Caractérisation de la porosité du béton: essai d’absorption ou de perméabilité?

I.2.2.3.1.Essai d’absorption

Le volume poreux du béton se mesure par l’absorption d’eau. L’absorption d’eau d’un béton, à son tour, se mesure habituellement en faisant sécher une éprouvette de béton à masse constante en l’immergeant dans l’eau et en déterminant l’augmentation de masse exprimée en

25 pourcentage de la masse sèche. Cette mesure n’indique pas forcément une bonne qualité de béton. Mais les bons bétons ont une absorption d’eau inférieure à 10% en masse.

La norme ASTM C 642-90préconise un essai d’absorption sur plusieurs petits fragments de béton. On y prescrit un séchage à une température de 100 à 110°C et une immersion dans l’eau à 21°C pendant au moins 48 heures. Les spécifications de la norme BS 1881, partie 122 de 1983sont semblables, si ce n’est que l’essai est effectué sur des carottes entières de béton.

Ces essais sont utilisés dans des mesures routinières de contrôle de qualité sur des produits de préfabrication comme les pavés, les dalles et les bordures.

I.2.2.3.2.Essai de perméabilité

Les essais de perméabilité du béton n’ont généralement pas été normalisés, de sorte que, les valeurs des coefficients de perméabilité citées dans différentes publications ne peuvent être comparées. La procédure de l’United States Bureau of Reclamation recommande d’utiliser une pression d’eau de 2,76 MPa. La norme allemande DIN 1048-1991 et certains essais canadiens préconisent l’usage de valeurs de pression plus fortes. Or, si l’on force l’eau à s’écouler, l’eau naturelle du béton pourrait être modifiée. Certains pores pourraient s’obstruer par colmatage et certains grains de ciment anhydres pourraient s’hydrater au cours de l’essai.

Par ailleurs, il existe un autre problème associé à la mesure de la perméabilité. En effet, pour un béton de bonne qualité, l’eau ne s’écoule pas à travers le béton. L’eau pénètre à l’intérieur du béton jusqu’à une profondeur. Une relation a été proposée par Valenta (1969) pour convertir la profondeur de pénétration en coefficient de perméabilité K (en m/s) équivalent à celui obtenu à partir de la loi de Darcy :

ht v e

K ² /2

(

avec e la profondeur de pénétration de l’eau dans le béton (en m), h la charge hydraulique (en m), t la durée d’application de la pression hydraulique (en seconde) et v le pourcentage du volume de béton occupé par les pores : entre 0,02 et 0,06% (Neville, 2000).

Le béton bitumineux en technique routière, un matériau poreux donc absorbant d’eau, est aussi concerné par les présents travaux de recherche.

I.2.3.BITUMES ET BETONS BITUMINEUX EN TECHNIQUE ROUTIERE

La caractéristique la plus importante, pour la mise en œuvre en technique routière des brais et goudrons, des bitumes et des cut-backs, c’est la viscosité. La viscosité est donc un grand paramètre pour les liants routiers. Pour ces matériaux, la viscosité s’étudie de deux façons principales: par la pénétrabilité et par le point de ramollissement à bille et anneau (Ring and

26 Ball). Il s’agit donc des paramètres qui caractérisent la consistance du matériau, le premier (pénétrabilité) étant de loin le plus utilisé. Entre la viscosité μ d’un liant bitumineux (exprimée en kilopoises) et la valeur ou encore l’indice de sa pénétrabilité P (exprimée en dixièmes de millimètres), on a sensiblement la relation suivante :

2 6/ 10 P a

 (2)

a valant sensiblement 10, on a donc approximativement (Duriez et al., 1959)

2 7 /

10 P

  (3)

Par ailleurs, l’adhésivité est l’attribut le plus important dans un procédé utilisant le bitume (Kucharek, 2012). Elle est définie comme étant un autre paramètre majeur de performance en technique routière. Parmi les types de revêtement de chaussées actuellement utilisés, le béton bitumineux permet d’assouvir les plus lourdes exigences. Il est le plus cher et notamment matériaux et les conditions de mise en œuvre comme des éléments avec lesquels on ne saurait transiger. Par exemples, le concepteur doit avoir à l’esprit que :

* la viscosité des bitumes et des cut-backs double sensiblement pour un abaissement de température de 5°C ;

