Influence de l utilisation de granulats recyclés sur les propriétés rhéologiques et physiques des bétons

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1 Influence de l utilisation de granulats recyclés sur les propriétés rhéologiques et physiques des bétons Sandrine Braymand IUT Robert Schuman, Université de Strasbourg, 72 route du Rhin BP Illkirch Cedex, s.braymand@unistra.fr RESUME: Les propriétés mécaniques des bétons de granulats recyclés de démolition sont étudiées depuis plusieurs années. Il a été montré dans la littérature que les bétons fabriqués à l aide de granulats recyclés pouvaient posséder des propriétés mécaniques compatibles avec une utilisation en tant que béton de structure si le béton dont les granulats sont issus est de bonne qualité. L étude présentée ici s intéresse en premier lieu à la rhéologie des bétons de granulats recyclés à l état frais, elle est comparée à celle de bétons de granulats naturels et de bétons de granulats mixtes (recyclés et naturels). Dans une deuxième partie, les résistances mécaniques et certaines propriétés physiques, notamment la conductivité thermique, sont analysées pour les trois types de bétons étudiés. Les premiers résultats de indiquent que le béton recyclé semble posséder de meilleures propriétés thermiques (λ) que le béton de granulat naturel ce qui est corrélé à une porosité plus élevée mesurée. MOTS-CLES : bétons de granulats recyclés granulométrie rhéologie - adjuvants conductivité thermique Introduction Les études menées sur les bétons de granulats recyclés s accordent à montrer que les propriétés du béton initial sont déterminantes dans l obtention de bonnes propriétés mécaniques. Les caractéristiques des granulats recyclés issus du concassage de bétons (densité, absorption, densité sèche, résistance à l usure, etc ) sont généralement plus mauvaises que celles des granulats naturels. Ces différences sont majoritairement dues à la présence de mortier et d impuretés résiduelles dans les granulats recyclés. On notera aussi que la résistance à la compression du béton de granulats recyclés n est pas limitée à la résistance du béton concassé dont sont issus les granulats. Cependant, un béton initial de qualité moindre aura tendance à diminuer les caractéristiques du béton de granulats recyclés dans lequel il est utilisé concassé.[1], [2], [3]. Il est noté dans la littérature que le remplacement des fines des granulats recyclés par du sable naturel peut faciliter la mise en œuvre des bétons et contribuer l augmentation des propriétés mécaniques. [4] La taille des granulats, l absorption capillaire et l état de saturation des granulats recyclés semblent être des paramètres influents sur les critères de durabilité des bétons même si les auteurs ne s accordent pas toujours sur le sens de cette corrélation.[5], [6]. L étude présentée ci après s attache dans un premier temps à montrer qu il est possible d obtenir des bétons de granulats recyclés possédant des propriétés mécaniques proches de celles de bétons de granulats naturels. Les problèmes de mise en œuvre rencontrés lors de la fabrication des bétons de granulats recyclés seront identifiés et approfondis par une étude sur le choix d adjuvants spécifiques en liaison avec le squelette granulaire des granulats recyclés. Dans un deuxième temps, l étude montrera également que les propriétés physiques (notamment thermiques) des bétons de granulats recyclés peuvent être plus performantes que celles des granulats naturels. Les porosités sont comparées et mises en relation aves la capillarité des bétons étudiés.

