ETUDE DU COMPORTEMENT DES BETONS AUTOPLAÇANTS A BASE DE SEDIMENTS DE DRAGAGE VIS-A-VIS DES ATTAQUES SULFATIQUE, ACIDE ET DE LA CARBONATATION

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1 UNIVERSITÉ ABDELHAMID IBN BADIS DE MOSTAGANEM UNIVERSITÉ CERGY PONTOISE LABORATOIRE CONSTRUCTION TRANSPORT ET PROTECTION DE L ENVIRONNEMENT (LCTPE) LABORATOIRE MÉCANIQUE ET MATÉRIAUX DE GÉNIE CIVIL (L2MGC) LOGO ETUDE DU COMPORTEMENT DES BETONS AUTOPLAÇANTS A BASE DE SEDIMENTS DE DRAGAGE VIS-A-VIS DES ATTAQUES SULFATIQUE, ACIDE ET DE LA CARBONATATION Nadia BELAS, Salima AGGOUN, Omar BELARIBI LES ENJEUX DES SÉDIMENTS ET LEUR VALORISATION DANS LES MATÉRIAUX DE CONSTRUCTION Université Cergy Pontoise 17 septembre 2015

2 INTRODUCTION PHÉNOMÈNE DE L ENVASEMENT INTÉRÊT DE LA VALORISATION OBJECTIFS DE LA RECHERCHE Plan de l exposé IDENTIFICATION DES BARRAGES MATÉRIAUX UTILISES FORMULATIONS ADOPTÉES LES ESSAIS EFFECTUÉS RESULTATS ET ANALYSES CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

3 INTRODUCTION Le problème de l élimination des sédiments de dragage a été le précurseur de la politique de valorisation qui contribue certainement à l amortissement des coûts liés au dévasement et à préserver l environnement Par ailleurs la technologie des bétons autoplaçants est capable de consommer d énormes quantités de vase, qui à son tour pourrait apporter et/ou améliorer des caractéristiques et performances de ce type de bétons. C est pourquoi cette recherche a été engagée et qui consiste à étudier la durabilité d un béton autoplaçant à base de vase comparée à celle d un béton autoplaçant à base de pouzzolane naturelle, envers les attaques acides, sulfatiques et la carbonatation.

4 PHÉNOMÈNE DE L ENVASEMENT Les aménagements hydrauliques en Algérie sont fragiles et soumis à des envasements importants qui, dans des délais très courts peuvent les rendre inutilisables. L envasement des barrages constitue une arme à double tranchant puisqu il est responsable de la diminution du niveau d eau potable et d irrigation d une part et il est la cause de la détérioration de l environnement d autre part. Des travaux de dévasement gigantesques ont été entretenus dans plusieurs barrages algériens mais se sont avérés destructeurs de l environnement puisque des quantités considérables de vase sont déversées dans la nature causant un préjudice écologique incontournable.

5 L industrie cimentaire a une importance primordiale pour l Algérie. Comme la production du ciment est une grande consommatrice d énergie, elle pose des problèmes écologiques (dégagement des gaz à effets de serre). L utilisation des ajouts minéraux est une solution pour augmenter la production, réduire le prix de ciment et régler les problèmes d environnement. Parmi ces ajouts on trouve les pouzzolanes naturelles de Béni Saf et les pouzzolanes artificielles telles que les vases issues des dragages qui doivent subir une calcination avant leur utilisation pour les rendre actives.

6 En 2012 plus de 970 hm 3 de vase s est déposée au fond des retenues avec un taux de comblement de 12% de la capacité totale initiale de 7785 hm 3. Capacité de stockage : hm 3 12% Comblement : 970,31 hm 3 88% Ces barrages se transforment beaucoup plus en réceptacles de vase que d eau.

