VALORISATION DES SÉDIMENTS MARINS DRAGUÉS EN SUBSTITUTION PARTIELLE DU CIMENT DANS LA FABRICATION DE MORTIERS ET DE BÉTONS

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1 Conférence Internationale Francophone NoMaD 2015 Mines Douai Douai, France 5-6 Novembre 2015 VALORISATION DES SÉDIMENTS MARINS DRAGUÉS EN SUBSTITUTION PARTIELLE DU CIMENT DANS LA FABRICATION DE MORTIERS ET DE BÉTONS ZHAO Zengfeng A,B*, BENZERZOUR Mahfoud A, ABRIAK Nor Edine A, DAMIDOT Denis A A Département Génie Civil et Environnemental, Mines Douai, LGCgE, Douai, France B Université de Liège, Département ArGEnCo, GeMMe Matériaux de construction, Liège, 4000, Belgique RESUMÉ: La valorisation des sédiments de dragage est devenue un enjeu économique et environnemental majeur dans le monde. Dans cette étude, les sédiments marins dragués, séchés puis broyés, ont été utilisés en substitution partielle au ciment dans la fabrication de mortiers et de bétons. La caractérisation physico-chimique des sédiments a initialement montré que ces derniers ont une surface spécifique plus élevée que le ciment et une plus faible densité. Ainsi il a été choisi de maintenir le volume de pâte de ciment constant pour les mortiers et bétons; un volume donné de ciment a été remplacée par le même volume de sédiments pour trois taux de substitution (10%, 20%, 30%) d un ciment Portland CEM I 52,5 lors de la confection des mortiers. Deux mortiers de référence sans sédiments ont été réalisés avec deux types de ciment Portland (CEM I 52,5 et CEM II/A-LL 32,5). Les résultats montrent que les résistances à la flexion et à la compression des mortiers diminuent quand le taux de remplacement du ciment augmente. Néanmoins les propriétés mécaniques du mortier avec 20% de remplacement du ciment par des sédiments sont meilleures que celles du mortier de référence réalisé à partir du ciment CEM II/A-LL 32,5 contenant une proportion voisine de calcaire. Les propriétés à l état frais et à l état durci de bétons contenant des sédiments en remplacement du ciment sont également étudiées. On a ainsi démontré qu il est possible de réaliser un béton de type C30 contenant moins de 20% de ciment substitué par des sédiments non pollués et séchés sans avoir recours à des adjuvants. MOTS CLES : sédiments marins, taux de substitution, ciment, mortier, béton, propriétés mécaniques. 1

2 1. INTRODUCTION Chaque année une très grande quantité de sédiments sont dragué en rasions de navigation. En France, environ 50 millions de m 3 des sédiments sont produites des portes (Wang, 2011). En Chine, environ 400 millions de m 3 de sédiments sont dragués par an. Donc, la valorisation des sédiments de dragage est devenue un enjeu économique et environnemental majeur dans le monde (Agostini et al., 2007). Jusqu'à présent, il y a beaucoup de recherches sur la valorisation des sédiments dans le domaine de techniques routiers (Kamali et al., 2008; Zentar et al., 2008; Zentar et al., 2012). Le béton est le deuxième matériau utilisé dans le monde après l eau. Du point de vue économique et environnementale, c est vraiment intéressant d utiliser le sédiment broyés dans la fabrication de mortiers et de bétons (Meyer, 2009). Dans cette étude, les sédiments marins dragués, séchés puis broyés, ont été utilisés en substitution partielle au ciment dans la fabrication de mortiers et de bétons. La caractérisation physico-chimique des sédiments a initialement montré que ces derniers ont une surface spécifique plus élevée que le ciment et une plus faible densité. Ainsi il a été choisi de maintenir le volume de pâte de ciment constant pour les mortiers et bétons; un volume donné de ciment a été remplacée par le même volume de sédiments pour trois taux de substitution (10%, 20%, 30%) d un ciment Portland CEM I 52,5 lors de la confection des mortiers. Les résultats montrent que les résistances à la flexion et à la compression des mortiers diminuent quand le taux de remplacement du ciment augmente. Néanmoins les propriétés mécaniques du mortier avec 20% de remplacement du ciment par des sédiments sont meilleures qu à celles du mortier de référence réalisé à partir du ciment CEM II/A-LL 32,5. Les propriétés à l état frais et à l état durci de bétons contenant des sédiments en remplacement du ciment (10%, 20%) sont également étudiées. On a ainsi démontré qu il est possible de réaliser un béton de type C30 contenant 20% de ciment substitué des sédiments. 2. MATERIAUX 2.1 Sédiment et ciments Le sédiment utilisé a été dragué du port de Dunkerque en France. Il a été séché à 40 C jusqu à la masse constante, puis broyé dans un broyeur laboratoire. Dans cette étude, la fraction 0/80µm a été utilisée pour la fabrication de mortiers et de béton remplaçant une partie de ciment. Toutes les propriétés de sédiment sont basées sur cette fraction. La teneur en matière organique est mesurée à 13,8% selon la norme XP P (1999) par calcination dans un four à 450 C pendant 3h. La masse volumique absolue a été mesurée 2,48 g/cm 3 au pycnomètre à hélium, qui est inférieur que les ciments normales. Le ciment portland CEM I 52,5 et CEM II/A-LL 32,5 ont été utilisé pour la fabrication des mortiers. La masse volumique absolue mesurée par pycnomètre à hélium pour ces deux types de ciments est de 3,12 et 2,99 g/cm 3. Le Tableau 1 présente les compositions minéralogiques de ces deux ciments déterminées avec la méthode de Rietveld. Le Tableau 2 présente les éléments chimiques du sédiment déterminés par fluorescence des rayons X. Ils montrent que les éléments principaux du sédiment est l oxygène, le silicium, le calcium, le aluminium et le fer qui sont similaire que les éléments dans le ciment. Tableau 1. Composition minéralogique des deux ciments utilisés C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF Anhydrite Gypse Quartz Calcite CEM I 52,5 68,11 22,62 0,68 7,81 0,05 0,53 0,2 0 CEM II/A-LL 32,5 52,93 13,91 3,48 7,42 0,74 2,63 2,31 17,31 2

