GORISSE. Les compositions et caractéristiques des bétons classique (BC), mixte (BM) et recyclé (BR) sont les suivantes : Béton classique Béton mixte Béton recyclé Rapport E/C 0,56 0,51 0,47 Masse de ciment (kg) 1,750 1,750 1,575 Masse d eau (kg) 0,971 0,899 0,740 Proportion des granulats (%) Sable normalisé Gravillon normalisé Gravier normalisé Sable normalisé Gravillon recyclé 6,3/12,7 Gravier recyclé 12,7/20 Sable recyclé 0/6,3 Gravillon recyclé 6,3/12,7 Gravier recyclé 12,7/ Masse (kg) 3,475 0,555 5,277 3,795 0,573 4,258 3,464 1,990 1,916 Rint (cm) 5,7 5,7 5,7 Rext (cm) 7,95 7,95 7,95 L (cm) 21,3 19,3 21,5 Masse volumique (kg/m 3 ) Résistance à la compression à 192 jours (MPa) Résistance à la traction à 192 jours (MPa) ,46 53,83 52,60 4,32 4,13 4,32 Figure 4-3: Tableau des compositions et des caractéristiques des trois échantillons de bétons 58

59 Les trois bétons ont présenté des résistances mécaniques en compression et en traction proches ce qu était l objectif de la formulation par la méthode de Dreux Gorisse (obtenir des bétons de résistances mécaniques équivalentes pour les 3 bétons). Les éprouvettes de béton ont été conservées dans des conditions d utilisation des bétons pour la réalisation de bâtiments. Dans un premier temps, les échantillons ont été conservés dans une salle de conservation pendant un an afin que la cure des bétons se fasse correctement à 20 C de température et 54 % d humidité. Suite à cette période de cure, les échantillons ont été transférés dans une salle dont les conditions hygrothermiques sont les suivantes : - 20 C - 45% Les essais sont réalisés à partir des échantillons secs présents dans la salle d essai dont la température et l humidité sont connues et contrôlées. Les éprouvettes ont été séchées à l étuve à 70 C afin de vérifier la teneur en eau des bétons. Ces derniers sont totalement secs au début des essais Présentation de la manipulation Des éprouvettes cylindriques creuses 16/22 sont mises en œuvre afin de pouvoir mesurer la conductivité thermique selon le principe décrit précédemment des différentes compositions de béton [15]. Les éprouvettes sont constituées d un anneau de béton d une épaisseur de 2,25 cm et d un carton revêtu d une couche d imperméabilisant SIKA. Ce carton assure le rôle du coffrage intérieur lors du bétonnage du béton. L imperméabilisant permet d étanchéifier l anneau de béton et le protège de toute pénétration d eau qui pourrait fausser les mesures lors de l expérimentation. Lors de leur fabrication, les échantillons ont été vibrés de façon à limiter la présence d air, notamment autour du thermocouple. Carton imperméable : aucune absorption d eau par le béton Mesure de la température du béton par un thermocouple noyé à la surface du béton: paroi intérieure Figure 4-4: Photographie de l éprouvette de béton Une couche de polystyrène a été ajoutée en partie haute de l éprouvette afin de forcerl hypothèse qui considère les effets de bords négligeables. (cf. paragraphe 3.2.3). 59

