- MANUEL DES LIANTS DU BÉTON - VERS UN CIMENT " VERT "? L ESPOIR DES ALTERNATIVES ECOLOGIQUES

Transcription

1 - MANUL DS LIANTS DU BÉTON - VRS UN CIMNT " VRT "? L SPOIR DS ALTRNATIVS COLOGIQUS Constance MURIC R9 séminaire recherche AMC2 «Matériaux pour l éco-conception» nseignants : R. Leroy, L. Dimitriadi NSA Paris Malaquais 12/2014

2 DITO // Le «Manuel s liants du béton» est un outil communication et compréhension qui s adresse à tous les acteurs du mon du bâtiment et la construction, dont principalement les étudiants, les architectes et les ingénieurs. Le domaine du béton est sans cesse en évolution. Recherches et expérimentations se multiplient pour tenter trouver un matériau aussi performant, et bon marché et qui aurait une empreinte écologique plus faible que celle du béton actuel. Cet outil rend donc compte ces recherches et plus spécialement s recherches qui s intéressent à la question du liant dans le béton. Le travail recherche présenté dans ce manuel donne donc à voir l état s lieux dans le domaine s liants du béton, informant ainsi les intéressés afin leur permettre choisir s matériaux adaptés à la man et plus respectueux l environnement, pour ainsi s inscrire dans une démarche, plus responsable, d éco-conception. L objectif cet outil est donc d informer sur la réalité l impact environnemental du béton, faire découvrir les nouveaux les liants qui voient le jour et d en étudier les réels impacts, afin d analyser leurs intérêts et leurs limites et mettre ainsi en avant les pistes les plus prometteuses pour l avenir du béton. Ce manuel est donc une base données qui relate un certain nombre recherches répertoriées à un instant «t». C est donc un outil qui est voué à évoluer, au fur et à mesure s avancées s recherches dans ce domaine, à être complété et mis à jour. 2

3 INTRODUCTION // Le protocole Copenhague 2009, vise à lutter contre le réchauffement climatique à l échelle mondiale, en stabilisant la hausse la température à laquelle la planète se trouve exposée. Dans cette optique, les pays industrialisés ont pour objectif réduire leurs émissions gaz à effet serre 40% d ici Le protocole Kyoto ( 1997) prévoyait déjà pour 2012 une baisse 5,2 % s émissions s pays industrialisés par rapport à leurs émissions Afin parvenir aux objectifs fixés à Copenhague, diverses actions ont été mises en œuvre et continue aujourd hui à se mettre en place dans le secteur industriel, dans le but développer nouvelles solutions qui minimiseraient les impacts environnementaux, tels que la consommation et l épuisement s ressources et s énergies, les émissions ou encore la pollution l air. Dans le domaine du bâtiment, le béton est le matériau le plus largement produit. Son utilisation par les communautés du mon entier le place comme la secon matière la plus utilisée dans le mon après l eau. La production mondiale béton étant 5 milliards m 3 /an, il se trouve être le produit manufacturé le plus employé au mon, se plaçant largement vant les autres matériaux constructions tels que le bois et l acier. Néanmoins ce matériau reste un gros consommateur d énergies et son impact environnemental n est pas moindre puisque sa fabrication émet une quantité non négligeable. Suite aux objectifs fixés par le protocole Copenhague le miieu du bâtiment se trouve fortement concerné par les recherches réduction s impacts environnementaux. Il vient donc nécessaire se manr quelle est réellement la place du béton dans le domaine la construction et dans les démarches actuelles d éco-conception. Si le béton est en réalité un matériau qui présente un impact environnemental élevé, ceci s explique par l utilisation du Portland en tant que liant dans la composition. La confection du Portland s accompagne nombreuses émissions dioxy carbone ( ), augmentant ainsi fortement l empreinte écologique du béton. La production ce matériau est puis ces quinze rnières années en hausse. Ainsi en 2011, elle était 3,4 millions tonnes/an, ce qui représenterait environ 7% s émissions mondiales l année. Pour avoir une idée, la quantité gaz à effet serre émise par la fabrication du Portland était 3 milliards tonnes/an en Ces chiffres révèlent la nécessité et l urgence d agir sur ce matériau construction tant utilisé et dont l empreinte écologique pèse dans la balance mondiale. Il vient donc pressant se pencher sur les limites que présente l usage du béton afin trouver s solutions qui réduiraient son empreinte écologique et permettraient d atteindre les objectifs du protocole Copenhague. Dans cette démarche, ux solutions se développent actuellement. La première vise à réduire la quantité béton fabriqué par la production d un béton meilleure qualité. Pour une même résistance recherchée, ces bétons plus performants permettraient réduire le volume matière nécessaire. Le béton fibré ultra haute performance (BFUP) en est le meilleur exemple. La uxième solution a, quant à elle, pour objectif substituer au maximum le clinker Portland par s additions minérales parfois issues s déchets industriels. Aujourd hui, une gran partie s bétons utilisés dans la construction contiennent déjà dans leur une quantité plus ou moins importante matériaux substitution au clinker Portland. 3