3 Tableau 2. Les éléments chimiques du sédiment déterminés par fluorescence X Symbole de l élément Nom de l élément Concentration (%) C Carbone Présent O Oxygène 50,2 Na Sodium 1,8 Mg Magnésium 1,1 Al Aluminium 4,6 Si Silicium 16,5 P Phosphore 0,1 S Soufre 1,5 Cl Chlore 2,1 K Potassium 1,5 Ca Calcium 16,2 Ti Titane 0,3 V Vanadium Traces<0,1 Cr Chrome Traces<0,1 Mn Manganèse Traces<0,1 Fe Fer 3,7 Cu Cuivre Traces<0,1 Zn Zinc Traces<0,1 Sr Strontium Traces<0,1 Zr Zirconium Traces<0,1 Pb Plomb 0,1 La Figure 1 présente la répartition de la taille des particules des ciments et de sédiment. Il confirme que le sédiment contienne une forte proportion de particules de taille de 1µm à 10µm que ces deux ciments. Le Tableau 3 présente les surfaces spécifiques déterminées par Blaine (selon la norme EN 196-6) et par la méthode BET à N 2. Ils montrent que la surface spécifique de sédiment est 3 fois plus grande que celle des ciments selon la méthode de Blaine, et 10 fois plus grande que les ciments selon la méthode de BET. Tableau 3. Surface spécifique des ciments et de sédiment CEM I 52,5 CEM II/A-LL 32,5 Sédiment Surface spécifique Blaine (m 2 /g) 0,3280 0,2899 0,8245 Surface spécifique BET (m 2 /g) 0,8 1,1 9,1 3

4 Volume (%) 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 CEM I 52,5 CEM II/A-LL 32,5 Sédiment 0/80µm 0,5 2.2 Granulats 0 0, Figure 1. Répartitions granulométriques des ciments et de sédiment Des granulats naturels concassés avec les fractions 0/5mm, 5/20mm (granulats calcaire du Tournaisis fourni par la société Holcim) ont été utilisés pour la fabrication des mortiers et de bétons. Le sable calcaire a une densité de 2,66g/cm 3, une absorption d eau de 1,05% selon la norme EN Le gravillon calcaire a une densité de 2,66g/cm 3, une absorption d eau de 0,8% selon la norme EN MORTIERS 3.1 Protocole expérimental Quatre mortiers normalisés ont été fabriqués avec le ciment CEM I 52,5 et un mortier avec le ciment CEM II/A-LL 32,5 (noté MC0-32,5) afin d'étudier la possibilité de valorisation des sédiments dragués non pollués en substitution d une partie de ciment dans le mortier. Quatre mortiers ont été fabriqués à partir du ciment CEM I 52,5.Ces derniers ont été notés MC0-52,5, MC10-52,5, MC20-52,5, MC30-52,5 ce qui correspond à un remplacement d un volume de 0%,10%, 20% et 30% de ciment par le même volume de sédiment respectivement. Ces mortiers ont été réalisés avec le sable calcaire du Tournais. Le Tableau 4 présenté la composition des mortiers étudiés. Tableau 4. Compositions des mortiers fabriqués Diamètre des particules (µm) MC0-52,5 MC10-52,5 MC20-52,5 MC30-52,5 MC0-32,5 Sable (g) Ciment (g) Sédiment (g) 0 35,77 71,54 107,31 0 Eau efficace(g) Eau absorbée(g) 14,18 14,18 14,18 14,18 14,18 E eff /(C+S) 0,5 0,51 0,52 0,53 0,5 4

