Valorisation des granulats issus de déchets de chantiers du btp : comportement à haute température de bétons contenant des granulats recyclés Cléo LANEYRIE Anne-Lise BEAUCOUR Ronan HEBERT Albert NOUMOWE Beatrice LEDESERT Colloque « Bâtiments et ouvrages en béton » Neuville – 27 mai 2014

plan Contexte général Problématique de l’étude Démarche expérimentale Formulations Programme expérimental Résultats Dégradations physico-chimiques Propriétés thermiques Performances mécaniques résiduelles Conclusions et perspectives

Difficulté d’approvisionnement Gestion des déchets de chantier Contexte général Difficulté d’approvisionnement Augmentation de nombre de constructions : besoin croissant de matériaux dans le BTP 5,72 tonnes de granulats par habitant (2012) Production régionale en baisse (IdF 2005-2012 : - 12%) Nécessité d’acheminement des matériaux d’une région à une autre Gestion des déchets de chantier BTP : 11 millions de tonnes de déchets par an en IdF Depuis 1er Juillet 2002, seuls les déchets ultimes sont acceptés en installation de stockage Objectif 70% de valorisation des déchets du BTP d’ici 2020 Valorisation des déchets : enjeu environnemental majeur ! Préservation ressources naturelles Limitation de la pollution par enfouissement

Construction de routes Contexte général 99 %* Construction de routes 78% recyclés * Chiffres UNPG 2012

Contexte général Une alternative intéressante est la réutilisation des déchets de chantiers sous forme de graviers, qui, mélangés à du sable, du ciment et de l’eau permettent la formulation de bétons recyclé, idéalement utilisable dans le bâtiment.

Problématique de l’étude Comment le béton contenant des granulats recyclés se comporte-t-il à haute température ? Dilatation des granulats Retrait de la pâte de ciment Augmentation de la pression de vapeur Contraintes thermiques La thèse porte plus particulièrement sur le comportement à haute température de ces bétons. En effet, lorsqu’ils sont chauffés, les bétons subissent un certain nombre de phénomènes : Qui conduit à des phénomènes de fissuration / éclatement / écaillage Les granulats recyclés présentant un certain nombre de propriétés différentes des granulats naturels, il est important d’étudier leur influence sur le comportement des bétons à haute température. Fissuration - Ecaillage – Eclatement ?

Démarche expérimentale - formulations Granulat Recyclé Laboratoire Issu d’un béton formulé, coulé et concassé au laboratoire Béton ordinaire E/C 0.6 Sable naturel Pré - saturation + Granulat Recyclé Industriel E/C 0.3 Béton matrice hautes performances Issu d’un chantier de démolition Préciser à l’oral que les propriétés / la composition des granulats de labo est parfaitement connue. Que l’on ne connait rien des granulats courneuve, mais condition reelles. + contiennent des déchets non cimentaires. Granulat Silico Calcaire Béton ordinaire E/C 0.6 comparaison avec E/C 0.3 Béton hautes performances

Démarche expérimentale Les différents bétons sont soumis à un traitement thermique 20°C 150°C 300°C 450°C 750°C Dégradations physico-chimiques (fissuration, perte de masse, porosité…) Propriétés thermiques (transferts thermiques, évolution de la température au sein du matériau…) Propriétés mécaniques résiduelles (Compression, traction, module d’élasticité) Je ne pourrai pas tout évoquer ici

Résultats – endommagement Aucun éclatement ! Statistiques fissurations 450 °C Béton naturel Béton de référence : 2 éprouvettes sur 9 ont éclaté Béton recyclé Béton référence Aucun éclatement ! Béton de référence : 2 éprouvettes sur 9 ont éclaté Nature des fissures Il est avant tout important de noter que, quelle que soit la température de chauffage, aucun éclatement ou écaillage n’a été observé pour les bétons recyclés. L’endommagement n’est réellement visible qu’à partir de 450°C, et à 750°C, l’ensemble est trop fissuré pour pouvoir faire une interprétation correcte. Nous avons observé (Figure 1) que les bétons ordinaires présentent essentiellement des fissures aux interfaces (granulat recyclé (GR) / ancienne pâte (AP), granulat / nouvelle pâte (NP), ou encore ancienne pâte / nouvelle pâte). Dans le cas des bétons à e/c = 0.3, apparaissent également des fissures transgranulaires. Grâce à une étude statistique réalisée sur Visilog, logiciel de traitement d’image, nous avons pu déterminer, par type de béton, la longueur totale de fissure, ainsi que le pourcentage de surface fissurée pour une tranche de 16x5cm. On constate que les BRI sont plus fissurés que les BRL, et particulièrement quand la matrice est à haute-performance. Ceci pourrait être lié à la résistance moins élevée de l’ancienne pâte des GRI. De plus, on peut supposer que la présence de déchets d’origine non cimentaire dans les GRI entraîne l’apparition de fissures et de défauts lors de leur combustion pendant le chauffage. E/C 0,6 : fissures aux interfaces E/C 0,3 : fissures aux interfaces + trans-granulaires