4 La uxième solution s avère être plus réaliste dans le sens où elle propose limiter au maximum l usage clinker Portland tandis que la première propose plutôt une augmentation la résistance s bétons, ce qui correspondrait à une hausse du taux dans le mélange, qui semblerait engendrer une production plus importante du clinker Portland. Les recherches actuelles s intéressent donc au puisqu il est l élément responsable s émissions gaz à effet serre liés à la production béton. De nombreuses étus sont donc menées pour développer s liants susceptibles substituer partiellement ou totalement le clinker Portland, constituant une source d innovation importante. Le sujet cette étu s inscrit donc dans la continuité s recherches actuelles, rejoignant la uxième solution évoquée précémment, puisqu elle s intéresse à la nécessité trouver s alternatives au Portland. lle tente répondre à la question suivant : Quel(s) liant(s) pour un béton écologiquement efficace? Cette recherche propose croiser les multiples connaissances disponibles sur le sujet s liants à travers les diverses recherches et découvertes récemment effectuées sur ce même sujet. Son but est d éclaircir l avenir s bétons et faire émerger s pistes prometteuses qui pourraient aboutir à la création nouveaux liants qui seraient quant à eux plus respectueux l environnement. Ainsi, ce travail tente d apporter s éclaircissements sur la recherche liants alternatifs au Portland en effectuant une classification s principaux liants alternatifs ou qui intègre un composant alternatif au clinker Portland qui font l objet recherches. Ce classement s effectuera sur une étu s impacts environnementaux s s, par l élaboration d analyses cycles vies (AVC) pour chacun s liants, ce qui permettra vérifier l intérêt que pourrait trouver les divers liants étudiés dans une démarche environnementale. Cette classification révélera si les nouveaux liants développés sont réellement intéressants tant sur le plan écologique que sur le plan constructif. Dans un premier temps, après avoir retracer brièvement l histoire et la fabrication s bétons, les s actuels utilisés dans la construction seront présentés, permettant ainsi d exposer le contexte dans lequel s inscrivent les recherches liants alternatifs. Par la suite, nous présenterons les étus, plus ou moins récentes, qui sont menées (ou qui ont été menées) sur les constituants substitutions et les liants alternatifs au Portland, apportant ainsi s précisions sur l état actuel s recherches. Dans un second temps, nous expliquerons le principe calcul d ACV puis nous établirons l ACV différents systèmes. nfin dans un rnier temps nous pourrons analyser ces résultats et réaliser une classification s liants qui nous permettra d élaborer s hypothèses sur les liants qui présentent un avenir prometteur en tant que substituant du clinker Portland. 4

5 SOMMAIR // DITO INTRODUCTION SOMMAIR I - L BÉTON, UN MATÉRIAUX ÉCOLOGIQU? 1 -Le béton, matériau construction le plus employé au mon Le Portland, histoire et fabrication Histoire du Fabrication du Portland Le Portland et le béton Un marché du béton en pleine expansion La notion développement durable 2- Une volonté réduire l impact environnemental du béton Vers s bétons plus performants Des liants avec ajouts minéraux en substitution au clinker Portland II - L BÉTON DURABL, VRS D NOUVAUX LIANTS PLUS ÉCOLOGIQUS 1- De nouvelles substitutions partielles du clinker Portland : Définition la notion constituant alternatif De nouveaux liants incorporant s constituants alternatifs 2- Des alternatives au Portland, vers s substitutions totales : L intérêt environnemental s liants alternatifs Des liants alternatifs susceptibles substituer totalement le Portland Les géopolymères, vers un liant plus écologique III - CLASSIFICATION DS LIANTS : NTR PROPRIÉTÉS MÉCANIQUS T IMPACT NVIRONNMNTAL 1- Vers nouveaux liants plus résistants? 2- L Analyse Cycle Vie L AVC, un outil calcul et d ai à la décision Quelques définitions Principe l ACV Définition s Unités fonctionnelles (UF) Les indicateurs d impacts environnementaux, définition s limites du système L accès aux données 3- Vers nouveaux liants plus respectueux l environnement? Analyse s impacts environnementaux d 1 m 3 béton ACV d un poteau en béton armé ACV d une poutre en béton armé ACV d une structure poteaux-poutres en béton pour un bâtiment bureaux (15m x 30m) trois étages d une trame 5 m IV - DS PISTS PROMTTUSS 1- Analyse s résultats 1-1-La prise en compte s caractéristiques du matériau pour une analyse plus juste 1-2- Comparaison s impacts la phase fabrication d un poteau et d une poutre 1-3- Composants substitution ou liants alternatifs? Les impacts environnementaux s s intégrant un constituant substitution Les impacts environnementaux s liants substitution 2- Des liants prometteurs pour l avenir? CONCLUSION ANNXS : «Fiches Liants» BIBLIOGRAPHI 5

6 I - L BÉTON, UN MATÉRIAUX ÉCOLOGIQU? 1- Le béton, matériau construction le plus employé au mon : 1.1- Le Portland, histoire et fabrication : Histoire du : Le est le constituant principal s mortiers et s bétons puisque c est un liant hydraulique qui permet lier les granulats et les grains sables entre eux. «Fabrication et propriétés s s», L utilisation liants dans la construction date s gyptiens et Mayas, qui à l époque construisaient déjà s mortiers à base chaux, matériau obtenu par la cuisson du calcaire. Comme nous l enseigne Vitruve dans ses Dix livres d architecture, les romains fabriquaient s liants hydrauliques auxquels ils y ajoutaient s tuiles broyées, améliorant ainsi le durcissement du matériau. De nombreux bâtiments, comme le Colisée, qui ont été construits avec ce liant, sont encore bout aujourd hui. Vers le 1siècle, les romains décint d ajouter s cendres volcaniques Pouzzolane au mélange pour améliorer leur liant, permettant ainsi au liant prendre sous l eau. Le temps a passé, et c est seulement à la fin du 18e siècle que les ingénieurs vont redécouvrir cette technique romaine et vont essayer la comprendre. John Smeaton et Louis Vicat effectuent en parallèle s travaux sur ce sujet, mais ce fut Louis Vicat qui découvrit les propriétés s mortiers et qui suite à ses expérimentations publiera en 1817 la théorie l hydraulicité dans laquelle il précise les différentes proportions s composants (calcaire et silice) nécessaires à l élaboration du artificiel. C est la naissance l industrie du. Quelques années plus tard, en 1824, l cossais Joseph Aspdin déposa un brevet pour le Portland, qu il fabriquait et qui égalait les performances la pierre la région. Très vite les premières usines voient le jour et les procédés fabrications ne cesseront se perfectionner jusqu à nos jours. Cependant ce n est que dans les années 1950 que le s est vraiment développé en raison l essor du béton qui est venu révolutionner le mon la construction et qui permet répondre aux besoins pressants construction d après guerre. Depuis le béton est le matériau construction le plus utilisé, car facile d accès, bon marché, pratiquet et performant. Le marché du suit donc le cours l évolution du marché du béton Fabrication du Portland : Le principal constituant du est le clinker, qui s obtient à partir la cuisson d un mélange calcaire et d argile, dont les proportions moyennes sont 80% calcaire et 20% d argile. Une fois les matières premières extraites, les grains calcaire et d argile, dimension maximale 150 mm, sont mélangés par broyage selon s proportions bien définies. Peut y être ajouté la bauxite ou l oxy fer pour corriger la composition. Processus production du. CALCAIR ARGIL BROYAG MÉLANG (homogénéisation) STOCKAG Ajout régulateur prise GYPS CLINKR BROYAG CIMNT RFROIDISSMNT DÉCHTS Fillers / Cendres vollantes / Laitiers hauts fourneaux... COMPOSANT D SUBSTITUTION FOUR C CLINKÉRISATION Le cru, qui désigne la poudre l ensemble s matières premières est chauffée à une température comprise entre 1000 C et 1500 C, c est la phase clinkérisation, qui correspond à la décarbonatation du carbonate calcium (le calcaire). Sous l effet la chaleur, les constituants l argiles, principalement composée silicates d alumine et d oxys fer, se combinent à la chaux qui provient du calcaire pour donner s silicates et s aluminates calcium. CHAUX 65 % (Ca0) Cette phase cuisson est la plus CALCAIR consommatrice 75 à 80 % d énergies toute la production du. Les CLINKÉRISATION SILIC 21 % (Si0 2 ) industriels ont réduit fortement leur consommation + d énergie au cours ces rnières années bien que ce ne soit pas suffisant. ARGIL ALUMIN 6 % (AlO 20 à 25 % 3 ) nsuite, les granules clinker sont broyés avec du gypse (moins 5%), ce qui permet régulariser la prise. Ainsi on obtient le Portland. OXYD D FR 3 % (Fe ) 6 CLINKR