5 Affaissement (mm) Après le malaxage, l affaissement de mortier a été mesuré avec le mini MBE (Mortiers de Béton Équivalent) et au cône (Zhao et al., 2015). Ces mortiers ont également été conservées en immersion jusqu au temps d essai selon la norme EN Les résistances à la flexion et à la compression du mortier durci ont été déterminées selon la norme EN sur des échantillons (40 mm x 40 mm x 160 mm). Ces deux tests mécaniques ont été effectués avec un INSTRON 5500R (capacité de chargement de 1500 KN) après 7 et 28 jours de cure en immersion. 3.2 Propriétés de mortier à l état frais et à l état durci La Figure 2 présente l affaissement de mortier en fonction des types de mortiers. Comme on peut le voir, l affaissement diminue quand le pourcentage de remplacement du ciment augmente, ce qui est induit par la plus forte de surface spécifique des sédiments. Ainsi une partie de l eau de gâchage est absorbée par le sédiment et réduisant ainsi l eau libre entre les particules de solides ce qui réduit l ouvrabilité. Pour les deux mortiers références avec CEM I 52,5 et CEM II/A-LL 32,5, un affaissement voisin a été observé. La Figure 3 présente la densité de mortier en fonction des types de mortiers. Comme on peut le voir, la densité du mortier à l état frais diminue quand le pourcentage de remplacement du ciment augmente, ce qui est dû à la plus faible densité de sédiment conduisant à une plus faible densité de la pâte dans le mortier. La Figure 4 présente les résistances mécaniques de mortier en fonction des types de mortiers. Les résistances à la flexion et à la compression des mortiers diminuent quand le pourcentage de remplacement du ciment augmente. Ceci est la conséquence normale du remplacement du ciment par des constituants peu ou pas réactifs chimiquement. Néanmoins, la résistance mécanique du mortier avec 30% de remplacement du ciment par le sédiment est similaire à celle du mortier avec le ciment de CEM II/A LL 32,5 qui contenant environ 20% de calcaire qui est connu pour avoir un effet physico-chimique bénéfique sur l hydratation du ciment. Les sédiments ont donc un effet bénéfique sur l hydratation du ciment. Ceci peut également être prouvé en calculant le pourcentage de résistance mécanique du mortier avec sédiment par rapport au mortier de référence en faisant l hypothèse d un sédiment inerte et donc que la résistance mécanique diminue linéairement avec le taux de substituions en sédiment. Ainsi en faisant le ratio de la résistance mécanique trouvée expérimentalement sur la résistance mécanique calculée pour un sédiment inerte, il est possible d évaluer la réactivité du sédiment. Comme on peut le voir dans la Figure 5, les pourcentages de résistances à la flexion et à la compression des mortiers sont toujours supérieurs aux valeurs théoriques mais un taux de substitution élevé conduit à minimiser l impact bénéfique du sédiment comme c est aussi le cas pour le calcaire MC0-52,5 MC10-52,5 MC20-52,5 MC30-52,5 MC0-32,5 Figure 2. L affaissement de mortiers en fonction des types de mortiers 5

