Valorisation et caractérisation de la durabilité d un béton à base des sédiments de dragage

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1 Journée technique La croissance verte s applique (aussi) aux sédiments! Caractériser - Valoriser Transformer Valorisation et caractérisation de la durabilité d un béton à base des sédiments de dragage Présentée par Rachid ZENTAR Mines DOUAI,

2 Plan de la présentation Etude de durabilité du béton Démarche expérimentale Caractérisation de deux bétons à base de sédiments Etude de durabilité Evaluation environnementale Conclusions 2

3 Contexte En France la consommation des granulats en génie civil présente: 400 à 500 Mt/an [UNPG,2013]. 96% d origine naturelles. Aujourd'hui les réserves de granulats posent un problème pour les raisons suivantes: Sites inaccessibles; Exploitation trop coûteuse; Sensibilité de l environnement. Solutions: Dans une logique de Développement Durable, la valorisation des déchets devient incontournable afin de réduire les incidences liées à l utilisation des ressources naturelles. Une nouvelle source de matériaux en génie civil: Utilisation des matériaux de dragage. Sédiments générés annuellement: 600 Mm 3 de sédiments/an dans le monde (Boutin, 1999); 50 Mm 3 de sédiments/an en France (Alzieu et al., 1999) 4 Mm 3 de sédiments/an du GPMD,2012 En France: Sédiments immergeables 95 % restitués au milieu aquatique: (Immersion, remise en suspension, rechargement côtier,,) Sédiments non-immergeables 5 % gérés à terre: (Stockage temporaire, valorisation). 3

4 Contexte Fabrication de blocs de béton contenant des sédiments marins pour la protection et le renforcement des ouvrages du GPMD. En Blocs contenant 12,5% de sédiments (B1) 3 Blocs contenant 20% de sédiments (B2) En 2012 Campagne de carottage Etude de durabilité 4

5 Objectifs Evaluer l influence du taux d incorporation des sédiments dans les blocs béton; Evaluation des indicateurs de durabilité: Caractérisation non destructive; Caractérisation destructive; Caractérisation microstructurale et identification des compositions. Evaluation de la durabilité par des essais de performance: Cycles gel/dégel; Attaque sulfatique externe; Réaction alcali-granulats. Impact environnemental 5

6 Caractérisation de deux bétons à base de sédiment Eprouvettes issues du carottage Indicateurs de durabilité Essais non destructifs Essais destructifs Etude microscopique Essai de compression Essai de traction Module d Young DRX Examens pétrographiques Essais de performance Cycles gél/dégel Attaque sulfatique externe Réaction alcali-granulats Evaluation Environnementale Expansion Essai de lixiviation des bétons B1 et B2 6

7 Δf/f0 Etude de durabilité du béton Caractérisation non destructive des bétons B1 et B2: mesure par acoustique linéaire Evaluation d UPV ASTM C Evaluation du module dynamique ASTM C UPV (m/s) E dyn (GPa) B B Caractérisation non destructive des bétons B1 et B2: mesure par acoustique non-linéaire 4,0E-03 3,5E-03 Béton B1 Béton B2 3,0E-03 y = 10338x ,5E-03 2,0E-03 1,5E-03 y = x ,0E-03 5,0E-04 0,0E+00 0E+00 1E-07 2E-07 3E-07 4E-07 5E-07 Déformation ε 7

8 Essais destructifs Eprouvettes issues du carottage Indicateurs de durabilité Essais non destructifs Essais destructifs Etude microscopique Essai de compression Essai de traction Module d Young DRX Examens pétrographiques Essais de performance Cycles gél/dégel Attaque sulfatique externe Réaction alcali-granulats Evaluation Environnementale Expansion Essai de lixiviation des bétons B1 et B2

9 Caractérisation destructive des bétons B1 et B2: propriétés mécaniques Résistance à la compression ASTM C Résistance à la traction ASTM C 496 Module d élasticité statique ASTM C Rc (MPa) Rt (MPa) B1 40 3,6 B2 31 3,3 9