7 Ajout régulateur prise GYPS BROYAG CIMNT DÉCHTS Fillers / Cendres vollantes / Laitiers hauts fourneaux... COMPOSANT D SUBSTITUTION La clinkérisation // Transformation chimique s matières CALCAIR 75 à 80 % CLINKÉRISATION + ARGIL 20 à 25 % CHAUX 65 % (Ca0) SILIC 21 % (Si0 2 ) ALUMIN 6 % (AlO 3 ) OXYD D FR 3 % (Fe ) CLINKR CO2 émis par la fabrication du Le Portland et le béton : Comme nous l avons dit précémment, le est le constituant principal dans le béton, jouant un rôle clé, puisque ce matériau fait office colle et permet lier entre eux les grains sables et les granulats. Le béton est donc un mélange constitué, granulats, sable, d eau et d un peu d adjuvant, selon s proportions bien définies. La résistance du béton résulte sa formulation et s proportions chaque constituant. Ainsi, dans la formulation du béton, ux caractéristiques vont définirent sa résistance du matériau : - la teneur en liant ( manière générale du ) - le rapport eau/liant, dont dépend la porosité du mélange. Moins il y a d eau dans le mélange plus la résistance sera élevée. Pour obtenir un béton bonne résistance, c est à dire contenant peu d eau, tout en ayant un béton assez flui pour la mise en œuvre, on ajoute au mélange s fluidifiants en faible proportion. Les propriétés s bétons sont ainsi une conséquence s justes proportions choisies pour chaque constituant mais aussi s caractéristiques du liant, qui résultent sa composition. Les caractéristiques du liant sont mesurées soit sur la poudre, soit sur la pâte, soit sur un «mortier normal» (mélange normalisé, sable et d eau défini par la norme NF N196-1) Dans cette étu, on s intéresse aux propriétés mécaniques différents s et à leurs impacts environnementaux. Cette recherche se base sur s travaux chercheurs qui ont été menés et qui ont mesuré les propriétés mécaniques chaque liant intégré dans un mortier. Dans notre cas, nous basons notre classification sur la formulation bétons composés à partir différents liants. La résistance du béton résultant la quantité et s propriétés, les bétons étudiés comportent la même masse liant, afin pouvoir avoir s résultats comparables en termes propriétés mécaniques du Un marché en pleine expansion : Le béton, se veut être aujourd hui le premier matériau manufacturé du mon, dépassant très loin les autres matériaux construction. Si ce matériau est aujourd hui tant utilisé, cela s explique par la disponibilité ses matières premières, par la facilité sa production et sa mise en œuvre, par ses propriétés mécaniques intéressantes et par ses faibles coûts énergétiques et économiques. Performant et bon marché, le béton a réellement révolutionner le mon la construction. n France, la majorité s ouvrages d art, 80 % s logements individuels et 90 % s logements collectifs sont construits en béton. Dans le mon, on est aujourd hui à une moyenne 3 tonnes béton fabriqué par personne et par an, un marché qui ne cesse pas d augmenter puis c est 20 rnières années. Les marchés du béton et sont donc très étroitement liés. Les étus sur l évolution du marché du nous permettront donc comprendre en quelques chiffres l expansion du marché du béton. L analyse Lafarge, représentée par le graphique ci-ssous permet se rendre compte qu en effet puis 1992 la consommation a augmenté d une moyenne 5% par an, répondant ainsi à l essor du marché du béton. 7

8 ÉVOLUTION DU MARCHÉ MONDIAL D CIMNT volution du marché du Millions tonnes % /an Graphiques : Lafarge Année Source : analyse Lafarge Graphiques : CMBURAU Chiffres : N.Roussel «Carbonatation s bétons et Piégeage du CO2, SolutionBéton 2012 CMBURAU, organisation représentative l industrie en urope, a réalisé une étu sur les consommations chaque pays au cours l année 2013 qui permet mieux comprendre la cause l explosion du marché mondiale du. Le graphique ci-après (Image 1), qui relate l évolution la production s différents continents entre 2011 et 2013, révèle que L Afrique et l Asie sont les ux continents qui ont environ multiplié leur consommation par 2 en 13 ans, tandis que les autres continents l on multiplié par 0,5, voir l on réduite. De plus, le graphique qui étudie la production s principaux pays du mon (Image 2) illustre que ceux sont surtout les pays en voie développement qui détiennent la majeure partie la production mondiale béton. Le pays le plus producteur se trouve être la Chine, qui produit 58,6% la production mondiale, suivie du reste l Asie (sauf Chine, Japon et In) avec 12,3%, puis l In (7%), l urope (5,8%), l Amérique sauf USA (4,9%) puis l Afrique (4,8%). L augmentation du marché mondial résulte donc l accroissement considérable la production dans les pays en voie développement, principalement en Asie. Image 1 / volution la production mondiale du par régions entre Image 2 / Production mondiale du en 2013, par régions et principaux pays L expansion du marché du ces rnières années, qui répond à une man plus importante fabrication béton, n est pas une nouvelle réjouissante pour l environnement. n effet, la moyenne mondiale s émissions engendrées par la fabrication est 1T pour 1T fabriqué, dont 0,55 tonnes sont liées à la réaction chimique clinkerisation et 0,45 tonnes sont issues la consommation d énergies pour sa fabrication. Le s avère être le principal responsable s émissions dans le béton. n un an, on produit 4 milliards tonnes dans le mon et ainsi on émet 4 milliards tonnes. La fabrication du clinker est donc responsable 5% à 7% la quantité produit par l homme. L usage du béton dans les pays en développement est tout à fait justifié en raison son faible coût, s bonnes propriétés et la polyvalence ce matériau. Néanmoins il grand temps d agir et s intéresser au béton afin d en réduire son impact environnemental trop élevé. 8