6 Pourcentage de résistance (%) Résistance mécanique (MPa) Densité (g/cm 3 ) 2,38 2,37 2,36 2,35 2,34 2,33 2,32 2,31 2,3 MC0-52,5 MC10-52,5 MC20-52,5 MC30-52,5 MC0-32,5 Figure 3. Densité de mortier à l état frais en fonction des types de mortiers Rc 7j (MPa) Rc 28j (MPa) Rf 7j (MPa) Rf 28j (MPa) 10 0 MC0-52,5 MC10-52,5 MC20-52,5 MC30-52,5 MC0-32,5 Figure 4. Résistance à la flexion et à la compression des mortiers 120,0 110,0 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 Rc 7j Rc 28j Rf 7j Rf 28j Taux de remplacement du ciment par le sédiment (%) Figure 5. Pourcentage de résistance correspondant au ratio de la résistance mécanique trouvée sur la résistance mécanique calculée en considérant un sédiment inerte pour la famille des mortiers réalisés à partir du CEM I 52,5 6

7 Pourcentage de distribution (%) Porosité (%) 3.3 Propriétés de microstructure de mortier par porosité au mercure La Figure 6 présente la porosité totale mesurée par intrusion au mercure des différents types de mortiers. Comme on peut le voir sur la figure, la porosité du mortier augmente quand le taux de substitution augmente pour la famille de CEM I 52,5. La porosité du mortier avec 20% de remplacement du ciment par de sédiment est néanmoins plus faible que celle du mortier avec le ciment de CEM II/A-LL 32,5, qui est cohérent avec les résultats du test de résistance à la compression et à l effet plus marqué du sédiment que du calcaire sur l hydratation du ciment. La Figure 7 présente la distribution de taille des pores des mortiers également mesurée par un essai d intrusion au mercure. Pour la famille de CEM I 52,5, quand le taux de substitution augmente, le volume des pores compris entre 0,006 au 0,05 micron augmente alors que le volume des pores compris entre 0,06 à 0,1 micron diminue. Ainsi les sédiments permettent d avoir une distribution plus fine de la porosité, comme déjà observé au niveau de la microstructure de bétons autoplaçants contenant des sédiments traités (Roziere et al., 2015). Cette plus fine distribution porale est bénéfique pour les résistances mécaniques mais aussi pour la durabilité Porosité 7j Porosité 28j MC MC MC MC MC Figure 6. Porosité au mercure de mortier MC MC MC MC MC ,001 0,01 0, Taille de pore (µm) Figure 7. Distribution de la taille des pores de mortier en fonction de types de mortiers 7

8 4. BETONS 4.1 Protocole expérimental Les résultats précédents obtenus sur mortiers indiquent que les sédiments de dragage marin non contaminés et séchés, peuvent être valorisés dans la fabrication de mortier. Ainsi l étape suivante a consister à étudier l effet des sédiments incorporés dans un béton classique (C30) mis en œuvre au laboratoire. Trois bétons avec le ciment CEM I 52,5 ont été fabriqués afin d'étudier la possibilité de valorisation des sédiments dragués en tant qu une partie du ciment utilisé pour faire le béton. Trois bétons ont été réalisés : B0, B10, B20 pour lesquels un volume donné de ciment a été remplacé par le même volume de sédiment 0%, 10%, et 20% respectivement. Ces bétons ont été réalisés avec un sable calcaire et un gravillon calcaire. Le Tableau 5 présente la composition des bétons étudiés. L absorption d eau des granulats calcaires a été prise en compte dans les formulations. Tableau 5. Compositions des bétons fabriqués (1m 3 ) B0 B10 B20 Gravillons (kg) 1061, , ,45 Sable (kg) 768,63 768,63 768,63 Ciment (kg) ,5 268 Sédiment (kg) 0 26,63 53,26 Eau efficace (kg) 208,37 204,1 199,82 Eau absorbée (kg) 16,56 16,56 16,56 E eff /(C+S) 0,62 0,62 0,62 Ces bétons ont conservées sous immersion jusqu au temps d essai. Après le malaxage, l affaissement de béton a été mesuré avec le cône d'abrams selon la norme EN La masse volumique de béton frais a été mesurée selon la norme EN La résistance à la compression et la résistance en traction par fendage du béton durci ont été déterminées selon la norme EN et EN respectivement sur des échantillons cylindres (Ø 110 mm x H 220 mm). Ces deux tests mécaniques ont été effectués après 28 jours de cure en immersion. 4.2 Propriétés de béton frais L affaissement de béton correspond aux valeurs de 12,5cm, 9,5cm, et 4cm respectivement pour B0, B10 et B20. L affaissement diminue quand le taux de substituions du sédiment augmente de façon analogue à ce qui avait été observé pour le mortier. La densité de béton a été mesurée à 2,585 g/cm 3, 2,562 g/cm 3, 2,548 g/cm 3 respectivement pour B0, B10 et B20. La densité du béton à l état frais diminue légèrement quand le pourcentage de remplacement du ciment augmente. 4.3 Propriétés de béton durci Le Tableau 6 présente les propriétés de béton durci après 28 jours. Les résistances en traction par fendage et à la compression de béton diminuent lorsque le pourcentage de remplacement du ciment augmente. La résistance à la compression du béton est 93,66% quand le taux de substitution est 10%, ce qui est supérieur aux 90% pour escomptés pour un filler inerte. Par contre, quand le taux de substitution augmente à 20%, la résistance à la compression est 73,29% comparativement au béton de référence ce qui est inférieur aux 80% envisagés. 8

