Technodating «Matériaux durables pour le gros œuvre en construction humide» 17 mai 2013 BÉTONS DE GRANULATS RECYCLÉS (ET AUX LAITIERS DE HAUTS FOURNEAUX) Braymand Sandrine F.Feugeas, C. Fond, N.Serres, D. Kunwufine, C. Munzer, R.Haniche s.braymand@unistra.fr Icube,Université de Strasbourg, 6 rue Boussingault, 67000 Strasbourg
CONTEXTE Gestion des déchets de construction Coût élimination et stockage 2,5 Milliards 280 MT Travaux Publics 90% inertes réemploi sur place partiel 15 MT granulats recyclés produits Transports et Stockage : pollutions air et sols 35 MT Bâtiment 66 % inertes Recyclage sur place inexistant 2
CONTEXTE Gestion des déchets de construction Matériaux et Bâtiments Coût élimination et stockage 2,5 Milliards Bâtiment : Consommation de 50% 280 MT Travaux Publics 90% inertes réemploi sur place partiel 15 MT granulats recyclés produits 35 MT Bâtiment 66 % inertes Recyclage sur place inexistant Transports et Stockage : pollutions air et sols de ressources naturelles, 40% de l énergie, 16% de l'eau Production de 25% des gaz à effet de serre. Béton ACV peu satisfaisante 3
OBJECTIFS Réaliser des bétons satisfaisants vis à vis de leur Impact Environnemental (ACV). Granulats recyclés : solution au problème d épuisement des ressources et de stockage de déchets Caractériser ces bétons : propriétés mécaniques, thermiques et porométriques Améliorer les propriétés rhéologiques à l état frais : identification des adjuvants efficaces 1 ère étape 4
OBJECTIFS Réaliser des bétons satisfaisants vis à vis de leur Impact Environnemental (ACV). Caractériser ces bétons : propriétés mécaniques, thermique et porométrique Choix des adjuvants : mise en œuvre et coût acceptable. DÉMARCHE Etude des propriétés physiques (thermiques) Validation des propriétés mécaniques Améliorer les propriétés rhéologiques à l état frais : identification des adjuvants efficaces Matériau à valeur ajoutée Proposer des outils d aide à la formulation des bétons de granulats recyclés en vue de la réalisation d un matériau à valeur ajouté 5
FORMULER DES NOUVEAUX BÉTONS OBJECTIF SCIENTIFIQUE: CAHIER DES CHARGES SPÉCIFIQUE Améliorer leurs impacts environnementaux Utilisation de granulats recyclés -> propriétés différentes Utiliser un liant hydraulique à «faible» ACV (production CO2 et énergie grise) -> propriétés différentes Améliorer les propriétés thermiques des matériaux de construction -> critère porosité 6 6
FORMULER DES NOUVEAUX BÉTONS OBJECTIF SCIENTIFIQUE: CAHIER DES CHARGES SPÉCIFIQUE Améliorer leurs impacts environnementaux Utilisation de granulats recyclés -> propriétés différentes Utiliser un liant hydraulique à «faible» ACV (production CO2 et énergie grise) -> propriétés différentes Améliorer les propriétés thermiques des matériaux de construction -> critère porosité Optimiser la formulation Améliorer la rhéologie des bétons dans le cas de bétons prêts à l emploi (BPE) Envisager la possibilité de réaliser des bétons préfabriqués sur place (pour diminuer les distances de transport) Améliorer les propriétés mécaniques et de durabilité Proposer des outils d aide à la formulation des bétons de granulats recyclés en vue de la réalisation d un matériau à valeur ajouté 7
QUELS GRANULATS RECYCLÉS? Granulats recyclés de démolition de bétons PN recybéton ANR ReViVi Granulats recyclés de déchets de brique Granulats recyclés de démolition de maçonnerie 8
GRAVILLONS ET GRAVIERS GRANULATS RECYCLÉS DE BÉTONS Pâte de ciment hydratée concassée Porosité élevée Absorption d eau Granulat naturel concassé De Juan and Al., Study on the influence of attached mortar content on the properties of recycled concrete aggregate, ÉLÉMENTS FINS Fines 0-500µm Ciment durci broyé Granulat naturel broyé Ciment anhydre? Floculation Adsorption d eau Réactivité potentielle 9
CARACTÉRISATION DES GRANULATS RECYCLÉS DE BÉTONS DISTRIBUTION GRANULOMÉTRIQUE Exemple: Analyse granulométrique d un sable recyclé 0-4 mm, comparé à un sable naturel Naturel Diameter(mm) Recyclé 10
% 100 CARACTÉRISATION DES GRANULATS RECYCLÉS DE BÉTONS DISTRIBUTION GRANULOMÉTRIQUE Granulométrie d un sable recyclé et naturel sur la fraction 0-100µm Exemple: Analyse granulométrique d un sable recyclé 0-4 mm, comparé à un sable naturel 90 80 70 60 Recyclé 50 40 30 20 10 0 0,01 0,1 1 10 100 1000 Diameter(µm) Natural Diameter(mm) Naturel Tail Recyclé 11
CARACTÉRISATION DES GRANULATS RECYCLÉS DE BÉTONS EN PRÉSENCE D EAU Absorption : 3-10% Auto-Prise : non/oui (10 heures) DISTRIBUTION GRANULOMÉTRIQUE Granulometryanalysis of recycled sands 0/6,3 mm and of standardized sand Naturel Recyclé Squelette granulaire : accepté comme granulats à bétons Présence importante d éléments fins Absorption d eau élevée Variation de caractérisation selon les lots prélevés Diameter(mm) Granulometryanalysis of recycled sands 0/100µm and of standardized sand 100 80 60 Recyclé 40 20 Naturel 0 0,01 0,1 1 10 100 1000 Ta Diameter(µm) 12
CARACTÉRISATION DES GRANULATS RECYCLÉS DE BÉTONS ADAPTATION DES ESSAIS NORMALISÉS Essais normalisés validés Analyse granulométrique Module de finesse Valeur au bleu Coefficient absorption Masse volumique absolue Teneur en sulfates Essais normalisés à adapter Masse volumique réelles Essais de propreté Coefficient d absorption Essais complémentaires Essai de prise sur éléments fins Analyse de la propreté : Quantification débris végétaux Mesure du ph Cinétique d absorption Masse volumique et granulométrie fines Quantification du mortier accolé Mesures des surfaces spécifiques des gravillons et graviers Protocole complet d analyse des granulats recyclés 13
INFLUENCE DES GRANULATS RECYCLÉS SUR LES PROPRIÉTÉS DES BÉTONS PARAMÈTRES D ÉTUDE Béton traditionnel, mixte et recyclé But : formulation pour obtenir une résistance égale Utilisation d un superplastifiantà long maintien d ouvrabilité Composition kg/m3 T M R Cement CEM I 52,5N CE CP2 NF 350 350 350 Admixture 0 2.625 (0.75%) 10.5 (3%) water 194 180 165 Nat. sand Rec. sand 685 0 759 0 0 769 Nat. grav. Rec.Grav. 1176 0 0 967 0 866 Concrete compositions 14
INFLUENCE DES GRANULATS RECYCLÉS SUR LES PROPRIÉTÉS DES BÉTONS Traditional Mix Recycled RÉSULTATS Fracture topographies of studied concrete Béton de granulat recyclé Liaison pâte granulat de bonne qualité géométrie porosité différente 15
PARAMÈTRES D ÉTUDE Bétons classique, mixte et recyclé Bétons Rcégale Utilisation d adjuvants RÉSULTATS CONCLUSIONS La substitution du sable recyclé par du sable naturel n est pas à retenir : conserver la granulométrie complète. Besoin d identification des propriétés rhéologiques des mortiers et bétons additionnés de fines de GR. optimisation de leurs formulations. Les granulats recyclés et la pâte de ciment sont bien liaisonnés Il existe une différence de géométrie de la porosité, influence sur λ 16 16
CHOIX DES ADJUVANTS EFFICACES Etudes rhéologiques à l état frais Les superplastifiants les plus efficaces pour fluidifier les mortiers de sables recyclés copolymère polycarboxylate, ether polycarboxylique 17
PROPOSER DES OUTILS D AIDE À LA FORMULATION DES BÉTONS DE GRANULATS RECYCLÉS MATÉRIAU À VALEUR AJOUTÉ Essais état frais et durci Adjuvants d étude pour les bétons de granulats recyclés de bétons Comparer avec un béton de granulat naturel concassé/ roulé Étude de l influence de la présence des fines Méthodes classiques de formulation des bétons adaptées? Méthode MBE (Mortier Bétons Equivalent) Modifications apporter pour tenir compte des propriétés des granulats recyclés identifiées Thèse en cours, financement Bourse Région Alsace, entreprise CHRYSO 18
GRANULATS RECYCLÉS DE TERRE CUITE Terre cuite: mélange d argile cuite Matériau de construction millénaire Tuiles, briques Traitement du déchet de terre cuite: Rebus d usine: de 3 à 5% de la production Déchet de chantier: 2 à 6 MT (2008) -> 4 à 8 MT ( 2050) 19
CARACTÉRISATION DES GRANULATS RECYCLÉS DE TERRE CUITE Courbe granulométrique fraction 0-4mm : (norme EN 933-1) 100,00 90,00 80,00 70,00 % TAMISAT 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 Granulo Sable de 1 briques Sable naturel 0,00 0,001 0,010 0,100 1,000 10,000 D(mm) 20
CARACTÉRISATION DES GRANULATS RECYCLÉS DE TERRE CUITE -Granulométrie : présence d éléments fins -Masses volumiques absolue des fines de briques (~2,6 g/cm 3 ) -Masses volumiques des granulats de briques MASSES VOLUMIQUES (kg/m 3 ) 0-4 mm 4-8 mm 8-20 mm Dans un fluide non mouillant 1590 1440 1620 - Coefficient d absorption COEFFICIENTS D ABSORPTION(%) 0-4 mm 4-8 mm 8-20 mm 50 26 23 - réactivité : pas de prise en présence d eau Préalablement saturés 21
CARACTÉRISATION DES GRANULATS RECYCLÉS DE TERRE CUITE EN PRÉSENCE D EAU Absorption 23-48% selon granuométrie Auto-Prise : non mais composition susceptible d apporter des résistances supplémentaires au ciment Les granulats de terre cuite absorbent beaucoup plus contiennent plus d éléments fins (adsorption) sont plus légers que les granulats naturels % TAMISAT DISTRIBUTION GRANULOMÉTRIQUE 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 Diameter(mm) 0,001 0,010 0,100 1,000 10,000 MASSES VOLUMIQUES (kg/m 3 ) Granulo Sable de 1 briques Sable naturel 0-4 mm 4-8 mm 8-20 mm 1590 1440 1620 Formulation des compositions en volume 22
CARACTÉRISATION DES GRANULATS RECYCLÉS DE TERRE CUITE LE RAPPORT À L EAU COEFFICIENT D ABSORPTION, CINÉTIQUE D ABSORPTION ET MASSES VOLUMIQUES: ESSAIS NORMALISÉS ESSAIS PEU REPRÉSENTATIFS DE LA RÉALITÉ Protocole adapté d analyse des granulats recyclés absorption/desorption et adsorption -> masses volumiques 23
CARACTÉRISATION DES GRANULATS RECYCLÉS DE TERRE CUITE Détermination des masses volumiques Volume MASSE VOLUMIQUE ABSOLUE MASSE VOLUMIQUE RÉELLE QUELLES MÉTHODES DE MESURE? Masse Adaptation des méthodes classiques de formulation des bétons) QUELS RÉSULTATS? IMPERMÉABILISATION 1636,4 kg/m 3 UTILISATION D UN FLUIDE NON MOUILLANT 1578,9 kg/m 3 UTILISATION DE GRANULATS PRÉALABLEMENT SATURÉS 1546,4 kg/m 3 Protocole adapté d analyse des granulats recyclés absorption/desorption et adsorption 24
INFLUENCE DES GRANULATS RECYCLÉS SUR LES PROPRIÉTÉS DES BÉTONS PARAMÈTRES D ÉTUDE Béton traditionnel, recyclé béton, recyclé terre cuite Compositions à volume constant en constituants donc à Eff/C différents car absorption différente Utilisation d un adjuvant superplastifiant Pré-humidification des granulats Terra Cotta: 25-50%, recycled: 6-10%, natural: 1% Aggregate Sand 0/4mm Gravel 4/8 mm Cement CEMII 32.5 Water EW/C Admixture Aggregate Density Classical 1000g 675g 450g 225g 0,46 0 2,4 TerraCotta 1105g (40/60) 450g 225g -0,36 5% 1,6 Recycled concrete 970g 700g 450g 225g 0,27 1% 2,4 Compositions of studied concrete Objectif : démontrer que la notion d eau efficace n est pas adaptée à la formulation des granulats de brique 25
RÉSULTATS Eau efficace négative? Résistance s mécaniques élevées? Paramètre de formulation peu pertinent 26
INFLUENCE DES GRANULATS RECYCLÉS SUR LES PROPRIÉTÉS DES BÉTONS microbéton Traditionnel microbéton de Terre Cuite Gain (%) Module d'élasticité (GPa) 23,4 18,3-21,8 conductivité anneau λ(w/( m. K)) 3,5 2,3-34,3 conductivité plaque λ(w/( m. K)) 1,27 0,75-40,9 Porosité Hg (%) 18,15 25,1 38,3 Rc 28 J (MPa) 35 50 42,9 Rt 28 J (MPa) 5,6 7,7 37,5 Masse volumique (kg/m3) 2230 1860-16,5 Ces microbétonsde terre cuite présentent des corrélations entre les propriétés différentes de celles des microbétons classiques La notion d eau efficace n est pas adaptée : un phénomène de desorption se produit 27
Natural aggregate concrete Recycled concrete aggregate concrete o Les élements fins de la brique se retrouvent dans la pâte de ciment. o Observation d une bonne liaison pâte granulat. Recycled brick aggregate concrete 28
PROPOSER DES OUTILS D AIDE À LA FORMULATION DES BÉTONS DE GRANULATS RECYCLÉS MATÉRIAU À VALEUR AJOUTÉ Trouver des adjuvants efficaces à dosages moindres Proposer des méthodes de formulation prenant en compte l absorption ET la desorption Adopter Approche performantielle Etudes en cours Partenariat industriels (Wienerberger, ) 29
PERSPECTIVES Améliorer leurs impact environnementaux Améliorer certains impacts de l ACV non satisfaisants (étude en cours Nicolas Serres) Mettre en avant l amélioration de certains impacts indirects (amélioration épuisement des ressources, stockage de déchets) Utiliser un liant hydraulique à «faible» ACV (production CO2 et énergie grise) Projet ANR ReViVi en cours d évaluation (N. Serres) Optimiser la formulation bétons prêts à l emploi (BPE) : S4 long maintien bétons préfabriqués sur place : S3-S2 Améliorer les propriétés de durabilité Autres granulats recyclés? Ajout de fibres naturelles. 30
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