9 1.3 La notion développement durable : De nos jours, les multiples objectifs qui visent préserver notre environnement - réduction s émissions gaz à effet serre, développement s énergies renouvelables, protection s espèces menacées - impactent sur nos mos développement futurs et donc en partie sur nos façons construire. Avant s interroger sur la relation du béton avec son environnement, il semble important reprendre les termes utilisés en 1987, par la commission mondiale sur l environnement, pour définir le développement durable afin mieux comprendre le contexte actuel et ses enjeux. Rapport Brundtland sur le site du Ministère s Affaires trangères La définition du développement durable qui fut donnée est la suivante : «Un développement durable est un développement qui répond aux besoins s générations du présent sans compromettre la capacité s générations futures à répondre aux leurs» Diagramme du développement durable: une approche globale à la confluence trois préoccupations, dites «les trois piliers du développement durable». NVIRONNMNT Vivable Viable DURABL SOCIAL quitable CONOMI Les trois piliers du développement durable sont donc les aspects économique, sociétale et environnemental. Dans le cadre cette recherche, nous nous intéressons aux impacts environnementaux d un matériau construction, le béton. Nous focaliserons donc cette étu sur le rapport entre le béton et l environnement. n raison du manque données, nous ne pourront pas nous intéresser à l aspect économique s bétons qui vont être étudiés. Le développement durable, par son approche global, prend en compte différentes catégories d impacts environnementaux qui sont classés selon ux types : Les catégories orientées «dommages» : - épuisement s ressources - consommation ressources énergétiques - impact sur la santé - impact écologique Les catégories orientées «problèmes» : - consommation d eau - déchets solis - changement climatique - acidification atmosphérique - pollution l air - pollution l eau - struction la couche d ozone stratosphérique - formation d ozone photochimique. 9

10 Néanmoins aujourd hui, on se focalise sur ux catégories d impacts majeurs : la consommation énergétique et la changement climatique, ce qui pour le moment fait l objet nombreuses recherches mais qui ne pourra à termes apporter une solution pérenne puisque les autres impacts pourraient être augmentés. A chaque problème qui se pose, la réponse apportée doit être la «Meilleure Technologie Disponible», qui est la solution qui répond au mieux aux critères du développement durable, en permettant répondre aux besoins tout en ayant l impact plus faible par rapport aux autres technologies étudiées. L éco-matériau est donc le matériau qui correspond à la «Meilleure Technologie Disponible» pour une application donnée. C est exactement dans cet esprit que s inscrit le travail recherche qui va suivre, puisque son but est pouvoir analyser quel serait le liant qui serait à la fois le plus performant et moins polluant. 10

