Sédiments et nouveaux matériaux pour le Bâtiment Durable

Sédiments et nouveaux matériaux pour le Bâtiment Durable Pr. M.Quéneudec-t Kint, Dr.HDR. R.M.Dheilly Ingénierie des Matériaux et Procédés - Unité de recherche EPROAD EA 4669 - SFR Condorcet CNRS 3417-7, rue du Moulin Neuf - 80 000 Amiens France michele.tkint@u-picardie.fr Tel : ( 33) 06 88 55 06 02

Le contexte sédiments Gisements de sables de plus en plus argileux, lavage du sable Erosion éolienne dans les zones désertiques Problèmes d envasements maritimes et fluviaux La valorisation de ces sédiments dans le bâtiment pourrait permettre l économie de ressources fossiles

Des Exemples Matériaux performants thermiquement Valorisation de sédiments argileux issus du lavage de granulats par élaboration à froid de bétons cellulaires Valorisation de sables de dunes dans des bétons isolants et isolants porteurs de type bétons de granulats légers Matériaux absorbants pour le traitement des rejets Utilisation comme charges dans des matrices biopolymères

Valorisation de sédiments argileux issus du lavage de granulats par élaboration à froid de bétons cellulaires Collaboration avec l UNICEM Bretagne 6 thèses soutenues 9 stages longue durée (6 mois) 35 références bibliographiques dont 24 publications dans des revues internationales

Passant cumulé (%) Les bétons cellulaires à base de sédiments argileux Matières premières Boues argileuses : origine bassin Rennais (Bretagne). Très riche en kaolinite 100 argile Ciment : CPA-CEM I 52.5 80 ciment Hémoglobine : produite par la société Vapran à partir de sang bovin. Obtenue par fractionnement et stabilisée thermiquement, elle se présente sous forme de poudre. 60 40 20 Eau de gâchage : eau potable du réseau de ph égal à 7,75 à une température de 20 2 C additionnée de soude à raison de 0,0385 mole/l 0 1000 100 10 1 Diamètre (µm) 0,1 0,01

Les bétons cellulaires à base de sédiments argileux Elaboration du matériau E/A=0,7 ; C/A=0,35 ; H/A=0,021 E= eau de gâchage A=matière argileuse, C=ciment, H=hémoglobine Malaxage à sec 1mn à 60t/mn Ajout de l eau en poursuivant le malaxage pendant 1mn Raclage des parois. Ajout de la poudre d hémoglobine. Prolongement du malaxage pendant 2mn à 120t/mn Sans moussage Mise en moule par coulage. Démoulage à 24h. Conservation en salle climatique (20 C ; 98%HR) avant et après démoulage pendant 28j L analyse des espèces chimiques présentes montre que l hémoglobine ne gêne pas l hydratation du ciment Avec moussage

Résistance en compression (MPa) Les bétons cellulaires à base de sédiments argileux Performances mécaniques Masse volumique apparente (kg/m3) Module d élasticité dynamique (GPa) Résistance à la compression (MPa) Résistance à la flexion (MPa) 16 12 A densité égale, le matériau moussé présente une résistance supérieure à celle du matériau non moussé (complexes argile-hémoglobine) Evolution positive de la résistance au cours du temps dans le cas du matériau moussé Masse volumique du matériau non moussé, 1230kg/m 3 8 4 0 sans H avec H 0 100 200 300 400 500 600 Temps (jours)

Les bétons cellulaires à base de sédiments argileux Performances hydriques Variations dimensionnelles (mm/m) Les variations dimensionnelles au séchage sont inférieures dans le cas du matériau moussé Bien que la quantité d eau utilisée au malaxage soit la même, les variations pondérales au séchage sont moins importantes pour le matériau moussé va dans le sens d une fixation d eau par les sites hydrophiles de la protéine 8 6 Au séchage, pour une même perte d eau, la déformation est supérieure dans le cas du matériau non moussé rôle positif joué par le film protéique dans la consolidation mécanique du matériau Résultat conforté par les valeurs obtenues pour les VDE et VPE qui Restent inférieures dans le cas du matériau allégé 4 2 0 sans H avec H 0 7 14 21 28 Age (jours) VD au séchage ( HR=65%, T=20 C) non allégé allégé VDE (mm/m) VPE (%) 2,33 1,88 6,82 5,75

Diffusivité hydriques (10-6 m 2 /s) Taux d'absorption i(mm 3 /mm 2 ) dm/m (kg/kg) Les bétons cellulaires à base de sédiments argileux sans H Performances hydriques 0,08 avec H Fixation d humidité en ambiance humide Ambiance à 95%HR Le temps pour arriver à stabilisation est très long Les valeurs d eau fixée sont faibles Allure similaire des courbes Le moussage réduit la fixation d humidité 0,06 0,04 0,02 0 0 100 200 300 400 500 Temps (jours) Fixation d humidité lors d un contact avec l eau liquide La sorptivité (représente la capacité à absorber l eau) déterminée pendant la première heure est respectivement 0,017 et 0,0056 mms -1/2 pour les matériaux non moussés et moussés, soit un rapport de 3 en faveur du matériau moussé Le transfert d humidité se fait plus difficilement dans le cas du matériau moussé La différence entre les teneurs en eau à saturation est proche de la quantité d air occlus entraînée par le moussage protéinique sans H avec H 8 6 4 2 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Temps (s 1/2 ) sans H avec H 1,00 0,10 Les pores créés par l entraînement d air restent à l écart de l invasion hydrique et gênent l avancement du front d imbibition en provoquant une importante tortuosité 0,01 0,00 0 10 20 30 40 50 60 70 Teneurs volumiques en eau (mm 3 /mm 3 )

Conductivité thermique (W/m.K) Les bétons cellulaires à base de sédiments argileux Performances thermiques La conductivité augmente avec le degré de saturation La conductivité thermique du matériau moussé reste inférieure quel que soit le degré de saturation Les courbes obtenues pour les deux matériaux sont sensiblement homothétiques La porosité consécutive à l entraînement d air reste à l écart de l invasion hydrique A masse volumique semblable, le moussage protéinique donne de meilleurs résultats en milieu humide qu un matériau de même composition allégé par réaction chimique dans la masse 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 y = 0,45e 0,007x R 2 = 0,93 sans H y = 0,37e 0,012x R 2 = 0,89 0,0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Degré de saturation (%) avec H Composition Masse volumique apparente (kg/m 3 ) Conductivité à sec (W/m.K) Conductivité à saturation (W/m.K) BAC (M.S Goual) 962 0,26 1,01 Matériau allégé par moussage protéinique 970 0,35 0,82

Les bétons cellulaires à base de sédiments argileux On voit l intérêt de l allégement protéinique pour la valorisation de fines argileuses. Ce procédé permet de valoriser simultanément deux déchets industriels : des déchets de l industrie agroalimentaire et de l industrie des granulats. Le procédé a été appliqué à d autres fines minérales

Les bétons de granulats légers à base de sables de Dunes Collaboration avec l Université de Laghouat, Algérie- équipe du Pr. Bederina 1thèse soutenue-1 en cours de finalisation 16 références dont 9 publications dans des revues internationales-

Les bétons de granulats légers à base de sables de Dunes- Matières premières Sable de dunes : Sable fin (Ø 0,63mm), granulométrie serrée, nature siliceuse, origine Nord de Laghouat Ciment : CPJ-CEM II/A 32.5 Fillers : déchets de concassage tamisés (Ø 0,08mm ), nature calcaire, région de Laghouat Copeaux de bois : déchets de menuiserie issus de travaux de défonçage et rabotage. Ces copeaux peuvent être traités. Ils peuvent être substitués partiellement ou totalement par des pailles de plantes annuelles comme les céréales Adjuvant : MEDAPLAST (SP40) Eau de gâchage : eau du réseau G=20 G=5000

Les bétons de granulats légers à base de sables de Dunes- Elaboration du matériau Malaxage à sec des matières premières préalablement séchées : sable+ciment+filler mélangés 3mn à vitesse lente. Après homogénéisation ajout des granulats de bois saturés d eau et malaxage à vitesse lente pendant 3mn. Ajout progressif de l eau de malaxage puis homogénéisation par malaxage à vitesse lente pendant 3mn et 1mn à vitesse rapide Mise en moule, conservation en salle humide (HR=90%, T=20 C) et démoulage à 24h Conservation en ambiance sèche (HR=50%, T=20 C) Matériaux Sable Kg/m3 Ciment Kg/m3 Fillers Kg/m3 Eau Kg/m3 Superplastifiant % masse de ciment Dosage 1305 350 200 245 1,5