60 Rhéostat : régulation de puissance d entrée Eprouvette en béton 4 Thermocouples : - température ambiante - température de l eau - température paroi intérieure du béton - température paroi extérieure du béton Agitateur magnétique Grille Ventilateur Isolation extrémité supérieure de l éprouvette Figure 4-5: Photographie du dispositif de mesure Après avoir rempli d eau l éprouvette de béton, l eau est chauffée à une puissance maitrisée. En effet, un rhéostat permet de réguler la puissance d entrée. Cette puissance est assimilée à un flux d entrée. L homogénéisation de la température de chauffe est assurée par l installation d un agitateur magnétique. Un système de ventilation assure une convection forcée sur la face externe. L extrémité supérieure de l éprouvette de béton est isolée de l extérieur à l aide de polystyrène. Il n y a donc pas de déperditions vers le haut de l éprouvette. Les températures aux parois de béton sont mesurées par des thermocouples reliés à un système d acquisition. La température de chauffe ainsi que la température ambiante sont également relevées lors de l acquisition. Isolation extrémité supérieure de l éprouvette Système d acquisition Figure 4-6: Photographie du système d acquisition Un système d acquisition permet d enregistrer les mesures de températures en continu sur toute la période de l essai. Cette expérience nous donne ainsi l évolution de la température en fonction du temps, pendant le régime transitoire (temps de chauffe de l eau) et le régime permanent établi (stabilisation de la température de l eau, de la température de la paroi intérieure et extérieure du béton). 60

61 III. Mise au point du protocole expérimental d un essai développé au laboratoire 3.1. Homogénéité de la température de surface A l aide d une caméra thermique, l homogénéité de la température de surface a été vérifiée. Début de l essai : pour l ensemble des bétons : Température paroi extérieure homogène, température de surface : C Fin de l essai : Régime permanent établi Béton classique : température paroi extérieure homogène, température de surface : C Béton mixte : température paroi extérieure homogène, température de surface : 26 C Béton recyclé : température paroi extérieure homogène, température de surface : 30,5 C Figure 4-7: Photographies de la caméra infrarouge montrant l homogénéité de la température de surface des éprouvettes lors du régime permanent Après atteinte du régime permanent établi, la température sur la surface de béton est considérée stable et uniforme. Cette méthode de vérification a néanmoins des limites. En effet, les valeurs lues par la caméra sont peu précises (. La caméra infrarouge mesure et visualise le rayonnement d un objet. De cette mesure en découle la température de surface des objets. Cependant le rayonnement mesuré par la caméra dépend non seulement de la température de l objet mais également de son émissivité. De ce fait, le rayonnement provenant du milieu environnant est également réfléchi et influe de manière négative le relevé de température. Conclusion : La température de surface est considérée homogène après atteinte du régime permanent établi. 61

62 3.2. Contrôle de l épaisseur de béton Le principe de mesure de la conductivité thermique défini précédemment est assuré lorsque l épaisseur du matériau est constante sur l ensemble de l éprouvette. Figure 4-8: Variation de l épaisseur des éprouvettes de béton On observe une variation de l épaisseur des différentes éprouvettes. Cette variation influe sur la valeur de la conductivité thermique. En effet, la conductivité thermique est dépendante de l épaisseur du matériau. En fonction de la position du thermocouple extérieur (épaisseur plus ou moins importante), le transfert de chaleur ne sera pas le même. Les températures de surfaces peuvent sensiblement varier ce qui engendre une erreur lors du calcul de la conductivité thermique. La mise en œuvre des bétons lors de la fabrication des éprouvettes doit être améliorée afin d obtenir une épaisseur constante et ainsi améliorer la précision de mesure de la conductivité thermique des différents bétons. Néanmoins, l épaisseur est considérée comme constante pour les trois bétons testés. Le degré de précision est de Contrôle des effets de bords et déperditions négligées Des essais spécifiques ont été menés pour évaluer les effets de bords. La mesure et le calcul de la conductivité sont basés avec l hypothèse que les déperditions à l extrémité inférieure de l échantillon sont négligeables. Pour confirmer cette hypothèse, il convient de mesurer la conductivité des matériaux selon deux dispositifs : 62