2 1. Mise en œuvre des bétons de granulats recyclés 1.1. Caractéristiques des granulats recyclés de l étude Les granulats de l étude proviennent de matériaux de démolition (béton) concassés. La dénomination commerciale de ce matériau est RTB 0/20 (Recyclé Tout Béton). Le matériau a été fractionné par tamisage en 3 classes différentes 0 / 6,5 ; 6,5 / 13 ; 13 / 20. Dans un premier temps, des essais ont été menés afin de caractériser la propreté et la granulométrie des matériaux de démolition Granulométrie des matériaux de démolition Sable de sablière - Sable RTB 0/6,3 La proportion d éléments fins du sable RTB dans la fraction 0/0,16 est plus importante que pour le sable de gravière mais dans la fraction 0,16/6,3, le RTB est composé de plus d éléments «gros» que le sable de gravière. Ainsi le sable RTB possède une courbe granulométrique discontinue, avec un module de finesse indiquant que le sable serait qualifié de plutôt grossier (Mf =3.2). La propreté mesurée à l équivalent de sable (75%) permet de considérer le sable comme «propre». Des essais de sédimentométrie réalisés sur les deux sables complètent les résultats ci-dessus en indiquant que le sable RTB contient une part relativement importante d éléments fins dans la fraction 0,02/0,08 mm. Gravillons/Graviers de sablière GravillonGraviers RTB 6,3/20 Le gravier RTB, tout comme le gravillon, suit une courbe granulométrique quasi linéaire. La granulométrie d un gravier de gravière est plus riche en granulats intermédiaires (12,5 16 mm) que le gravier RTB Caractéristiques mécaniques des matériaux de démolition Le coefficient MDE (essai Micro Deval) des RTB testés est de 14 %, le granulat est ainsi classé en catégorie A. Le coefficient L.A (essai Los Angeles) des RTB testés est de 25 %, le granulat est ainsi classé en catégorie B Compositions de bétons étudiées L objectif de cette partie est la comparaison des propriétés rhéologiques à l état frais et des résistances mécaniques de trois différents bétons : le béton classique (BC) ; le béton mixte (BM) ; le béton recyclé (BR). Le béton classique est un béton élaboré à base de granulats roulés classiques de gravière, le béton recyclé est un béton à base de granulats RTB (concassés), et le béton mixte, un béton à base d un mélange de sable roulé classique et de granulats RTB. La composition des différents bétons a été établie en utilisant la méthode DREUX GORISSE. Afin que des comparaisons puissent être possibles, certains paramètres ont été fixés: Classe du ciment (52,5 MPa afin de limiter la dispersion des résultats) Dosage en ciment (350 kg/m3) Résistance visée à 28 jours Fc28 = 37 MPa (sur cylindre) 1.3. La rhéologie des bétons de granulats recyclés Etude de l influence de la composition granulaire (forme et squelette) : étude des bétons BC, BM, BR Lors de la fabrication des bétons, un super-plastifiant de type polymérique a été utilisé pour le béton mixte (0.75%) et recyclé (3%) afin d augmenter la maniabilité du mélange et d obtenir des valeurs similaires d affaissement pour se trouver dans des conditions de mises en œuvre comparables. Une importante quantité d adjuvant (3%) a du être ajoutée pour le béton de granulat recyclé afin de prendre en compte les éléments suivants : beaucoup de fines sont présentes dans le sable RTB qui adsorbent énormément d eau,

3 les granulats de béton recyclé vont avoir tendance à absorber plus d eau que les granulats naturels du fait de leur porosité plus élevée les granulats recyclés sont concassés et procurent donc une maniabilité moindre au béton. Les trois bétons ainsi formulés et adjuvantés présentaient des propriétés rhéologiques à l état frais permettant une classification F3, béton très plastique (11 cm d affaissement au cône d Abrams) Etude comparative de l efficacité de plusieurs adjuvants Une étude plus approfondie sur l adjuvantation des bétons de granulats recyclés a permis de montrer que les seuls adjuvants réellement aptes à défloculer les particules fines des granulats recyclés, et donc à permettre une mise en œuvre correcte des bétons de granulats recyclés, sont ceux à base d éther polycarboxylique modifié ou de copolymère polycarboxylate. Ce sont des adjuvants dit de nouvelle génération qui combinent deux actions : répulsion électrostatique et effet stérique. La répulsion électrostatique est le processus classique de dispersion des superplastifiants classiques de type mélamine ou naphtalène. L utilisation de polymères permet grâce aux chaînes hydrophiles du polymère, d avoir un état de dispersion plus stable qu'un superplastifiant traditionnel (effet stérique). L utilisation de copolymère polycarboxylate ou d ether polycarboxylique modifié ajoute aux effets décrits ci-dessus une ouvrabilité prolongée par le déclenchement d un processus décalé dans le temps (une partie des actions chimiques de l adjuvant n est déclenchée que lors de l augmentation de la basicité du milieu). 2. Propriétés mécaniques et physiques des bétons de granulats recyclés 2.1. Résistances mécaniques Afin de pouvoir effectuer des comparaisons entre les différentes compositions de béton, les essais suivants ont été réalisés : traction par fendage ou essai BRESILIEN (éprouvettes cylindriques 11x22) compression (éprouvettes cylindriques 11x22 ou cubiques 10x10x10) Figure 1. Evolution de la résistance en traction au cours du temps

4 Figure 2. Evolution de la résistance en compression au cours du temps Les résultats sont conformes à ceux attendus, les 3 bétons ne présentent pas de différence notoire du point de vue des résistances mécaniques. L observation des faciès de rupture (voir Figure 3) des 3 bétons amène les remarques suivantes : la présence de porosité (bulle d air) sur les bétons mixtes et recyclés est visible à l œil nu On peut encore remarquer que les granulats recyclés et la pâte de ciment sont bien liaisonnés. Il n y a pas de rupture (elle n est pas visible à l œil nu) entre les granulats recyclés et la pâte de ciment. BC Béton Classique BM Béton Mixte BR Béton Recyclé Figure 3. Faciès de rupture des bétons étudiés 2.2. Propriétés physiques Des mesures de conductivité thermique, de capillarité et de porosité accessible à l eau ont été effectuées sur les trois bétons. [7]

5 Afin de tester les propriétés thermiques du béton recyclé, trois éprouvettes cylindriques 16/22, creuses, ont été coulées. Celles-ci sont constituées respectivement du béton classique (BC), du béton mixte (BM), et du béton recyclé (BR). Les résultats présentés Tableau 1 ont été obtenus sur des bétons agés de 18 mois environ, les éprouvettes de béton ont été conservées dans des conditions hydriques assurant un état hydrique identique pour les trois bétons à 18 mois. Les mesures de capillarité et de porosité ont été réalisées dans un laboratoire partenaire à l université de Karlsruhe. Type de béton Coefficient de capillarité Coefficient thermique Coefficient de porosité BR 0,32 kg/m²/h λ = 1,24 W.m-1.K-1 17% BC 0,35 kg/m²/h λ = 1,61 W.m-1.K-1 14% BM 0,57 kg/m²/h λ = 2,22 W.m-1.K-1 17% Tableau 1 Comparaison entre capillarité, conductivité et porosité 2.3. Analyse des résultats et corrélation Nous rappelons que les trois bétons étudiés (béton recyclé, béton mixte et béton classique) présentent des propriétés mécaniques similaires sur la base des compositions choisies. Les résultats de détermination des propriétés physiques indiquent que le béton recyclé (BR) semble posséder de meilleures propriétés thermiques (λ) que le béton de granulat naturel (Béton Classique BC) ce qui est corrélé à une porosité plus élevée mesurée (17% contre 14%). Les résultats de capillarité ne sont par contre pas en adéquation avec ces derniers. En effet théoriquement plus il y a de pores, plus le béton absorbera d eau, on pouvait donc s attendre à une capillarité plus élevée pour le béton recyclé. Ces résultats mériteraient d être complétés par une mesure de la distribution de la porosité (répartition de la taille des pores) et une observation microscopique permettant d observer la porosité ouverte et/ou fermée. Les résultats contradictoires obtenus sur le béton mixte confirment quand à eux les observations visuelles qui indiquaient une mise en œuvre du matériau assez hétérogène (présence de fissures cohérente avec la capillarité et porosité élevée). Cette dispersion des résultats concernant le béton mixte peut être attribuée au mélange des granulats de formes différentes (roulé pour le gravillon et gravier et concassé pour le sable) qui induit un squelette granulaire global irrégulier. 3. Conclusion et Perspectives de l étude Les résistances mécaniques obtenues pour des bétons de granulats recyclés sont comparables à celles de bétons classiques sous réserve que la mise en oeuvre soit facilitée par l ajout d adjuvants adaptés et que les granulats recyclés possèdent de bonnes propriétés initiales. La nouvelle gamme des superplastifiants à base de copolymère polycarboxylate ou d ether polycarboxylique modifié semble apporter la solution au problème de mise en œuvre des bétons de granulats recyclés. Cette solution est préférable à celle qui consiste à substituer le sable recyclé par du sable naturel, le squelette granulaire obtenu par cette substitution étant alors irrégulier. Les difficultés de mise en oeuvre rencontrées ont été attribuées d une part au caractère anguleux des granulats (concassage) et d autre part à la présence d éléments très fins (inférieurs à 80 microns) en quantité élevée. Il est même possible d obtenir des résistances mécaniques supérieures avec un béton de granulat recyclé qu avec un béton de granulats naturels (compression). Cette amélioration peut être attribuée à l interface pâte-granulat du béton recyclé qui est plus réactive du fait de la réactivité hydraulique des granulats issus de la démolition (réactivité de la pâte de ciment du béton de démolition). Les premiers résultats concernant l étude des propriétés physiques (conductivité thermique) de ces bétons tendent à montrer une amélioration de ces performances par l utilisation de granulats recyclés. Une étude de la porosité globale des bétons a confirmé ces résultats. Cependant une étude plus approfondie de la distribution porométrique permettrait probablement d expliquer les résultats de mesure de la capillarité obtenus.

6 Ces résultats sont encourageants en vue d une utilisation de ces bétons de granulats recyclés comme matériaux de construction participant à la réduction des déperditions thermiques des bâtiments et en réduisant l énergie grise par l utilisation de matériaux recyclés. Ainsi les travaux présentés ici contribuent à l amélioration de la qualité environnementale globale des bâtiments étudiée dans le cadre de la prise en compte du développement durable dans la construction. Plusieurs voies de recherche ont été initiées et devront être confortées par des études plus approfondies des propriétés étudiées ici. Remerciements L auteur remercie M. Pascal Sinteff et le laboratoire de chimie de la construction de Karlsruhe pour leur contribution à ce travail. References: [1] Andrzej Ajdukiewicz,Alina Kliszczewicz «Influence of recycled aggregates on mechanical properties of HS/HPC», Cement & Concrete Composites , 2002 [2] Tsung Yueh Tu, Yuen-Yuen Chen, Chao-Lung Hwang«Properties of HPC with recycled aggregates», Cement and concrete research, vol 36, p , [3] Akash Rao, Kumar N. Jha, Sudhir Misra, «Use of aggregate from recycled construction and demolition waste in concrete», Ressources conservation and concrete, vol. 50, n 1, p , [4] H. Donza, O. Cabrera and E. F. Irassar, «High-strength concrete with different fine aggregate», Cement and concrete research, vol. 32, no11, pp , [5] M. Etxeberria, E. Vázquez, A. Marí, M. Barra, «Influence of amount of recycled coarse aggregates and production process on properties of recycled aggregate concrete», Cement and concrete research, vol 37, p , [6] Hanifi Binici, Tahir Shahb, Orhan Aksoganc, Hasan Kapland, «Durability of concrete made with granite and marble as recycle aggregates», Journal of Materials Processing Technology, Vol 208, Issues 1-3, 21 pp , November 2008,. [7] S Braymand, JD Grangeorge «Mise au point d une méthode expérimentale de mesure de la conductivité thermique : application aux bétons de granulats recyclés», Actes du colloque Matériaux 2010, Nantes, octobre 2010.