9 Tableau 6. Les propriétés de béton durci après 28 jours avec variation comparant béton de référence B0 B10 B20 Densité saturé de béton (g/cm 3 ) 2,585 2,565 2,549 R c 28j (MPa) 40,99 38,39 30,04 R c 28j (%) ,66 73,29 R t 28j (MPa) 4,59 3,88 3,59 R t 28j (%) ,53 78,21 5. CONCLUSION Dans cette étude, les sédiments marins dragués non pollués, séchés puis broyés, ont été utilisés en substitution partielle au ciment dans la fabrication de mortiers et de bétons. La caractérisation physique des sédiments a initialement montré que ces derniers ont une surface spécifique plus élevée que le ciment et une plus faible densité. Ainsi il a été choisi de maintenir le volume de pâte de ciment constant pour les mortiers et bétons; un volume donné de ciment a été remplacé par le même volume de sédiments pour trois taux de substitution (10%, 20%, 30%) d un ciment Portland CEM I 52,5 lors de la confection des mortiers. Deux mortiers de référence sans sédiments ont été réalisés avec deux types de ciment Portland (CEM I 52,5 et CEM II/A-LL 32,5). Les résultats montrent que les résistances à la flexion et à la compression des mortiers diminuent quand le taux de remplacement du ciment augmente. Néanmoins les propriétés mécaniques du mortier avec 20% de remplacement du ciment par des sédiments sont meilleures que celles d un mortier de référence réalisé à partir du ciment CEM II/A-LL 32,5 contenant approximativement la même quantité de calcaire. Ainsi les sédiments ont un effet bénéfique sur l hydratation du ciment. Les propriétés à l état frais et à l état durci de bétons contenant des sédiments en remplacement du ciment sont également étudiées. On a ainsi démontré qu il est possible de réaliser un béton de type C30 contenant moins de 20% de ciment substitué par les sédiments. La présence de chlorure due à NaCl contenu dans l eau de mer est certainement bénéfique vis-à-vis de l hydratation du ciment et les quantités apportées par de faibles taux de substituions ne sont pas rédhibitoires pour utiliser les sédiments marins en substitution du ciment même pour un béton armé de type C30. REMERCIEMENTS Les auteurs remercient le port Dunkerque pour la fourniture du sédiment et la société Holcim pour la fourniture des granulats naturels. Ils remercient également la société Lafarge pour la fourniture des ciments. Enfin, les auteurs remercient le Projet SETARMS pour son soutien financier. REFERENCES Agostini F., Skoczylas F., Lafhaj Z. (2007), About a possible valorisation in cementitious materials of polluted sediments after treatment. Cement and Concrete composites, 29: Kamali S., Bernard F., Abriak N., Degrugilliers P. (2008), Marine dredged sediments as a new materials resource for road construction. Waste Management, 28: Meyer C. (2009), The green of the concrete industry. Cement and Concrete composites, 31: Rozière E., Samara M., Loukili A., Damidot D. (2015), Valorisation of sediments in self-consolidating concrete: Mix-design and microstructure, Construction and Building Materials, 81:1-10 Wang D. (2011), Solidification et valorisation de sédiments du port de Dunkerque en travaux routiers, thèse de doctorat, Université de Lille 1,

10 Zentar R., Dubois V., Abriak N. (2008), Mechanical behavior and environmental impacts of a test road built with marine dredged sediments. Resources, Conservation and Recycling, 52: Zentar R., Wang D., Abriak N., Benzerzour M., Chen W. (2012), Utilization of siliceous-aluminous fly ash and cement for solidification of marine sediments. Construction and Building Materials, 35: Zhao Z., Remond S., Damidot D., Xu W. (2015), Influence of fine recycled concrete aggregates on the properties of mortars. Construction and Building Materials, 81: