Amélioration des caractéristiques mécaniques d un béton de Caoutchouc

Amélioration des caractéristiques mécaniques d un béton de Caoutchouc Auteurs : GARGOURI Ahmad *, ELLOUZE Samir ** et MAKNI Moncef *** * : ISET: BP 88A 3099 El Bustan, Sfax, Tunisie; e-mail: Ahmad.gargouri@isetsf.rnu.tn ** : ISET: BP 88A 3099 El Bustan, Sfax, Tunisie; e-mail: Samir.ellouze@isetsf.rnu.tn *** : ISET: BP 88A 3099 El Bustan, Sfax, Tunisie; e-mail: Moncef.makni@isetsf.rnu.tn Résumé Le secteur de la construction, grand consommateur de granulats naturels, nécessite de plus en plus des matériaux nouveaux présentant des propriétés particulières ou améliorées par rapport aux matériaux classiques. Les matériaux utilisés, depuis plusieurs années, sont des sous-produits et des déchets provenant de différents secteurs. L emploi des déchets et des sous-produits dans le secteur du bâtiment, répond simultanément au souci d économie des ressources naturelles en granulats ainsi qu à l obligation de limiter la mise en décharge aux seuls déchets ultimes. Parmi ces déchets, on distingue les déchets de caoutchouc, qui représentent un déchet valorisable important tant en volume qu en masse, estimée à 40000 tonnes par an en TUNISIE. Aujourd hui, une grande partie de ces déchets, notamment les pneus hors usage, s accumulent, constituant ainsi une source potentielle de problèmes environnementaux et économiques majeurs. Afin de mieux préserver l environnement et face aux évolutions de la législation en vigueur, plusieurs actions de valorisation ont été menées, notamment dans le domaine des matériaux de construction. Le présent travail a pour but de contribuer à l amélioration des performances mécaniques des bétons incorporés de granulats de caoutchouc par de nouvelles formulations et des granularités différentes. Pour atteindre cet objectif, nous avons envisagé l incorporation dans le béton de quantités de granulats de caoutchouc suivant des pourcentages de substitutions volumiques différentes. Des essais de compression et de flexion ont été réalisés sur des éprouvettes 16x32 et 7x7x28 pour différents types de formulations. Ces formulations adoptées touchent la classe granulaire 4-8 et le sable, sans modifier la coupure 8-16 ; ces dernières ont une influence modérée sur les performances mécaniques du béton à base de caoutchouc qui peut-être appliqué et développé dans les domaines suivants : les sols industriels souples les écrans acoustiques verticaux ou horizontaux les dalles amortisseuses pour voies routières les éléments préfabriqués pour absorption des chocs et des bruits Ce programme se relève aussi d un intérêt environnemental dans le sens ou nous avons choisi de valoriser les granulats de caoutchouc issue du broyage des pneus usagés dans un nouveau composite cimentaire. 1. INTRODUCTION Chaque année plus de deux millions [1] de pneus arrivent en fin de vie et sont rejetés. Ces déchets issus du développement économique notamment des secteurs industriels et de transport peuvent être restitués sous une autre forme sans les abandonner dans la nature. Il convient de valoriser ces déchets lorsque le recyclage provoque une pollution de l environnement moindre qu un autre mode d élimination. Ainsi renoncera-t-on à valoriser les pneus usagés non réutilisables dans le béton EN 480.1.1997. [9] Reconnue comme matériau cimentaire, le béton présente une bonne résistance en compression, par ailleurs il est sensible à la fissuration [2]. Les ouvrages surfaciques restent les plus sensibles à se fissurer. En effet, les matériaux cimentaires ont une faible capacité de déformation lorsqu'ils subissent des contraintes, notamment sous l'effet du retrait [4et 8]. En effet, l enjeu majeur est d améliorer la déformabilité de ce matériau cimentaire sans provoquer une grande chute de résistance. Rabat Maroc / 23-25 Novembre 2011 1

Le nouveau matériau composite qui pourra atteindre l objectif prévu est un béton où on incorpore des granulats suffisamment déformables et plus précisément des granulats de caoutchouc issus des pneus usagés non réutilisables. L'incorporation de granulats de caoutchouc pourrait permettre de relaxer les contraintes, [8] réduisant ainsi la formation et/ou la propagation des fissures. Les études antérieures ont montré que l incorporation du caoutchouc dans le béton influe beaucoup sur la résistance à la compression et présente une chute de 80% et de même pour le module d Young environ 70% [6 et 8], pour cela le but ultime de ce projet est d améliorer les propriétés mécaniques du composite par des nouvelles formulations et des granularités différentes tout en changeant la substitution soit par du gravier ou du sable. 2. MATERIAUX UTILISES Le béton est un matériau hétérogène dont les caractéristiques physico-chimiques et mécaniques des divers constituants sont différentes [3]. Il est Composé essentiellement de granulats (gravier et sable), de ciment, d'eau de gâchage et d'adjuvants. Chacun de composants joue un rôle bien précis dans le mélange. 2.1 Le ciment Le ciment CEMI 42.5 N de Gebel El Ouest, dont la masse volumique absolue est 3.1g/cm 3. 2.2 Les granulats Le sable lavé provenant de la région de Sfax et le gravier de la Carrière El-Faiedh de la région de sidi bouzid, dont la masse volumique absolue sont respectivement, pour le sable 2,60 g/cm 3, pour le gravier 2,65 g/cm 3. 2.3 Le caoutchouc On a utilisé du caoutchouc des pneus usagés non réutilisables broyé et fractionné, contenant des fibres textiles suivant deux coupures granulométriques 4/8 mm et 8/16 mm pour substituer le gravier. Les granulats de caoutchouc de densité 1,12 ont été utilisés à l état brut. Figure (1) : granulométrie 0/4 Figure (2) : granulométrie 4/8 Figure (3) : Granulométrie 8/16 3. PROGRAMME EXPERIMENTAL Il s agit de trois états à étudier : Etat 0 : C est l état initial (à améliorer) basé sur la formulation d un béton de référence selon la norme EN 480.1.1997 avec substitution volumique du gravier 4/8 et 8/16 avec différents pourcentages de caoutchouc. Tableau (1) - composition des bétons testés à l état 0 Masse totale de Caoutchouc Kg/m3 0,00 98,00 121,00 144,00 194,00 Masse pour 1 m3 de béton Désignations Kg/m3 Unités 2402,70 B(A) [0] 2271,15 B(B) [20] 2236,77 B(C) [25] 2202,38 2137,61 B(D) [30] B(E) [40] Granulat concassé 8/16 Kg/m3 918,16 734,52 688,62 642,71 550,89 Granulat concassé 4/8 Kg/m3 229,54 183,63 172,15 160,67 137,72 Sable 0/4 Kg/m3 730,00 730,00 730,00 730,00 730,00 Ciment CPA 42,5 Kg/m3 350,00 350,00 350,00 350,00 350,00 Eau 1/m3 175,00 175,00 175,00 175,00 175,00 Caoutchouc broyé 4/8 Kg/m3 0,00 78,00 96,50 115,00 155,00 Caoutchouc broyé 0/4 Kg/m3 0,00 20,00 24,50 29,00 39,00 Rabat Maroc / 23-25 Novembre 2011 2

Etat 1 : à partir de l état initial 0, on conserve la classe granulaire 8/16 et on fait une substitution volumique du gravier 4/8 par des grains de caoutchouc de même classe. Cette substitution varie de 25, 50, 75 et 100%. Le tableau ci-dessous présente la nouvelle formulation qui présente à une substitution de 100% une masse de caoutchouc de 97 kg/m 3. Etat 2 : à partir de l état 1 pour différentes composition du béton B1(B), B1(C) B1(D) et B1(E), une substitution volumique du sable par des grains de caoutchouc (0/4), tout en gardant la classe granulaire (8/16). 4. RESULTATS ET INTERPRETATIONS 4.1 Résistance à la compression La variation de la résistance en compression de l état 0 est mentionnée par le tableau 7 et la figure 4. Les essais sont faits sur des éprouvettes cylindriques 16x32 conservées dans une chambre humide à 20 c et 98 % d humidité à 28 jours d âge. Tableau (7)- variation de la résistance en compression de l état 0 Désignations B(A) B(B) B(C) B(D) B(E) fc28 (MPa) 40,14 24,70 18,80 11,50 7,60 Figure 4- variation de la résistance en compression de l état 0 Une chute de la résistance en compression est de l ordre de 81% par rapport au béton de référence. Ce résultat confirme bien celui trouvé par S. Bonnet [8]. Pour la composition des bétons de l état 1 [B1(A), B1(B), B1(C), B1(D) et B1(E)], La variation de la résistance en compression est mentionnée par le tableau 8 et la figure 5. Dosage fc28 (MPa) B1(A) 24,90 B1(B) 20,72 B1(C) 17,16 B1(D) 12,85 B1(E) 11,67 Tableau 8- variation de la résistance en compression de l état 1[B1(A) à B1(E)] Figure 5- variation de la résistance en compression de l état 1[B1(A) à B1(E)] Une chute de la résistance en compression est de l ordre de 53% [B1(A) à B1(E)] Pour la composition des bétons de l état 2 [B2(B), B2(C) et B2(D)], La variation de la résistance en compression est mentionnée par le tableau 9. Tableau 9- variation de la résistance en compression à 28 jours de l état 2[B2(B) à B2(D)] formulation fc28 (MPa) Variation de la résistance Rabat Maroc / 23-25 Novembre 2011 3

B1(B) 20,72 B2(B1) 13,60 B1(B) B2(B2) 10,59-61% B2(B3) 10,15 B2(B4) 8,00 B1(C) 17,16 B2(C1) 12,89 B1(C) B2(C2) 11,29-44% B2(C3) 10,49 B2(C4) 09,67 B1(D) 12,85 B2(D1) 16,82 B1(D) B2(D2) 13,76 +23% B2(D3) 11,75 La résistance en compression n a pas donné une amélioration significative, pour des formulations la résistance a chutée par rapport à l état initial d un béton de référence et ceci conformément aux résultats trouvés par goulias,abdelwaheb et Bonnet [6-7-8] et. En effet, la formulation D présente une légére amélioration de l ordre de 23%. Nous pensons que cette amélioration vient du fait de la présence des grains de coupure 0/4 dans le béton. La rupture des éprouvettes ne présentent pas une fissure brutale, mais des micro fissures et les éprouvettes restent solidaires. Ces valeurs montrent que le matériau à perdu sa rigidité pour avoir une certaine déformabilité recherchée. 4.2. Résistance à la flexion Les essais de flexion à 3 points sont effectués sur des éprouvettes prismatiques 7x7x28. Après 24 heures, le démoulage est effectué, les éprouvettes sont conservées dans une chambre humide à 20 c et 98% d humidité. La résistance à la flexion est mesurée à 28jours d âge.la variation de la résistance à la flexion de l état 0 est mentionnée dans le tableau 10 et la figure 6 Tableau 10- variation de la résistance à la flexion de l état 0 Désignations B(A) B(B) B(C) B(D) σ f (MPa) 7,98 6,99 5,99 5,62 Figure 6- variation de la résistance à la flexion de l état 0 Une chute de la résistance est de l ordre de 30% par rapport au béton de référence. Pour la composition des bétons de l état 1 [B1(A), B1(B), B1(C), B1(D) et B1(E)], La variation de la résistance est mentionnée par le tableau 11 et la figure 7 Tableau 11- variation de la résistance à la flexion de l état 1[B1(A) à B1(E)] Dosage B1(B) σ f 5,65 (MPa) B1(A) B1(C) 4,31 7,98 Rabat Maroc / 23-25 Novembre 2011 4

B1(D) 2,70 B1(E) 2,59 Figure 7- variation de la résistance à la flexion de l état 1[B1(A) à B1(E)] Une chute de la résistance à la flexion est de l ordre de 68% [B1(A) à B1(E)] Pour la composition des bétons de l état 2 [B2(B), B2(C) et B2(D)], La variation de la résistance en compression est mentionnée par le tableau 12. Tableau 12- variation de la résistance à la flexion à 28 jours de l état 2[B(B) à B(D)] formulation σ (Mpa) Variation de la résistance B1(B) 5,65 B2(B1) 5,12 B1(B) B2(B2) 4,24-53% B2(B3) 3,09 B2(B4) 2,64 B1(C) 4,31 B2(C1) 4,24 B1(C) B2(C2) 4,27 +8.6% B2(C3) 4,70 B2(C4) 3,00 B1(D) 2,70 B(D1) 3,18 B1(D) B(D2) 2,65 +14.3% B(D3) 2,56 La résistance à la flexion n a pas présentée de chute par rapport à l état initial et reste stable dans l ordre de 53% et ceci confirme les résultats trouvés par Toutanji et Cooper [4-5], et dans des cas (formulation C et D ) on a eu une légère amélioration entre 8 et 15% ce qui parait faible mais significatif pour la flexion. Le paramètre qu on a jugé fondamental est celui des déformations après le pic qui nous donne une idée sur la ductilité du composite et ceci on peut le montrer dans les figures suivantes figure 8 et 9 : Figure 8-variation de la résistance à la flexion de l état 0 Figure 9-variation de la résistance à la flexion de l état 2 Ces courbes issues de l essai de flexion 3 points montrent la ductilité qu a subit le nouveau matériau, et ceci grâce à l existence des petits granulats. Donc l arrangement granulaire ou la distribution granulaire dans un matériau peut influencer sur un paramètre et pas forcément sur la résistance à la compression. La Rabat Maroc / 23-25 Novembre 2011 5

rupture des éprouvettes dans le premier cas est brutale, la fissure est claire. Dans le deuxième cas, les éprouvettes continuent à se déformer sans apparition de fissures comme dans le premier cas. 5. conclusion La reformulation d un béton de référence incorporé de granulats de caoutchouc peut améliorer quelques paramètres à savoir la déformabilité, la résistance à la traction le pouvoir ductile du matériau et pas forcément la résistance en compression. Le remplacement des quantités de caoutchouc de granulométrie élevée par une granulométrie plus fine montre que la résistance en compression n est amélioré que pour certaine formulation et précisément celle qui contient la coupure 0/4 (formulation D), par contre la résistance en traction par flexion a subit une légère montée. Le plus important dans cette étude est le pouvoir de ductilité qu a subit le matériau. Cette ductilité permet au nouveau composite d être utile dans les utilisations de grandes surfaces où le facteur de retrait et de fissuration est très important. Ce nouveau béton permet d absorber le flux de fissuration et empêcher sa propagation d une part et reste le plus adéquat pour les ouvrages qui ne nécessitent pas une grande résistance à la compression. 6. Bibliographie [1] ANPE WWW.ANPE.TN.COM [2] Granju J.L, Chausson H, «Serviceability of fiber- reinforced thin overlays : relation between cracking and debonding», Proceeding of the ConChem International Exhibition and Conference, Bruxelles, November 1995 ( verlag, 1995) pp 133-142 [3] Chanvillard G, Aitcin, «thin bonded overlays of fiber- reinforced concrete as a method of rehabilitation of concrete roads», Canadian journal of Civil Engineering, 1990 Vol 17 n 4, pp 521-527 [4] Toutanji,H.A, «The use of rubber tire particles in concrete to replace mineral aggregates, cement and concrete composites»1995, vol 18, pp 135-139 [5] Cooper,P«Tyres under pressure from different directions», Proc.Int.Symp. Recycling and reuse of Used Tyres R.K.Dhir,M.C Limbachiya 19-20 March 2001,pp 251-259 [6] Goulias D.G, Al-Hossain A, «Evaluation of rubber-filled concrete and correlation between destructive and non-destructive testing results», cement, concrete and aggregates 1998 vol 20 n 1 pp 140-144 [7] Abdelwaheb M.M et Abdelhameed M,E «Concrete using rubber tyre particle» Proc.Int.Symp. Recycling and reuse of Used Tyres R.K.Dhir,M.C Limbachiya 19-20 March 2001,pp 251-259 [8] Bonnet S, «Effet de l incorporation des granulats de caoutchouc sur la résistance à la fissuration des mortiers» XXI Rencontres Universitaires de Génie Civil 2003 Prix «René Houpert» pp 59-70 [9] Gargouri A, Yaich Sami, Boulila A et Makni M «Valorisation des pneus usages non réutilisables dans le béton» : Colloque «Sols et Matériaux à Problèmes» 9-11 février 2007 Tunisie pp 315-322 [10] Gargouri A, Makni M Sami, Boulila A et Yaich.S «mecanic evaluation of the behavior of the rubber concrete behavior mecanic of the concrete» : Colloque «International Conference on Concrete Technology in Developing Countries» Icctdc 8-9 November 2007 Hammamat - Tunisie. Rabat Maroc / 23-25 Novembre 2011 6