7 Envasement annuel (hm 3 /an) 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 4,7 4,5 4,1 4 3,2 2,66 1,5 1,4 1,2 1,15 0,36 17,33 % 14,37% 82,66 % 85,62% Barrage de Chorfa Barrage de Fergoug Taux de comblement Capacité actuelle (2012)

8 La valorisation dans le génie civil Le large éventail de technique et de qualité acceptables pour les matières premières dans le secteur du génie civil et des travaux publics permet aux sédiments de dragage de trouver plus facilement un réemploi. En construction routière. Dans la fabrication des granulats légers. Comme matériau de recouvrement et de remblai. Dans la confection des briques. Dans les matériaux cimentaires : mortier, béton vibré, BAP

9 INTÉRÊTS DE LA VALORISATION

10 OBJECTIFS DE LA RECHERCHE

11 IDENTIFICATION DES BARRAGES Barrage Fergoug Barrage Chorfa

12 Barrage de Fergoug Barrage de Chorfa

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14 TAMISAT ( % ) MATÉRIAUX UTILISES CIMENT : CEM I classe : 42,5 (cimenterie ZAHANA) densité : 3,13 g/cm 3 ; surface Blaine : 3219cm 2/ /g GRANULATS : sables et graviers 100 sable de mer sable de carrière gravier 03/08 gravier 08/15 Limon Sable fin Sable grossier Gravier ( calcaire ) : 3/8 et 8/15 mm ( carrière de Kristel ) Sable de carrière (calcaire ) : 0/3 (carrière de Kristel ) Sable de mer (siliceux) : 0/2 mm (carrière de S/Lakhdar) ADJUVANT : VISCOCRETE TEMPO 12 (SIKA) : densité 1, ,001 0,01 0, Ø tamis ( en mm) Granulometrie des Granulats

15 Vase Fergoug LES SUBSTITUTS Vase Chorfa Masse volumique apparente (g/cm 3 ) Masse volumique absolue (g/cm 3 ) Surface spécifique Blaine (cm 2 /g) SiO 2 CaO Fe 2 O 3 Al 2 O 3 MgO Na 2 O SO Caractéristiques physiques et chimiques de la vase calcinée de Fergoug et de Chorfa

16 Séchage Préparation de la vase Concassage et broyage Tamisage Calcination Vase àl état naturel Vase avant calcination Vase calcinée

17 La pouzzolane naturelle de Béni-Saf La Pouzzolane naturelle utilisée est d origine volcanique extraite du gisement de Bouhamidi situé au sud de Béni-Saf Masse volumique apparente (g/cm 3 ) Masse volumique absolue (g/cm 3 ) Surface spécifique Blaine (cm 2 /g) SiO 2 CaO Fe 2 O 3 Al 2 O 3 MgO Na 2 O SO % 9.72 % 9.41 % % 4.57 % 0.47 % 0.11 % Pouzzolane à l état naturel Pouzzolane concassée Caractéristiques physiques et chimiques de la pouzzolane naturelle Pouzzolane broyée et tamisée

18 Les produits chimiques utilisés Acide sulfurique (H 2 SO 4 ) Sulfate de Magnésium (MgSO 4 ) Gaz carbonique (CO 2 )

19 FORMULATIONS DES BAP Compositions (Kg/m 3 ) BAP -T BAP -VC BAP -VF BAP -PZ Ciment Vase (Chorfa) Vase (Fergoug) Pouzzolane N Eau Superplastifiant Sable de mer Sable de concassage Gravier 3/ Gravier 8/

20 CARACTÉRISTIQUES DES BAP CONFECTIONNÉS Caractéristiques BAP T BAP VC BAP VF BAP PZ E/C Ajout/Ciment (%) Sp/C (%) Volume de pâte (l/m 3 ) G/S Volume de squelette granulaire (l/m 3 ) Masse volumique théorique (Kg/m 3 ) Masse volumique réelle à l état (Kg/m 3 ) Frais Durci

21 LES ESSAIS EFFECTUÉS Essais Sur BAP Essais à l état frais Essais à l état durci (Rc) L évolution du poids Rc 60, 90, 180, 360 j Durabilité Perte de masse Épaisseur de béton carbonaté

22 ESSAIS DE DURABILITE Maintenir le ph (égal à 7) Après 90 jours de cure sous l eau saturée en chaux. La solution sulfate est corrigée quotidiennement et renouvelée chaque mois L eau distillée 5% MgSO 4 Variation du poids Variation du poids. L évolution de la Rc.