10 Etude microscopique Eprouvettes issues du carottage Indicateurs de durabilité Essais non destructifs Essais destructifs Etude microscopique Essai de compression Essai de traction Module d Young DRX Examens pétrographiques Essais de performance Cycles gél/dégel Attaque sulfatique externe Réaction alcali-granulats Evaluation Environnementale Expansion Essai de lixiviation des bétons B1 et B2 10

11 Etude microscopique de B1 et B2 Etude de porosité au mercure de B1 et B DRX Béton Porosité (%) B1 11,6 B2 16,9 B 1 1 U (M) Lin (Counts) DRX de B1 Calcite Quartz Portlandite 3000 DRX de B2 Calcite Quartz B (M) 2000 Lin (Counts) 2000 Portlandite Theta - Scale File: W6B B11U(M).raw - Type: 2Th/Th locked - Start: End: Step: Step time: s - Temp.: 25 C (Room) - Time Started: 14 s - 2-Theta: Theta: Chi: Phi: X: 0.0 Operations: Smooth Background 1.000,1.000 Import (I) - Quartz low, syn - O2Si - Hexagonal (N) - Calcite, magnesium, syn - (Mg0.06Ca0.94)(CO3) - Rhombo.H.axes (A) - Portlandite, syn - Ca(OH)2 - Hexagonal Theta - Scale File: W6I B214(M).raw - Type: 2Th/Th locked - Start: End: Step: Step time: s - Temp.: 25 C (Room) - Time Started: 15 s - 2-Theta: Theta: Chi: Phi: X: 0.0 Operations: Smooth Background 1.000,1.000 Background 1.000,1.000 Smooth Import (I) - Quartz low, syn - O2Si - Hexagonal (N) - Calcite, magnesium, syn - (Mg0.06Ca0.94)(CO3) - Rhombo.H.axes (A) - Portlandite, syn - Ca(OH)2 - Hexagonal

12 Lin (Counts) DRX du sédiment incorporé B 1.1 dans B1 Ettringite Quartz Calcite Pyrite Lin (Counts) DRX du sédiment incorporé dans B2 Ettringite Quartz Calcite Pyrite B B File: W6Q B11.raw Examen Operations: Smooth Background pétrographique 0.120,1.000 Background 0.120,1.000 Import du B1 et B (I) - Quartz low, syn - O2Si - Hexagonal (A) - Calcite - Ca(CO3) - Rhombo.H.axes 2-Theta - Scale (I) - Ettringite - Ca6(Al(OH)6)2(SO4)3(H2O) Hexagonal (N) - Pyrite - FeS2 - Cubic Interface sédiment/ pâte de ciment B Theta - Scale B File: W72 SD B28.raw Operations: Smooth Smooth Background 1.000,1.000 Background 1.000,1.000 Y Scale Add 5 Y Scale Add 5 Y Scale Add (I) - Quartz low, syn - O2Si - Hexagonal (A) - Calcite - Ca(CO3) - Rhombo.H.axes (I) - Ettringite - Ca6(Al(OH)6)2(SO4)3(H2O) Hexagonal (N) - Pyrite - FeS2 - Cubic Interface sédiment/ pâte de ciment B2 Sédiment marin Pâte de ciment 12

13 Observation MEB du béton B1 Ettringite 1 Formation de l ettringite dans le sédiment marin (1) Observation MEB de la microstructure et de l interface sédiment/pâte de ciment du B1 et des cartographies élémentaires Observation MEB et microanalyse élémentaire par spectrométrie x à dispersion d énergie de l ettringite 13

14 Observation de la microstructure du béton B2 Pâte de ciment Sédiment marin 1 (1) Observation MEB et cartographies élémentaires da la microstructure du béton à 20% du sédiment marin 14