Résultats – perte de masse / porosité 20°C  300°C Perte de l’eau libre Au-delà de 300°C Départ autres composés (deshydroxylation portlandite, décarbonatation…) Porosité de fissuration De 20°C à 300°C, la perte de masse des deux bétons recyclés est significativement plus importante que celle des BSC : liée à la perte d’eau, présente en plus grande quantité dans les bétons recyclés. Au-delà de 300°C : départ d’autres composés (deshydroxylation de la portlandite, décarbonatation…). On observe pour les six bétons une pente similaire : la composition de la pâte est identique dans tous les cas. La porosité observée à partir de cette température est une porosité de fissuration

Résultats - thermique Evolution de la différence de température entre la surface et le cœur de l’éprouvette, en fonction de la température de surface Deshydroxylation portlandite + quartz α  quartz β 600 - 650°C Départ eau + décomposition hydrates 300°C   λ (W.m-1.K-1) Cp (MJ.m-3.K-1) BRL 0,6 1,68 0,95 BRI 0,6 1,43 0,7 BSC 0,6 1,86 0,83 BRL 0,3 1,94 0,87 BRI 0,3 1,98 0,68 BSC 0,3 2,1 0,74 On étudie ici l’évolution de la température entre la surface et le cœur de l’éprouvette. (éprouvettes instrumentées thermocouples blabla) Deux pics principaux témoins de réactions endothermiques : 300°C en surface : fin du départ de l’eau libre et adsorbée + décomposition d’une partie des hydrates Le bétons ordinaire présente un pic plus elevé : plus d’eau, 600 – 650°C en surface : deshydroxylation de la portlandite Ca(OH)2 570°C transformation allotropique du quartz α en quartz β Meme allure pour les autres bétons étudiés SAUF Pic exothermique à 400°C en surface BRI : probable combustion de déchets de démolition (plastique, bois…) Thermocouple en surface Thermocouple au cœur 16 cm 8 cm

Résultats - mécanique Evolution des propriétés mécaniques résiduelles des différents bétons après avoir été soumis aux cycles de chauffages et refroidissement   fc 20°C (MPa) E 20°C (Gpa) BRL 0,6 31,2 4,4 BRI 0,6 34,2 BSC 0,6 35,9 3,7 BRL 0,3 55,5 5,3 BRI 0,3 55 5,6 BSC 0,3 81,2 5,2 Compression Module d’élasticité BRI : déchets combustibles parmi les GRI  fissuration et porosité au sein de la matrice 300°C amélioration fc BRL : possible réhydratation des CSH + création nouvelles liaisons entre des grains de ciment non hydratés  interface pâte – granulat renforcée. BRL / BSC : résistances résiduelles comparables.

Conclusion et perspectives Aucun éclatement ou écaillage n’a été noté pour les BRL et BRI, alors qu’une partie des éprouvettes de BSC 0.3 (2 sur 9) ont éclaté : porosité totale plus élevée des bétons recyclés par rapport aux bétons naturels. Les performances mécaniques résiduelles observées pour les quatre bétons recyclés sont comparables à celles observées pour les bétons de référence étudiés. Les propriétés résiduelles des BRI sont légèrement inférieures à celles des BRL : présence de déchets combustibles dans les GRI (fissuration plus importante) Age de la pâte entourant les GRL : possible création de liaisons chimiques entre des grains de ciment non hydratés de l’ancienne et de la nouvelle pâte (interface pâte-granulat renforcée). Perspectives…

Merci de votre attention !