23 Pesée des échantillons (M 1 ) Après 90 jours de cure sous l eau. (H 2 SO 4 ) 5% Eau distillée Nettoyage et séchage pendant ½ heure. Échéances : tous les 7 jours. La solution acide est renouvelée chaque semaine. Perte de masse (%) = [(M 1 -M 2 /M 1 )] x 100 Pesée des échantillons (M 2 )

24 CO 2 : 20%, HR : 85% 3, 7, 14, 28, 56 jours Phénolphtaléine Front de carbonatation Zone de mesure Les mesures de l épaisseur de béton carbonaté sont réalisées après humidification des surfaces et pulvérisation d une solution de phénolphtaléïne

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26 t 50 (s) BAP PZ Valeurs d étalements des BAP 68 cm BAP VF BAP VC 68 cm 70 cm (60 Ø 75 ) BAP T 70 cm Etalement (cm) Valeurs de t 50 des BAP (3s t 50 5s) 3,56 s 3,83 s 3,69 s 3, BAP T BAP VC BAP VF BAP PZ Mesure des diamètres d étalement : (Ø) = (D 1 + D 2 ) / 2

27 H 2 /H 1 (%) Les taux de remplissage des BAP (Boite en L) H2 / H1 > 80% % 90% 83% 85% BAP T BAP VC BAP VF BAP PZ

28 2h r - h m (mm) Essai J-Ring hm= Σ (h1- hai) /4 hr = Σ ( hai- hri ) / 4 2hr - hm < 15 mm 20 17, ,5 10 7,5 9,2 mm 9,1 mm 8,7 mm 8,8mm 5 2,5 0 BAP T BAP VC BAP VF BAP PZ

29 Stabilité au tamis Π (%) Essai de stabilité au tamis 20 (0 Π 15 %) ,91 % 4,52 % 5,11 % 5,87% 0 BAP T BAP VC BAP VF BAP PZ

30 Essai de ressuage (0 R 3 ) 3 2,5 Ressuage ( ) 2 1,5 1 1,21 1,1 1 1,09 Apres 3 heures 0,5 0 BAP T BAP VC BAP VF BAP PZ

31 Résistance en compression (MPa) Temps (j) BAP T BAP Pz BAP Vc BAP Vf Le BAP à base de la vase calcinée de Chorfa (BAP VC) présente des résistances mécaniques à la compression plus élevées (48.5 MPa à 28 jours) par rapport aux BAP à base de la pouzzolane naturelle de Béni-Saf (BAP PZ) et le BAP témoin (BAP T). Il développe des résistances à la compression intéressantes à 90 et 150 jours.

32 Actions des sulfates Mécanisme d attaque par les sulfates des matériaux cimentaires SO 4 2- Matériau cimentaire Gypse Ettringite SO 4 2- SO 4 2- Le phénomène d expansion cause l apparition des fissures dans ce matériau et la perte de ces qualités mécaniques. Ceci conduit à la ruine de l ouvrage.

33 Gain de masse (%) 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0-0,1 BAP VC BAP VF BAP Pz BAP T variation de la masse des échantillons immergés dans la solution de 5% MgSO 4-0,2 Temps (jours) Augmentation de la masse dès le premier jour et jusqu'à 200 jours avec un gain de masse de 0.37% pour le BAP.VC.justifié par la formation des produits volumineux. L attaque du BAP par les sulfates de magnésium engendre une réaction chimique qui se produit en présence d eau entre les ions de sulfate et l aluminate de calcium hydraté C 3 A et les éléments constitutifs de l hydrate de calcium de la pâte de ciment durci. Le BAP.VC présente un gain de masse supérieur à ceux des BAP.VF, BAP.PZ et BAP.T. Le BAP.T est plus sensible à la dégradation par l attaque du sulfate de magnésium à long terme.

34 Résistance à la compression (Mpa) 65 BAP T BAP Pz BAP Vc BAP Vf 60 Evolution de la résistance à la compression des bétons immergés dans la solution de 5% MgSO Durée d'immertion (jours) La résistance à la compression du BAP.T a chuté dès le 60 ème jour de conservation (de l ordre de 9,6 MPa). En revanche les autres bétons ne sont affectés qu à partir du 180 ème jour d immersion. Le BAP VC, BAP VF et le BAP PZ développent des résistances maximales à 180 jours d âge d immersion pour diminuer à 360 jours. étude des propriétés du béton ordinaire

35 Examen visuel Echantillons de différents bétons, après 360 jours d immersion dans la solution de 5% de MgSO 4 La photo ne révèle pas de signe significatif de dégradation des différents échantillons. L examen visuel du BAP.T, montre des fissures autour des coins et des bords des éprouvettes et la formation d une couche blanchâtre sur la surface extérieure des échantillons et qui caractérise le déclenchement de la formation du gypse, ce qui explique la diminution rapide de la masse de ce béton après 360 jours d âge d immersion dans la solution sulfatique.