63 1. Détermination de λ avec l extrémité supérieure seule isolée (Faibles déperditions surface inférieure) Figure 4-9: Photographie de l éprouvette isolée en partie supérieure 2. Détermination de λ avec les deux extrémités de l éprouvette isolées Figure 4-10: Photographie de l éprouvette isolée à ces deux extrémités 3. Résultats et analyse Le tableau suivant récapitule les résultats obtenus. De plus, un calcul d incertitude est effectué et tient compte des: incertitudes de la longueur de l éprouvette (l), incertitudes des rayons intérieur et extérieur de l éprouvette (R int R ext), incertitudes de la tension mesurée aux bornes de la résistance, incertitudes de l intensité (I), incertitudes des températures (T1- T2), La valeur de l incertitude sur la mesure de λ est donnée par l équation 2. U en V I en A P en W Température de chauffe en C Température paroi intérieure en C Température paroi extérieure en C Extrémité supérieure seule isolée Température ambiante en C Rth en m²k/w λ en W/(m.K) Incertitude de mesure (%) BC 79 0,46 36,34 39,8 34,8 27,1 22 0,0451 1,17 12,28 BM 79 0,48 37,92 41, ,0204 2,60 18,24 BR 78 0,46 35,88 43,2 36,8 28,7 22 0,0485 1,09 11,95 Deux extrémités isolées BC 78,3 0,46 36, , ,5 0,0444 1,19 12,45 BM 78,5 0,46 36,11 41,5 35,5 31,5 22,5 0,0214 2,48 18,33 BR 78,1 0,46 35, ,5 29,5 23 0,0539 0,98 11,33 Figure 4-11: Tableau des résultats 63

64 Echantillon λ avec éprouvette : extrémité supérieure seule isolée W/( m.k) de λ avec éprouvette : deux extrémités isolées W/( m.k) Ecart relatif (%) Béton Classique 1,17 1,19 1,7 Béton Mixte 2,60 2,48 4,6 Béton Recyclé 1,09 0,98 10 Figure 4-12 : Tableau comparatif des conductivités thermiques obtenues par les deux méthodes et de l écart entre ces résultats. Cette série d essais montre que les conductivités thermiques sont relativement proches quel que soit le dispositif utilisé (éprouvette isolée à ces deux extrémités ou isolée en partie supérieure uniquement). Aucune des deux méthodes n implique une situation défavorable qui augmente la conductivité thermique. Conclusion : A épaisseur constante, les effets de bords à l extrémité inférieure de l éprouvette semblent être négligeables. En effet, avec ou sans dispositif d isolation supplémentaire au bas de l échantillon, les valeurs de conductivité thermique sont sensiblement égales. 64

65 IV. Résultats et conclusions 4.1. Validation numérique du dispositif expérimental Dans cette partie, nous nous intéressons à l échange thermique se produisant entre l eau et une éprouvette de béton, isolée en sa partie supérieure, et en considérant les effets de bords en sa partie inférieure. Le but de cette étude est d évaluer l influence des déperditions à la base de l éprouvette sur le comportement thermique du béton. l R i R e Le dispositif expérimental précédemment décrit est donc modélisé sous CASTEM. Ce modèle a été écrit par M. FOND, directeur de l équipe Mécanique et environnement Génie civil du laboratoire IMFS. La modélisation est basée sur les hypothèses de calcul suivantes : Le béton modélisé est considéré comme homogène et isotrope, La température est homogène sur chaque surface du tube, L effet de bord est négligeable sur la partie supérieure de l éprouvette, tandis que des déperditions sont présentes sur la partie inférieure, L épaisseur de l éprouvette est constante sur la périphérie. La modélisation nécessite la connaissance de certains paramètres, comme les propriétés physiques du carton utilisé, les coefficients d échange par convection entre l air et les parois cylindrique verticale et plane horizontale Paramètres du modèle Caractéristiques thermiques du carton Caractéristiques du carton Epaisseur du carton (mm) 2,5 Masse volumique (kg/m3) 221 Conductivité thermique λ (W/ (m. K)) (2) 0,13 Capacité thermique massique (J kg -1 K -1 (2) ) 1880 Figure 4-13 : Valeurs caractéristiques du carton (2) Donnée conventionnellement utilisée pour les cartons. 65