Les bétons de granulats légers à base de sables de Dunes Propriétés Pour une quantité en copeaux de bois allant de 80 à 120 kg/m3 environ, on obtient des bétons de sable de construction et d isolation avec des densités inférieures à 1530 kg/m3. Le comportement à l eau (variations dimensionnelles, absorption) est d autant moins satisfaisant que la quantité de copeaux de bois augmente d où la nécessité de traiter ceux-ci. Un traitement au ciment mis au point au laboratoire a permis, pour une composition de 80kg/m3 en copeaux de réduire le retrait d environ 35% et de diviser l absorption d eau par 7. Ce traitement permet aussi d augmenter la résistance à la compression de 45%. Les études continuent pour améliorer l impact de la fraction végétale sur les propriétés des bétons de sables de dunes. La thèse de B.Belhadj (direction M.Bederina et M.Quéneudec) qui sera soutenue prochainement constitue une avancée considérable dans le domaine.

Matériaux absorbants pour le traitement des rejets Collaboration avec l INSET d Oran Thèse de Zohra Dali-Youcef 2 références

Matériaux absorbants pour le traitement des rejetsélaboration du matériau Le matériau utilisé dans ce travail est une vase de type illite récupérée de la brèche du barrage de Fergoug (ouest algérien). La vase a subi un traitement acide par du chlorure d ammonium 100g de vase brute broyée ont été mise sous agitation dans 1l de chlorure d ammonium (2M) à 50 C pendant 24 h. Après décantation on récupère la vase activée qu on lave avec une eau déminéralisée jusqu à disparition des chlorures. La vase activée est ensuite séchée. Sédiments d origine La vase activée présente une surface spécifique environ 3 fois plus importante que la vase d origine Sédiments activés

Matériaux absorbants pour le traitement des rejetsabsorption du phénol Mise en contact d une masse de vase activée avec des solutions de phénol de concentrations différentes. Des taux d élimination de 75% ont été obtenus Plus l agitation est rapide, plus la fixation sur la vase activée est rapide La stabilisation est atteinte rapidement (environ 70mn) L augmentation de la concentration d origine en phénol augmente la vitesse d absorption sur la boue activée

Utilisation comme charges dans des matrices biopolymères Collaboration avec l université de Sfax Thèse de Inès Zarrad (cotutelle-m.quéneudec-t Kint, R.M.Dheilly, J.Bouaziz) en cours de finalisation 3 références dont 2 revues internationales

Utilisation comme charges dans des matrices biopolymères La première motivation d incorporation des charges minérales dans des polymères est l augmentation des propriétés mécaniques. L objectif de ce travail est d apprécier l influence de sédiments marins en tant que charges minérales dans des matrices biopolymères Les sédiments proviennent du dragage du port de Dunkerque et nous ont été fournis par l Ecole des Mines de Douai La matrice biopolymère est élaborée à partir de protéines animales conformément à un brevet déposé par l UPJV Les sédiments ont été ajoutés dans des proportions allant de 0 à 20%

Utilisation comme charges dans des matrices biopolymères L incorporation de sédiments augmente la dureté et la rigidité des composites Bien que les résistances en traction et en flexion diminuent avec l augmentation du pourcentage de sédiments, les valeurs mesurées restent acceptables pour un certain nombre d applications L augmentation des masses volumiques reste raisonnable Etude de faisabilité. Piste à creuser pour la valorisation des sédiments marins

Conclusion Le but de cette présentation était de faire une revue des différentes valorisations de sédiments menées au laboratoire. Différents types de sédiments et différents procédés de valorisation ont été présentés. Ils sont interchangeables dans l ensemble. Par exemple, le moussage protéinique peut aussi être appliqué aux sédiments de dragage où aux sables de dunes. On voit tout le potentiel des sédiments pour l élaboration de matériaux alternatifs pour le bâtiment. Les sédiments peuvent ainsi passer du statut de déchets au rang de matières premières. L importance des gisements et la possibilité d envisager des produits multi-entrées constituent un atout complémentaire.