11 A chaque problème qui se pose, la réponse apportée doit être la «Meilleure Technologie Disponible», qui est la solution qui répond au mieux aux critères du développement durable, en permettant répondre aux besoins tout en ayant lʼimpact plus faible par rapport aux autres technologies étudiées. Lʼéco-matériau est donc le matériau qui correspond à la «Meilleure Technologie Disponible» pour une application donnée. I - L BÉTON, UN MATÉRIAUX ÉCOLOGIQU? Cʼest exactement dans cet esprit que sʼinscrit ce travail recherche, puisque le but est pouvoir 2 - Une volonté réduire analysé l impact quel serait environnemental le liant que serait du béton à la fois : le plus performants et moins polluant. Les scientifiques et chercheurs dans domaine du béton se mobilisent déjà puis quelques années pour trouver s solutions plus durables pour la fabrication du béton. Aujourd hui, en vu remplir 2- Une les volonté objectifs du réduire protocole lʼimpact Copenhague, environnemental les recherches du béton qui : s effectuent sur les liants du béton se multiplient. La première stratégie adoptée fut l amélioration technologique s eries mais cela représente un investissement coûteux et pas assez convainquant. Les scientifiques et chercheurs du domaine du béton se mobilisent déjà puis quelques années pour Ainsi pour atteindre les objectifs réduction d émissions CO2, ux stratégies se sont développées dans l industrie aire. Comme il l a été évoqué précémment, la première vise à réduire la trouver s solutions plus durables pour la fabrication du béton. Aujourdʼhui, en vu remplir les objectif du protocole Copenhague, les recherches sur les liants du béton se multiplient. La première quantité béton fabriqué en produisant un béton meilleure qualité. Ces bétons plus performants stratégie adoptée fut lʼamélioration technologique erie mais cela représentait un permettent ainsi réduire le volume matière nécessaire pour obtenir une résistance donnée. La investissement coûteux. uxième solution a, quant à elle, pour objectif développer s s dans lesquels une partie Ainsi pour atteindre les objectifs réduction dʼémission, ux stratégies se sont développées dans du clinker lʼindustrie Portland aire. est substituée Comme par il s lʼa additions été évoqué minérales précémment, ou s sous la produits première industriels. vise à réduire la quantité béton fabriqué en produisant un béton meilleure qualité. Ces bétons plus performants permettent ainsi réduire le volume matière nécessaire pour obtenir une résistance donnée. La uxième solution a, quant à elle, pour objectif développer s s dans lesquels une partie du clinker Portland est substituée par s additions minérales ou sous produits industriels. (* Vers s bétons plus performants Dans Vers le s domaine bétons du plus béton, performants les progrès en matière d adjuvants, méthos, formulations et d utilisation s ultrafines ont permis une évolution spectaculaire à la fin s années 1980, élargissant Dans ainsi la le gamme domaine s du bétons béton, courants, les progrès résistance en matière en dʼadjuvants, compression méthos, 30 MPa, jusqu aux formulations Bétons à et dʼutilisation Hautes Performances s ultrafines (BHP) ont d une permis résistance ont une d environ évolution 50 MPa. spectaculaire à la fin s années 1980, élargissant Aujourd hui, ainsi les rniers la gamme nés s s bétons bétons courants, sont les Bétons résistance Fibrés en à Ultra compression hautes Performances 30 MPa, jusquʼaux (BFUP) Bétons qui sont à pour Hautes le moment Performances les bétons (BHP) les dʼune plus résistance résistants dʼenviron qui existent. 50 MPa. Ces matériaux constitués d une Aujourdʼhui, matrice aire les rniers renforcée nés s fibres bétons possènt sont les Bétons d excellentes Fibrés propriétés à Ultra hautes mécaniques, Performances permettant (BFUP) qui d atteindre sont pour entre le moment 150 et 250 les MPa bétons résistance les plus résistants en compression qui existent. et 10 MPa Ces matériaux résistance constitués à la traction. dʼune matrice Ces performances, aire engendrées renforcée par fibres la présence possènt fibres, dʼexcellentes et leur comportement propriétés mécaniques, ductile (ductilité permettant : dʼatteindre déformation entre sous 150 charge et 250 sans MPa rupture résistance fragile) permettent en compression réaliser et 10 grans MPa prouesses résistance techniques à la traction. Ces et performances, se passer dans dues certains à la cas présence d armatures fibres, passives. et leur comportement ductile (ductilité : déformation sous charge sans rupture fragile) permettent réaliser grans prouesses techniques et se passer Le BFUP dans est certains caractérisé cas par dʼarmatures un fort dosage passives. dans sa composition (700 à 1000 kg/m 3 ) une quantité importante d adjuvant, la présence fibres (2 à 3% du volume), l utilisation granulats Le faibles BFUP dimensions est caractérisé et d une par teneur un fort en dosage eau très faible. Voici dans ci-ssous sa composition ux exemples (700 à 1000 formulation kg/m3) une quantité BFUP importante pour 1 m 3. dʼadjuvant, la présence fibres (2 à 3% du volume), lʼutilisation granulats faibles dimensions et dʼune teneur en eau très faible. Voici ci ssous ux exemples formulation BFUP pour 1 m 3. "Les Bétons Fibrés Ultra Haute hautes Performances BFUP", Les bétons aux performances, Chap3, p27 Ciment Sabe fin Quartz broyé Fumée Fibres Adjuvant au totale silice métalliques (extrait sec) 710 kg kg 215 kg 230 kg 160 kg 10 kg kg kg kg 220 kg 35 kg (source : «Les Bétons Fibrés Ultra Haute hautes Performances BFUP», Les bétons aux performances, Chap3, p27) Le BFUP est un matériau qui présente très bonnes performances, une très bonne durabilité et qui Le ne BFUP nécessite est pas un matériau d entretien. qui Cependant présente il très est très bonnes énergivore performances, puisqu il une consomme très bonne 8,23 durabilité GJ/m 3 pour et qui ne sa fabrication, nécessite pas soit dʼentretien. trois fois plus Cependant d énergie il qu un est très béton énergivore classique, puisquʼil lta consomme induit par la 8,23 forte GJ/m quantité 3 pour sa fabrication, dans soit sa composition. trois fois plus Sa dʼénergie fabrication quʼun émet béton également classique, 1,1t éq. lta /m induit 3 pour par 0,8t la éq. forte CO quantité 2 /m 3 pour un béton dans ordinaire. sa composition. Sa fabrication émet également 1,1t éq. /m 3 pour 0,8t éq. /m 3 pour un Néanmoins, béton ordinaire. son excellente durabilité fait que sur 1000 ans, l utilisation du BFUP utilise 3 à 6 fois moins matières qu un béton classique, rentabilisant ainsi l impact environnemental lié à sa fabrication. 10 Dans notre étu comparative s nouveaux liants du béton, le BFUP constituera un béton référence, en plus d un béton ordinaire construction, puisqu il est le béton le plus résistant. 11

12 2.2 Des liants avec ajouts minéraux en substitution au clinker Portland Aujourd hui, une gran partie s bétons utilisés dans la construction contiennent dans leur une quantité plus ou moins importante matériaux substitution au clinker Portland. L intérêt cette substitution est, comme nous l avons évoqué, tout d abord un intérêt environnemental puisque ces additions nécessitent peu d énergies pour être produites et sont le plus souvent s sous produits d industries donc s déchets qui trouvent un nouvel emploi, comme par exemple les laitiers issus hauts fourneaux ou les cendres volantes issues la combustion charbon. Par exemple, d après COserve si l on substitue 35% clinker par un laitier on réduit les émissions d environ 0,22t /t. Certains s matériaux substitution sont caractérisés par une teneur en calcium plus faible que le Portland, ce qui implique une modification s hydrates formés, influant ainsi sur la résistance et la durabilité du matériau. D autres composants alternatifs, ajoutés dans la composition du liant, permettent d améliorer les propriétés celui-ci et par conséquent d augmenter la résistance en compression du béton. Il existe donc actuellement sur le marché différents s aux caractéristiques variables ; compositions multiples, différentes résistances et vitesse prise... Ainsi chaque présente s caractéristiques précises et sont donc utilisés pour s usages variées et employés dans s domaines déterminés ; préfabrication ou coulage sur place, exigence climat, milieu agressif... Pour chaque contexte, il est important répondre avec le qui est le plus approprié. Voici les différentes catégories s couramment utilisés qui ont recourt à différentes substitutions du clinker Portland : - Ciment avec ajouts aires // CM II/A ou B 32,5, 42,5 et 52,5 (a) : le plus souvent utilisé pour la construction qui substitut 5 à 35 % clinker Portland par s cendres, s laitiers ou la pouzzolanes. - Ciment composé fumées silice // CPJ-CM II/A (D) 52,5 (b) : qui contient 10% fumées silice, en substitution au clinker Portland. Il est utilisé pour les bétons à hautes performances. - Ciment avec laitiers hauts fourneaux // CHF-CM III/A, B et C 32,5, 42,5 et 52,5 (c) : utilisé pour la construction qui substitut 5% jusqu à 95 % clinker Portland par s laitiers hauts fourneaux, résidus l industrie métallurgique. - Ciment aux laitiers et aux cendres // CLC-CM V/A 32,5 (d) : utilisé pour les ouvrages en milieu sulfatés. Il remplace 18 à 30% clinker Portland par s laitiers hauts fourneaux et 18 à 30% du clinker par s cendres silice ou la pouzzolane naturelle. - Ciment alumineux fondu // CA (e) : S appelle aussi d aluminates calcium. Il résulte la cuisson jusqu à fusion d un mélange calcaire et bauxite. CIMBÉTON, «Les Bétons Fibrés à Ultra haute Performances BFUP», Les bétons aux nouvelles performances, chap. 3, CIMBéton - Le Premix BFUP (Béton Fibré à Ultra Haute performance) (f) : Béton composé 700 à 1000 kg/m3 CM I 52,5 avec une substitution 2 à 30 % clinker par la fumées silice. La composition précise chacun ces s, leurs propriétés mécaniques, leurs principales applications ainsi que les impacts environnementaux liés à leurs fabrications sont précisés dans les «fiches liants» qui se trouvent en annexes. 12