15 Etude de durabilité Eprouvettes issues du carottage Indicateurs de durabilité Essais non destructifs Essais destructifs Etude microscopique Essai de compression Essai de traction Module d Young DRX Examens pétrographiques Essais de performance Cycles gél/dégel Attaque sulfatique externe Réaction alcali-granulats Evaluation Environnementale Expansion Essai de lixiviation des bétons B1 et B2 15

16 Cycles gel/dégel : ASTM C666 Caractérisation de l endommagement des bétons B1 et B2 par la méthode acoustique linéaire Evaluation d UPV ASTM C Evaluation du module dynamique ASTM C B1 après 58 (a) et 85 (b) cycles gel-dégel 16 B2 après 58 (a) et 85 (b) cycles gel-dégel

17 Attaque sulfatique externe Eprouvettes issues du carottage Indicateurs de durabilité Essais non destructifs Essais destructifs Etude microscopique Essai de compression Essai de traction Module d Young DRX Examens pétrographiques Essais de performance Cycles gél/dégel Attaque sulfatique externe Réaction alcali-granulats Evaluation Environnementale 17 Expansion Essai de lixiviation des bétons B1 et B2

18 Protocole immersion totale Evolution de la masse Module d élasticité dynamique Etude microstructurale de la porosité 18

19 Protocole Immersion/Séchage à 105 C Evolution de la masse Module d élasticité dynamique Etude microstructurale de la porosité Dégradation du béton B1 après 4 mois de cycles I/S à 105 C Dégradation complète du béton à 20 % après 3 mois de cycles I/S à 105 C 19

20 Protocole Immersion / Séchage à 60 C Evolution de la masse Module d élasticité dynamique Etude microstructurale de la porosité Fissuration du béton B1 après 6 mois de cycles I/S à 60 C Fissuration du béton B2 après 5 mois de cycles I/S à 60 C 20

21 Réaction alcali-granulats Eprouvettes issues du carottage Indicateurs de durabilité Essais non destructifs Essais destructifs Etude microscopique Essai de compression Essai de traction Module d Young DRX Examens pétrographiques Essais de performance Cycles gél/dégel Attaque sulfatique externe Réaction alcali-granulats Evaluation Environnementale 21 Expansion Essai de lixiviation des bétons B1 et B2

22 Effet de la réaction alcali-granulat RAG sur B1 et B2 Essai d allongement Variation de la masse 22

23 Evaluation environnementale des bétons B1 et B2 Eprouvettes issues du carottage Indicateurs de durabilité Essais non destructifs Essais destructifs Etude microscopique Essai de compression Essai de traction Module d Young DRX Examens pétrographiques Essais de performance Cycles gél/dégel Attaque sulfatique externe Réaction alcali-granulats Evaluation Environnementale 23 Expansion Essai de lixiviation des bétons B1 et B2

24 Comparaison des concentrations totales des EMT des sédiments marins et des bétons B1 et B2 avec les seuils N1 et N2 du GEODE Comparaison des résultats de lixiviation du SB et des bétons B1 et B2 avec la législation sur le stockage des déchets 24

25 Conclusions Etude de durabilité du béton à base de sédiments Les indicateurs de durabilité (essais non destructifs et destructifs) montrent une bonne qualité du béton à base de 12,5% de sédiments ainsi que de bonnes propriétés mécaniques; Qualité et performance du béton à base de 20% du sédiment sont discutables; La comparaison entre les modules des élasticités statiques et dynamiques montre que ces derniers sont nettement supérieurs aux modules statiques. Cette différence peut être expliquée par le fait que les deux modules réagissent d une façon différente aux mécanismes à l intérieur du béton, notamment aux taux d incorporation, la fissuration, l humidité et la viscosité. Le béton B1 résiste mieux aux cycles gel/dégel, à l attaque sulfatique externe et à la RAG Chute des performances mécaniques et dégradation plus rapide du béton B2 suite aux agressions chimiques et physiques. L étude environnementale a montré que les blocs béton à base de sédiments sont considérés comme inertes; Possibilité de la valorisation des sédiments en fabrication de blocs de béton avec un taux bien défini. 25

26 26

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