66 Coefficients de transfert d échange par convection Les valeurs de h (coefficient de transfert thermique) dépendent de la direction du flux s'il est vertical, ou de l'exposition à la convection forcée. Le système considéré est le suivant Pas d échange thermique Eprouvette De béton h 3 : coefficient d échange convectif sur la paroi horizontale h 4 : coefficient d échange convectif sur la paroi verticale h 4 h 4 h 3 a. Coefficient de transfert thermique h 3 Pour la détermination de cette donnée, toutes les surfaces de l éprouvette de béton doivent être isolées, excepté la face inférieure. Le schéma suivant décrit le contexte de la détermination de h 3 : Pas d échange thermique Eprouvette Pas d échange thermique Pas d échange thermique De béton Pour le soin de l étude, cette valeur a été estimée. Il conviendra par la suite de déterminer expérimentalement la valeur exacte de h 3. Ce coefficient d échange thermique dépend de la résistance h 3 thermique d échanges superficiels avec l extérieur mais également de la résistance de l agitateur. La résistance thermique d échanges superficiels pour le cas d une paroi horizontale en contact à l extérieur vaut 0,17 m².k/w (valeur conventionnelle dans le règlement thermique). La résistance thermique de l agitateur est estimée à 2 m².k/w. b. Coefficient de transfert convectif h 4 Ce coefficient est déterminé expérimentalement à l aide du dispositif de mesures thermiques des éprouvettes cylindriques creuses. Les extrémités supérieure et inférieure sont isolées. 66

67 Le système à considérer est donc celui-ci : Pas d échange thermique Eprouvette Figure 4-14: Photographie de l éprouvette isolée à ces deux extrémités De béton h 4 h 4 Pas d échange thermique Le ventilateur est juxtaposé au support sur lequel repose l éprouvette à tester. Ce dernier crée une convection forcée. Le coefficient d échange thermique est obtenu à partir de la loi de Newton qui lie le flux échangé dans la zone de convection à la différence de températures mesurées. Le flux considéré est le flux à l entrée du dispositif. En effet, le flux entrant est égal au flux sortant. Le coefficient de transfert convectif ne dépendant pas en général de la nature de la paroi mais uniquement des propriétés du fluide et de la nature de l écoulement, les mesures peuvent être réalisées sur toutes les éprouvettes de béton classique, mixte ou recyclé. Type Résultats expérimentaux: Température paroi extérieure ( C) Température ambiante ( C) Φ assimilé à la puissance électrique(w) ΔT ( C) calculé S (m²) calculé h (W/m²K calculé BC 27, ,34 5,1 0,11 66,97 BC 28 23,5 36,018 4,5 0,11 75,23 BR 28, ,88 6,7 0,11 49,86 BR 29, ,926 6,5 0,11 51,46 BM ,92 9 0,10 43,70 BM 31,5 22,5 36,11 9 0,10 41,62 Figure 4-15: Tableau des résultats expérimentaux et courbe d évolution du coefficient d échange convectif en fonction de ΔT 67

68 Le coefficient de transfert convectif h 4 décroit en fonction de la différence de température. Cela peut s expliquer par le fait que dans cette configuration, la vitesse du fluide s écoulant autour du tube n est pas homogène sur le pourtour de l éprouvette. Or on cherche à créer un flux homogène autour de l éprouvette de béton et ainsi obtenir une valeur du coefficient d échange thermique constante. Cependant le coefficient de transmission convectif suit une loi polynomiale d ordre 2 en fonction de la différence de température. Le dispositif est à modifier afin d obtenir un coefficient d échange convectif constant. Cette variation peut également s expliquer par l épaisseur des trois éprouvettes qui s avère ne pas être régulière. La valeur de h 4 choisie pour la modélisation est déterminée de manière à ce que la variation de température entre la paroi extérieure de béton et la température ambiante soit la même pour les résultats expérimentaux et les résultats numériques. Dans ce cas, L amélioration du dispositif expérimental permettra de déterminer expérimentalement une valeur de ce coefficient d échange convectif Caractéristiques thermiques des bétons Béton classique Béton mixte Béton recyclé Longueur de l échantillon (cm) 21,3 19,3 21,5 Masse volumique (kg/m 3 ) λ: Conductivité thermique (W/m.K) 1,19 2,48 0,98 Cp : Capacité thermique massique (J kg -1 K -1 ) Figure 4-16: Valeurs caractéristiques des 3 bétons La capacité thermique massique est déterminée expérimentalement suivant le protocole décrit en annexe Géométrie et maillage Le comportement thermique de l anneau de béton étant le même dans chaque section transversale, il est plus intéressant et logique de se ramener à un système plan plus simple à mettre en situation et mieux adapté à l objectif de notre étude. Le dispositif expérimental est modélisé à l aide de quadrangles à 8 nœuds. Chaque nœud possède 2 degrés de liberté en translation. Figure 4-17: quadrangle à 8 nœuds Le calcul s effectuant en 2D et en mode axisymétrique, la géométrie suivante a été modélisée : 68