13 Chapitre 1 Les s Les différents types s (extrait la norme NF N 197-1, article 6, tableau 1) LS DIFFÉRNTS TYPS D CIMNTS (extrait la norme NF N 197-1, artice 6, tableau 1) CIMBéton, «Les constituant s béton et s mortiers», Collection Technique CIMbéton, G10, Fiche Technique Tome 1, p

14 II L BÉTON DURABL, VRS D NOUVAUX LIANTS PLUS COLOGIQUS? Aujourd hui nouveaux liants voient le jour, voulant substituer partiellement ou totalement le Portland. Les nombreuses recherches, thèses et expérimentations testent l utilisation s déchets pour la fabrication nouveaux liants. Cette partie tente faire l inventaire d un maximum ces nouveaux liants. Une «fiche d intité» par liant permet connaître la composition chacun ces liants, leurs propriétés physiques, leurs caractéristiques, leurs applications et s données concernant leur impact environnemental. La liste s liants alternatifs, partiel ou total, du clinker Portland et les «fiches liants» qui les accompagnent sont vouées à évoluer et à être mises à jour en fonction l avancée s recherches dans ce domaine. Les diverses données renseignées sur ces fiches sont le résultat d un travail bibliographique, elles sont donc issues s diverses recherches effectuées sur chacun s liants. Dans certains cas, les recherches étant trop récenteset les données n étant pas accessibles, s informations sont manquantes. Les fiches s liants évoqués ci-après se trouvent en annexes. 1 - De nouvelles substitutions partielles au clinker Portland : Prospective : «Des formulations qui rennt les bétons plus écologiques ", Le Moniteur.fr, , cahier technique du bâtiment De nombreux chercheurs expérimentent nouveaux liants, selon une logique substitution du clinker Portland, en incorporant dans le mélange s constituants alternatifs. Avant lister les nouveaux liants, revenons sur la notion constituant alternatif Définition la notion constituant alternatif : Un constituant alternatif d un béton est caractérisé par le fait qu il ne figure pas dans le contexte normatif associé à la production béton. Les matériaux qui sont susceptibles d être utilisés en tant que constituants alternatifs d un béton, ou dans notre cas d un, peuvent être rangés selon trois catégories : - les produits qui résultent d un processus production ou d une opération retraitement s déchets (liants non normalisés, granulats démolition ) - Les sous-produits issus d un processus production (laitiers hauts fourneaux, cendre biomasse, chanvre ) - Les déchets dangereux Il est bien évint que s normes contrôlent l incorporation ces constituants alternatifs dans le béton. Que ce soit s produits, s sous-produits ou s déchets, ils doivent être conformes aux exigences normatives qui leur sont relatives. Toute introduction constituants alternatifs dans la fabrication d un ou d un béton modifie le mélange initial et par conséquent influe sur les propriétés du béton. Il en découle donc que l élément en béton vra lui aussi satisfaire aux exigences qui lui sont propres en termes performance en remplissant les propriétés mécaniques recherchées De nouveaux liants incorporant s constituants alternatifs : (1) " Un écologique voit le jour grâce au métakaolin ", avril 2013 (2) L.Nelfia, P.Y Mahieux, Ph. Turcry, Y. Amine, O. Amiri, «Incorporation fines béton démolition dans la fabrication mortier par substitution du» - Ciment avec métakaolin (1) : Ciment dans lequel on remplace 10 à 60% du clinker Portland par du métakaolin. Le métakaolin a été utilisé comme liant en association avec le chaux dans nombreux édifices dans l antiquité. Le kaolin est une roche argileuse blanche, friable, essentiellement composée kaolinite. Cette argile kaolinique est broyée puis calcinée à 750 C, soit à une température ux fois moins élevé que pour la clinkérisation du calcaire pour la fabrication du clinker Portland. La cuisson provoque une désorganisation la structure cristalline du kaolin, on obtient donc du métakaolin. Celui-ci aura une réaction pouzzolanique en présence chaux - Ciment avec fines bétons recyclés (2) : Dans ce, s fines béton qui sont s déchets issus du broyage du béton, du lavage s camions et la boue substituent le clinker à une hauteur 25 à 75 %. La résistance du béton résulte du pourcentage substitution. 14

15 (3) «De vieilles toilettes recyclées en un nouveau vert», avril 2014, com/-vieilles-toilettesrecyclees-en-unnouveau--vert/ (4) WILLIAM, Wilson, «Bétons durables a base cendres d écorces riz», 2012, Résumé (5) MOONZUR Rahman, «Le écologique tient le haut du pavé», sept environnementthematique_191/ le--ecologiquetient-le-haut-du-pavearticle_84962/ - Ciment avec la céramique recyclée (3) : récente recherche, ce propose d intégrer la céramique broyée dans le liant et d y ajouter l hydroxy sodium et s silicates sodium pour l activation s matériaux. - Ciment avec cendres d écorces riz (4) : étu qui tente d incorporer s déchets agroalimentaires, s écorces riz, dans le pour remplacer 10 à 15% du clinker. Cette recherche s inspire s techniques ancestrales asiatiques. L article «Study of Sticky Rice Lime Mortar Technology for the Restoration of Historical Masonry Construction» FUWI YANG, BINGJIAN ZHANG and QINGLIN Ma, évoque ces tecnhiques ancestrales. - Ciment avec s cendres industrielles sucre cannes (5) : recherche qui consiste à substituer 20 à 40% clinker Portland par la cannes à sucre. Toutes les précisions concernat ces liants sont précisées dans leur «fiche liant», annéxées selon la numérotation s liants. Mais les s incorporants s composants substitution n est pas la seule piste explorée pour tenter d apporter une solution au problème environnemental que pose le béton. Les liant alternatifs est donc la secon piste explorée par les chercheurs. 15

16 (1) (2) (3) (4) (5) 16

17 II L BÉTON DURABL, VRS D NOUVAUX LIANTS PLUS COLOGIQU? 2 - Des alternatives au Portland, vers s substitutions totales : L idée qui consiste à remplacer le clinker par un autre liant n est pas neuve mais cette piste fut réactivée par les nouveaux objectifs environnementaux. HABRT G., J.B. d SPINOS LACAILLRI, N. ROUSSL, «An environmental evaluation of geopolymer based concrete production: reviewing current research trends», Journal of Cleaner Production, 2011 HABRT G. and C. OULLT-PLAMONDON, «Life cycle analysis (LCA) of alkali-actived céments and concretes», Chap (6) T. Desbois, thèse, «Stabilité et durabilité s Hydrates du système clinker sulfoalumineux gypse», Docteur École Nationale s Ponts et Chaussées, nov 2009 (7) C.Broussillou et M.Caruel, «Un Liant hydraulique à base gypse pour les parpaings marocains», cole Nationale s ponts et chaussées, 2004 (8) Novacem produit un à carbone négatif, juin 2011, etsinnovation.wordpress. com/2011/06/27/ novacem-produit-un-a-carbonenegatif/ (9) - BAUX C., LAURANS M., LANOS C., PIRR A., GUILBRT J., Guillaume M., Phelipot-Merlé A., «Performances s Ciments Sur-Sulfatés», Rennes - CMROC L intérêt environnemental s liant alternatifs : Par le développement s qui contiennent une forte proportion d additions minérales, l industrie ière va pouvoir diminuer par 2 ses émissions gaz à effet serre. Néanmoins, cela ne permettra pas d atteindre la réduction facteur 4 qui a été fixée pour G.Habert a montré dans sa thèse que les bétons que l on peut concevoir avec les connaissances scientifiques et techniques actuelles ne permettront d atteindre qu une réduction facteur 2, et que si l on souhaite arriver à l objectif fixé pour 2050 (division d un facteur 4) une rupture technologique est nécessaire. Dans cette dynamique là, s recherches sont donc menées pour développer s liants alternatifs au Portland Des liants alternatifs susceptibles substituer totalement le Portland : Certains liants vont jusqu à supprimer totalement le clinker Portland la composition pour le remplacer par d autres matériaux qui ainsi permettent constituer d autres liants qui nécessitent moins d énergies et qui émettent moins. n voici quelques un répertoriés ci-ssous : - Ciment sulfoalumineux Gypse (6) : liant composé clinker sulfoalumineux ; bauxite calcaire, sulfate calcium, et gypse à un pourcentage maximum 20% du mélange. Une thèse fut réalisée à ce sujet par Tiffany Desbois. - Ciment gypse (Gypse Cement) (7) : liant qui a la même composition que le sulfoalumineux-gypse mais avec un pourcentage gypse plus important allant 60 à 80% du mélange. - Ciment d oxy magnésium (8) : matériau obtenu à partir d oxy magnésium chauffé à 650 C, soit à une température ux fois moins élevée que pour le clinker Portland. - Ciment sur-sulfaté (9) : constitué 80% laitiers hauts fourneaux et 20% sulfate calcium. D après la source CMROC, 1t sur-sulfaté émet 45kg. Ce qui est à peu près 2 fois moins émetteur que le Portland. La composition chacun ces liants, leurs caractéristiques et leurs applications sont précisées dans leurs " fiche liant ". 17

18 (7) (8) 18

19 2.3 - Les géopolymères, l espoir d un liant plus écologique? Les géopolymères, bien qu ils ne soient pas en soi une nouveauté, sont s liants alternatifs au Portland qui présentent nombreux intérêts. Davidovitz a montré dans une ses étus (2006) que pour les pyramis, une colle «géopolymérique» avait été utilisée pour confectionner s pierres ré-agglomérées constituées d argile, natron et chaux. n présence d eau l argile, le natron et la chaux forment cette colle dite «géopolymérique». Les géopolymères ne datent donc pas d hier. Mais puis le dépôt du terme «géopolymère» dans les années 70 et les nombreux brevets déposés par Davidovits entre 1972 et 1996, l intérêt pour ces nouveaux matériaux est croissant, principalement dans le domaine la construction. Ceci correspond à un besoin plus en plus pressant réduire les émissions et répond à une prise en compte s problématiques environnementales par les gouvernements. Le terme «géopolymère» désigne donc s s d activation alcalines pures, excluant les réactifs pouzzolaniques. Il est important bien différencier les s polymères qui durcissent à température ambiante s liants polymères qui durcissent en présence chaleur. La géopolymérisation est la réaction qui a lieu entre s silicates d aluminium et une solution alcaline avec ou non la silice en solution. Cette réaction n est pas encore parfaitement maîtrisée, une erreur dans le dosage peut alors déboucher sur une structure linéaire ou tridimensionnelle. Or, seule la structure tridimensionnelle permet d obtenir les capacités mécaniques recherchées en termes résistance. Mais une fois la formulation réussie, les performances ce matériau sont excellentes. Par conséquent cela rend difficile la réalisation du mélange, qui ne peut se faire sur chantier, puisque sa fabrication nécessite s conditions particulières. Le géopolymère présente un attrait environnemental puisque sa fabrication nécessite une transformation minimale certains matériaux géologiques naturels ou sous-produits industriels, qui émettent une quantité plus faible que pour la fabrication d un Portland. Le géopolymère acquiert sa résistance en 24h, présente une bonne résistance au feu, aux acis et il possè une capacité fixation s métaux lourds. Un géopolymère est composé s matériaux suivant : Silicate d aluminium + un réactif alcalin inoffensif (silicates solubles sodium ou potassium) + eau + du calcium (laitier haut fourneau) Ceux sont les laitiers hauts fourneaux qui assurent le durcissement à température ambiante. Il existe différentes catégories pour les s géopolymères : - géopolymère à base laitier (10) - géopolymère à base roche (11) - géopolymère à base cendres volantes (12) Les précisions sur ces liants sont apportés dans les «fiches liants» qui leur corresponnt. ntre les s incorporant s composants alternatifs et les liants alternatifs qui substituent totalement le clinker portland, les recherches ières se font plus en plus nombreuses dans l espoir créer un nouveau liant aussi performant que le Portland mais avec une empreinte écologique bien moins importante. Toutes ces recherches et expérimentations ne permettent pas vraiment d y voir très clair sur l avenir du mon s s. Ces nouveaux liants sont-ils intéressants pour leurs capacités techniques et présentent-ils réellement s intérêts environnementaux? Les parties qui vont suivre tentent classer ces différents liants selon leurs propriétés mécaniques et selon leurs impacts afin permettre d y voir plus clair sur les intérêts qu ils présenteraient et peut-être faire émerger quelques pistes qui sembleraient prometteuses. 19

20 III CLASSIFICATION DS LIANTS : NTR PROPRIÉTÉS MÉCANIQUS T IMPACT NVIRONNMNTAL Comme évoqué précémment, ce mémoire aboutit à une classification s liants, laquelle se fera selon ux critères : La résistance et l impact environnemental (l émission et la consommation d énergies) s bétons utilisant divers. Le protocole classification qui va être adopté par la suite a pour but d être les premiers pas d un processus classification qui permettrait l ajout nouveaux liants au fur et à mesure l avancée s recherches dans ce domaine. Certains résultats s étus qui seraient effectuées sur les liants du béton dans le cadre du séminaire pourront ainsi y être intégrées, comme par exemple l expérimentation qui s intéresse à une substitution partielle du clinker Portland par s coquilles d œufs. Cet inventaire et cette classification trouvent leurs intérêts s ils sont sans cesse mis à jours afin venir un réel outil pour les architectes, les étudiants et les industriels, les éclairant ainsi sur l évolution du mon du béton en matière d éco-conception et les invitant à se tourner vers l utilisation nouveaux matériaux plus respectueux l environnement. 1 - Vers nouveaux liants plus résistants? Lorsqu un matériaux est voué à être utilisé dans le domaine la construction, il est important d en connaître la résistance afin d en déduire par la suite les applications pour lesquelles il peut être utilisé. Cette partie s intéresse donc à la résistance à la compression s bétons fabriqués à partir différents liants étudiés. Ainsi l étu s résistances permettra savoir à quelles applications architecturales l utilisation chacun ces liants peut mener. Cette classification s appuie sur les nombreuses recherches et expériences effectuées en matière nouveaux liants alternatifs au Portland. Les données résistance sont donc les résultats ces diverses expériences, répertoriées au cours du travail bibliographique qui fut effectué. La résistance d un béton est directement dépendante du type. Il s agit donc définir les qualités résistance d un. Dans les bétons, la seule variable est la nature liant hydraulique, sa résistance est alors considérée comme significative la résistance du. RÉSISTANC À LA COMPRSSION (en MPa) mesurée à 28 jours Résistance à 28j en (Mpa) Données du graphiques issues s différentes recherches réalisées. Sources énoncées dans les «fiches liants» chaque liant CMI 32,5 BFUP CM II A La meilleure solution La moins bonne solution CM II B CM II A aux fumées silice Laitiers haut fourneau CM III A Laitiers haut fourneau CM III B Laitiers haut fourneau CM III C Liant Métakaolin (60%) d'oxy Magnésium Sulfoalumineux - gypse (20%) Sulfoalumineux - gypse (60%) Ciment avec fines béton recyclé Géopolymère Ciment sursulfaté Liants à l étu Le graphique ci-ssus qui donne la résistance chacun s bétons étudiés, permet percevoir comment chacun s liants, actuellement utilisés dans la construction ou qui font l objet recherches, se positionnent les uns par rapport aux autres en terme résistance. 20

21 Cette comparaison s résistances permet se rendre compte que pour le moment, le BFUP est loin le béton le plus résistant. Mais ce graphique met aussi en évince l intérêt que l usage certains liants présentent par leur résistance en compression. Par exemple, le liant alternatif d Oxy magnésium présente une résistance supérieure à 60 MPa, ce qui est plus résistant qu avec les s actuellement utilisés dans la construction (CM I, CM IIA et CM IIIA et B à 52,5) qui atteignent au mieux une résistance 50 MPa. Ou encore, pour une substitution 20% clinker, le Ciment sulfoalumineux-gypse atteint une résistance 80 MPa ce qui semble vraiment intéressant. Mais on se rend compte que pour un taux 60 % gypse, la résistance du béton chute remarquablement, ce qui ne rendra pas intéressante l utilisation ce béton pour un usage structurel. Les taux substitution du clinker Portland dans chacun s liants influencent donc considérablement la résistance s bétons. Une première classification s différents liants selon leur résistance donnerait cela : CLASSIFICATION DS BÉTONS DU MOINS AU PLUS RÉSISTANT (en MPa) Résistance Résistance à la compression à 28j mesurée en (Mpa) à 28 jours Données du graphiques issues s différentes recherches réalisées. Sources énoncées dans les «fiches liants» chaque liant Sulfoalumineux - gypse (60%) CMI 32,5 CM II A Laitiers haut fourneau CM III C Ciment sursulfaté Ciment avec fines béton recyclé Géopolymère Liant Métakaolin (60%) CM II B CM II A aux fumées silice Laitiers haut fourneau CM III A Laitiers haut fourneau CM III B d'oxy Magnésium Sulfoalumineux - gypse (20%) BFUP Cette première classification, met en avant le fait que les liants répertoriés présentent s propriétés techniques en compression qui pourraient être exploitées. Mais leurs utilisations aurait-elle un impact moindre sur l environnement que celle du clinker Portland? L élaboration d une étu s impacts environnementaux chaque liant est donc nécessaire pour pouvoir peser leurs intérêts environnementaux, tel est donc l objectif s ux parties qui vont suivre. 21