36 Actions des acides Mécanismes d altérations des acides Soit par dissolution de la portlandite augmentation de la porosité accélération du processus de dégradation ; Soit par la formation de composés expansifs ; Soit par la combinaison des 2 mécanismes. NB: La portlandite (Ca(OH) 2 ) est l hydrate le plus sensible aux attaques chimiques.

37 Perte de masse (%) Temps (jours) BAP VF BAP VC BAP Pz BAP T Perte de masse des bétons âgés de 90j et immergés dans la solution H 2 S0 4 le BAP T subi une légère dégradation par rapport aux autres bétons, il perd 62% de son poids après 70 jours d immersion. Le BAP PZ, BAP VF et Le BAP VC ont subi perte de masse légèrement inférieure à la même échéance. Dans les ciments avec ajouts, la quantité de CH étant moins importante que dans le ciment sans ajout, cela est dû à la réaction pouzzolanique qui fixe la chaux. les pores capillaires sont réduits par formation des gels CSH, bloquant ainsi l absorption de la solution acide, d où une réduction de la perte de masse.

38 Examen visuel État des échantillons de tous les bétons d étude, après 6 semaines d immersion dans la solution du 5% H 2 SO 4 Dégradation des échantillons de tous les bétons d essai, surtout pour le BAP T. Ces bétons ont subi une variation dimensionnelle considérable (Le BAPT a perdu plus de 1 cm de chaque côté).

39 BAP-VF BAP-VC BAP-PZ BAP-T Fronts de carbonatation visualisés par pulvérisation à la phénolphtaléine à 56 jours.

40 Profondeur de carbonatation (mm) 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 BAP-PZ BAP-VC BAP-VF BAP-T Evolution de la profondeur de carbonatation accélérée des bétons Temps (jours) Les valeurs des profondeurs carbonatées pour les BAP sont comprises entre 1,9 et 2,9 mm à 28 jours ce qui est signe de bonne résistivité de ces BAP vis-à-vis de la carbonatation. La profondeur de carbonatation du BAP-T est sensiblement supérieure à celle du BAP-VC, BAP-VF et du BAP-PZ (différence de 0.3, 0.4 et 0.6 mm à 56 jours). Les courbes montre plus nettement l effet positif de la vase calcinée et de la pouzzolane naturelle sur la résistivité des BAP envers la carbonatation accélérée

41 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES Les principales conclusions auxquelles nous sommes parvenues sont : A l état frais toutes nos formulations de BAP ont été qualifiées d autoplaçantes selon les spécificités de l AFGC. Le BAP à base de vase de Chorfa développe des résistances à la compression légèrement supérieures à celles du BAP à base de vase de Fergoug notamment à long terme. Le BAP.T est plus sensible à la dégradation par l attaque du sulfate de magnésium à long terme. L incorporation de la vase calcinée dans les BAP améliore la résistivité de ces bétons vis-à-vis de l attaque de l acide sulfurique (H 2 SO 4 ). Le BAP VC et le BAP VF présente des performances très comparables à celles du BAP PZ et bien meilleures que celles du BAP T.

42 L incorporation de ce matériau naturel dans les BAP conduit en général à des performances très comparables, voire meilleures (comme pour les acides et les sulfates) à celles des bétons incorporant la pouzzolane naturelle. L effet positif de la vase calcinée et de la pouzzolane naturelle sur la résistivité des BAP envers la carbonatation accélérée Des essais complémentaires (microscope électronique à balayage et diffraction aux rayons X) permettant le suivi permanent de la composition minéralogique avant et après la conservation dans les milieux agressifs ont été effectués en collaboration au L2MGC et sont en cours d analyse Nous pouvons conclure que la vase provenant de Chorfa ou Fergoug peut être utilisée avec succès, comme addition minérale dans les formulations des BAP. La possibilité de valoriser la vase dans le but d en fabriquer un substitut partiel aux liants hydrauliques d usage courant semble réalisable.

43 L étude des facteurs de durabilité par des essais de perméabilité, de porosité accessible à l eau et de porosité au mercure sont à envisager. Entreprendre une étude technico-économique et des travaux de recherche qui permettront d exploiter à l échelle du chantier la vase du barrage de Chorfa et de Fergoug.

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