69 Ep =2,25 cm R int =5,7 cm A C l =longueur de l échantillon : l=21,3 cm pour le BC l=19,3 cm pour le BM l=21,5 cm pour le BR Face AB : flux imposé Face AC : flux nul Face CD : convection Face BD : convection B D Résultats Il s agit dans cette sous-partie de valider la condition qui consiste à négliger les déperditions vers le bas de l éprouvette. Pour ce faire, les résultats expérimentaux seront comparés à ceux déterminés de manière numérique (en considérant les effets de bord) et les résultats de la méthode analytique (en supposant les déperditions vers le bas nulles). Equation générale de la chaleur utilisée pour le modèle Solution analytique En régime transitoire : Le transfert de chaleur vers un milieu à température uniforme est défini par l équation différentielle suivante : La solution de l équation précédente donne l évolution de la température en fonction du temps : 69

70 En régime permanent : A partir de l équation 1, on obtient Température de la paroi intérieure en régime permanent C Température de la paroi extérieure en régime permanent C Béton classique 33 27,5 Béton mixte Béton recyclé 34,5 30 Figure 4-18: Tableau des valeurs théoriques des températures aux parois en régime permanent Les courbes suivantes décrivent l évolution de la température des différentes parois (intérieure et extérieure) pour le béton recyclé. Les mêmes courbes pour le béton classique et mixte sont présentes en annexe 6. Figure 4-19: Graphique décrivant l évolution de la température en fonction du temps selon les trois méthodes de détermination (résultats expérimentaux, numériques et analytiques. Au vue des courbes suivantes, les résultats expérimentaux diffèrent peu des résultats analytiques. De plus, la modélisation permet d observer un écart peu élevé entre résultats numériques et analytiques. En effet, en considérant ou non les déperditions faibles au bas de l échantillon, les résultats théoriques apportés par les deux méthodes (méthode simplifiée en négligeant les effets de bords ou méthode numérique en considérant une convection à l extrémité inférieure de l éprouvette) sont sensiblement les mêmes. L ensemble des courbes (béton classique, mixte et recyclé) confirme ce résultat. 70

71 L hypothèse relative à la négligence des effets de bords est donc vérifiée. Il est donc possible d effectuer une simplification du dispositif permettant le calcul de la conductivité thermique λ puisque les déperditions au bas de l échantillon sont négligeables face à la convection forcée des parois verticales. La solution analytique est donc suffisante pour décrire le comportement thermique des bétons dans la configuration du dispositif de mesure Résultats expérimentaux et analyses Les essais ont été réalisés en trois reprises. La moyenne des résultats nous donne les conductivités thermiques suivantes. Type de béton Conductivité thermique (W.m -1.K -1 ) Incertitude de mesure Δλ/λ (%) Béton classique 1,17 12,28 Béton mixte 2,60 18,24 Béton recyclé 1,09 11,95 Figure 4-20: Conductivités thermiques mesurées sur des bétons âgés de 36 mois (mesure sans dispositif d isolation en partie inférieure) Figure 4-21 : Conductivité thermique des bétons étudiés et plage d'incertitude) Cette première étude permet de conclure que les bétons de granulats recyclés de béton semblent posséder une meilleure conductivité thermique que celle des deux autres bétons (classique et mixte). 71

72 La tendance est donc : Les bétons de granulats recyclés semblent donc avoir un caractère plus isolant que celui d un béton classique. Ce résultat confirme donc les premières tendances observées. Néanmoins les valeurs obtenues diffèrent. L écart est moins important que celui observé lors des essais réalisés sur les bétons âgés de 18 mois. Cela peut s expliquer par une éventuelle évolution des bétons analysés, mais également par une différence issue du protocole (notamment par la présence d une couche d imperméabilisant qui isolerait mieux l éprouvette) Des résultats différents sont obtenus pour le béton mixte. Cela se justifie par une mise en œuvre du matériau qui a formé un matériau assez hétérogène (présence de fissures cohérente avec la capillarité et la porosité élevées). Cette hétérogénéité provient certainement du mélange des granulats (roulé et concassé) [14] Améliorations et perspectives Malgré une tendance qui se confirme, des améliorations sont à apporter à l expérience pour obtenir des mesures plus fiables. La mise en œuvre de l éprouvette de béton doit être améliorée afin de garantir une épaisseur régulière de l anneau de béton L imperméabilité de l éprouvette doit être assurée pour pouvoir supporter un nombre de cycles de chauffe importants. En effet, la partie cartonnée, malgré la couche d imperméabilisant, se détériore au bout de quelques cycles de chauffe. L eau s infiltre dans le béton et peut provoquer des erreurs dans les mesures de températures. Il est donc nécessaire de modifier le coffrage intérieur de l éprouvette. Il s agira de remplacer notamment le coffrage intérieur en carton par une surface plus rigide, ne se déformant pas lors du bétonnage de l échantillon ou pendant les cycles de chauffe. Le matériau à utiliser doit néanmoins avoir une conductivité thermique faible pour favoriser l échange thermique dans le béton. Le dispositif de vérification de l homogénéité de la température de la surface extérieure de béton doit être également amélioré en raison du rayonnement du milieu environnant. La position du thermocouple situé sur la paroi intérieure de béton influe sur les mesures des températures. En effet, les données relevées peuvent varier en fonction de la position du thermocouple (situé sur un granulat ou la pâte de mortier). Le même problème de positionnement du capteur de température sur la paroi extérieure se pose. Pour palier ce problème d homogénéité du matériau, il serait envisageable de multiplier le nombre de thermocouples sur les parois extérieure et intérieure afin d obtenir plusieurs mesures de températures (soit simultanément, soit lors d essais successifs). 72

73 Dans la même logique, multiplier les échantillons permettrait de confirmer les résultats sur une même éprouvette et conduirait à une plus grande fiabilité des mesures. Par ailleurs, il est envisageable de travailler avec de micros bétons pour que la taille des granulats soit plus petite devant la dimension du thermocouple. Il est également possible d augmenter l épaisseur et la longueur de l éprouvette afin de garantir l homogénéité du béton et ainsi de réduire les incertitudes de mesure. De plus les dimensions de ce béton seront plus représentatives de la réalité. Les essais ont montré que la convection forcée n était pas homogène autour de l éprouvette. La vitesse du fluide qui s écoule autour du tube n est pas répartie de manière uniforme sur le pourtour de l échantillon. Cela peut engendrer des erreurs de mesure. Dans ce cas une amélioration de la direction du flux autour de l échantillon est à préconiser. Un système permettant de canaliser le flux d air (PVC cylindrique par exemple) pourrait être rajouté au dispositif de mesure. Le coefficient d échange thermique à mesurer sera ici un coefficient d échange radioconvectif (rayonnement provoqué par la surface de PVC). De plus afin de ne pas gêner le phénomène de convection autour de l échantillon, l agitateur magnétique pourrait être remplacé par un agitateur à hélice qui présente les avantages suivants : - Ne pas être en contact directement sur la paroi horizontale - Garantir une bonne homogénéité de la température. En effet, il a été observé un arrêt de l agitateur magnétique lors de l essai. Ce nouveau dispositif pourrait supprimer ce risque de mauvais mélange de l eau chaude. Le coefficient d échange thermique dépend également de l épaisseur de l échantillon. Comme pour la valeur de λ, la régularité de l épaisseur influe fortement les résultats. La mise en œuvre des éprouvettes sera à améliorer. 73

74 Paragraphe 2 : Analyse des propriétés mécaniques des bétons de granulats recyclés de béton Détermination du module d Young Ce paragraphe a pour objectif la détermination expérimentale du module d élasticité des trois bétons étudiés. Les différents échantillons sont soumis à une charge de compression qui engendre des déformations longitudinales. La mesure de ces déformations permet d obtenir le module d Young des bétons. I. Matériaux et méthodes 1.1. Matériaux Les matériaux utilisés sont les mêmes que ceux pris pour l étude de la détermination de la conductivité thermique. Les échantillons proviennent de la même gâchée que les précédents échantillons cf. p58. Il sera ainsi possible de lier les résultats des différents essais (conductivité thermique, caractéristiques mécaniques et porosité). Néanmoins par manque d échantillons, les dimensions des 3 éprouvettes ne sont pas les mêmes : Eprouvette Cylindrique φ 11 x 10 cm (de haut) BC BM BR Cylindrique φ 11 x 11 cm (de haut) Cubique 10 x 10 x 10 cm Figure 4-22: Conductivités thermiques mesurées sur des bétons âgés de 36 mois (mesure sans dispositif d isolation en partie inférieure) 1.2. Description du dispositif de mesure Le but de la manipulation est de déterminer le module d Young des bétons lors d un essai de compression centrée à l aide d une presse. Pour ce faire, les étapes suivantes sont effectuées : Préparation des échantillons Afin de garantir la justesse des résultats, les surfaces sur lesquelles s applique la charge doivent être planes et parallèles. Pour avoir une bonne zone de contact du plateau (exerçant la force de compression) sur l échantillon, il est nécessaire d utiliser une rectifieuse pour assurer la planéité et le parallélisme des éprouvettes. Néanmoins, un dispositif rotulé, présent sur la presse, palie aux manques de parallélisme et garantit un bon contact entre le plateau et l échantillon. Dispositif de mesure et capteurs L essai consiste à mesure les déformations longitudinales des éprouvettes lorsque cellesci sont soumises à une compression centrée. 74

75 2 Capteurs à pointes de type inductif permettant la mesure des déformations longitudinales : Capteurs placés sur 2 faces opposées Contrainte appliquée : 20% de la contrainte maximale à 192j, soit 10 MPa. Figure 4-23: Photographie de la presse et de l échantillon testé II. Résultats et commentaires Figure 4-24: Détermination du module d Young : Evolution la contrainte de compression en fonction de la déformation Module d Young E (MPa) Béton classique Béton mixte Béton recyclé Tout d abord, il est à noter que les trois bétons ont un comportement linéaire. Le béton de granulats recyclés de béton présente un plus grand module d Young que les deux autres bétons. En effet, le module d Young est plus élevé que les deux autres bétons. Il est à rappeler ici que les trois formulations de départ ont été définies afin d obtenir les mêmes résistances mécaniques (résistance à la traction et à la compression). De ce fait, on s attendait ici à obtenir des modules d Young semblables pour les trois éprouvettes. Ces essais devront être renouvelés afin de confirmer ou infirmer ces premières tendances. De plus, il serait intéressant d étudier l évolution de la résistance mécanique à 3 ans d âge. 75

76 Paragraphe 3 : Détermination de la porosité des bétons de granulats recyclés L objectif de cette partie de l étude est de déterminer la porosité des différents bétons analysés par la méthode de la triple pesée. Ainsi pourra être déterminée l influence de la porosité des matériaux sur les caractéristiques physiques et mécaniques et comparés aux mesures précédentes pour confirmer les résultats. I. Matériaux et méthodes 1.1. Matériaux Les matériaux utilisés sont les mêmes que ceux pris pour l étude de la détermination de la conductivité thermique et l étude de la détermination des modules d Young et coefficients de poisson. Les échantillons proviennent de la même gâchée que les précédents échantillons. Il sera ainsi possible de lier les résultats de mesure de la conductivité thermique et de mesure de module d Young et de coefficient de poisson à la mesure de la porosité Principe de mesure : détermination de la porosité ouverte par la méthode de la triple pesée La porosité d un matériau représente le volume des vides présents dans un échantillon. Une des méthodes de mesures de cette porosité consiste à imbiber un échantillon par un fluide mouillant: il s agit de la méthode de détermination par triple pesée. L échantillon dont on veut connaître le volume poreux est pesé lorsqu il est sec. L échantillon est ensuite immergé dans l eau déminéralisée après l avoir soumis à un vide primaire. L ensemble des vides est donc envahi par l eau. On a donc la masse sèche de l échantillon m s sa masse saturée après imbibition m w et la masse hydraulique m h, pesée de l échantillon saturé immergé dans l eau. Le mode opératoire est défini par le schéma suivant : 76

77 Figure 4-25: Mode opératoire de la méthode par triple pesée : mis sous vide des échantillons. Source Thèse de Bénédicte Rousset Tournier La porosité totale N t est déterminée à l aide des trois masses. Lors de la manipulation, deux erreurs de mesure sont à considérer : L erreur liée à la précision de la pesée : utilisation d une balance ayant une précision a centième de gramme L erreur liée directement à la pesée des échantillons saturés : pour effectuer cette pesée, il est nécessaire d essuyer à l aide d un torchon humide l excédent d eau en surface de l échantillon sans absorber l eau de l échantillon. II. Résulats et discussions Les essais de porosité ont été réalisés sur des échantillons âgés de 3 ans. Trois échantillons sont testés par type de bétons. Type de béton Coefficient de capillarité en kg/m²/h Essai réalisé en 2009 Essai réalisé en 2011 Porosité totale % (bétons âgés de 18 mois) Porosité totale % (bétons âgés de 3 ans) Ecart relatif % BC 0,35 13,86 13,65 1,5 BM 0,57 17,19 17,54 2 BR 0,32 17,31 18,26 5 Tableau 4-26: Tableau récapitulatif de la porosité pour les trois bétons : classique, mixte, recyclé Dans un premier temps, les essais précédents sont confirmés. Le béton classique possède un volume de vides inférieur à celui du béton recyclé. 77

78 Tableau 4-27: Conductivité thermique et porosité pour les trois bétons : classique, mixte, recyclé Il semblerait donc que la porosité influe sur les propriétés thermiques des bétons. Plus la porosité augmente, plus la conductivité thermique des bétons diminue. Cela signifierait donc que le caractère isolant du matériau serait influencé par le volume des vides présent dans les bétons. On observe une divergence de tendance pour le béton mixte. En effet, à porosité élevée, la conductivité thermique de ce béton est également élevée. Cela peut éventuellement s expliquer par une mise en œuvre plus difficile de ce béton. En corrélant les mesures de λ et des remontées capillaires (coefficients de capillarité), on peut supposer (hypothèse déjà formulée par S.BRAYMAND [14]) que la géométrie de la porosité des trois bétons est différente. Cette différence pourrait se schématiser comme suit : λ BM élevé car transfert de chaleur facile λ BC et λ BR faible car transfert de chaleur plus complexe BM BR BC Même porosité accessible et capillarité différente Même coefficient de capillarité et porosité accessible différente Tableau 4-28: Schéma de l hypothèse de la géométrie de la porosité des 3 bétons Ces schémas permettraient d expliquer les différences sur les modules d Young. Des études supplémentaires permettraient de confirmer ou infirmer ce résultat. En effet, il serait intéressant de recourir à une mesure de la distribution porométrique par injection de mercure pour fournir la géométrie de la porosité des bétons et comprendre l influence de celle-ci sur les caractéristiques thermiques des bétons. 78