* le coefficient de dilatation du liant vaut 20 fois celui des agrégats. Si la température augmente, il y a déformation plastique avec augmentation du volume quand le liant est en excès. Cette déformation est irréversible en majeure partie. Par refroidissement, la rétraction se produit et le liant, bien que pléthorique, se met en traction. Le revêtement se fissure ;

* quant aux conditions d’exploitation, le Maître d’ouvrage doit savoir que, par suite de l’allure logarithmique de la courbe de fatigue des revêtements souples sous les charges répétées, une chaussée conçue pour 20 ans peut ne durer que 2 mois à peine s’il y a 20% de surcharge des poids lourds (Duriez et al., 1959 ; Jeuffroy, 1978).

Sur le théâtre des techniques de l’étanchéité, de l’isolation thermique et de l’acoustique, le bitume est un grand acteur. En effet, la grande diversité de types de bitumes offre de vastes applications. Celle du bitume en qualité de revêtement routier reste majoritaire avec environ 90% de l’ensemble de ces applications (Mouezen, 2011).

27 I.2.3.1. Classification des bitumes routiers

On distingue principalement neuf (09) classes ou grades de bitumes routiers (Tableau 1.11).

Chaque classe est identifiée par sa pénétrabilité ou du moins son indice de pénétrabilité Dow.

Tableau 1.11: Classes ou grades de bitumes routiers durs habituels

Caractéristiques Unité Norme Classes

Pénétrabilité à existe aussi deux autres types de bitumes routiers dits spéciaux. Ils sont qualifiés de bitumes de grades durs. Il s’agit des classes de pénétration 10-20 et 15-25. Ces bitumes, principalement adaptés au renforcement des chaussées, apportent une réponse aux problèmes engendrés par l’accroissement du trafic lourd. L'emploi de ceux-ci permet la réalisation d’enrobés et de bétons bitumineux à modules dynamiques élevés sans compromis en fatigue (ce qui n'est pas possible avec les bitumes routiers classiques).A dimensionnement égal, il y a une réduction d'épaisseur ou une augmentation de la durée de vie de la structure.

Les utilisateurs rencontrent de plus en plus de difficultés à s’approvisionner en bitumes de grades durs (10/20 et 15/25). En effet, la fabrication de ces bitumes, réalisée très souvent en aval de l’unité de distillation, n’est pas techniquement possible dans tous les sites de production. Elle est souvent très pénalisante pour la production d’autres produits pétroliers, car elle s’accompagne d’une réduction des débits de traitement et mobilise une logistique propre jusqu’à l’expédition.

La diversification des gammes et qualités des bitumes a pour objectif premier d’affiner leurs propriétés à travers les paramètres essentiels qui constituent leurs attributs dont l’adhésivité.

I.2.3.2. Adhésivité d’un liant aux agrégats

Les minéraux que l’on rencontre dans la nature sont en général hydrophiles, c'est-à-dire qu’ils présentent une très grande affinité pour le mouillage par l’eau. Ceci est dû au fait que

28 l’énergie de mouillage de l’eau vis-à-vis du minéral est généralement supérieure à l’énergie de mouillage du liant pour ce même minéral. De manière pratique, l’adhérence d’un liant pour un minéral, c’est la faculté pour ce liant ayant mouillé le minéral de résister au déplacement par l’eau. Si un liant a mouillé un minéral sec, il se trouve dans une certaine mesure, dans une position privilégiée par rapport à l’eau qui entrerait en contact ultérieurement du fait qu’il a la position de premier occupant (Duriez et al., 1959).Souvent, il est nécessaire d’amender ou de modifier les propriétés du bitume à travers des ajouts : on parle alors de dopes.

I.2.3.3. Dopes en technique routière

Le dope est, pour le béton bitumineux, ce que représente l’adjuvant pour le béton de ciment.

Par exemple, on améliore souvent l’adhésivité des agrégats siliceux ou quartzeux avec le bitume, en les traitant préalablement avec de la chaux, du ciment portland, des savons du type bromure de cétylpyridinium ou chlorure de laurylpyridinium.

Le caoutchouc est parfois incorporé au liant sous diverses formes. Il présente l’avantage de participer à la résistance à la rupture par fatigue des revêtements (Duriez et al., 1959). Tous ces éléments, des dopes, participent à l’atteinte du but ultime : la formulation, la meilleure, pour le béton bitumineux.

I.2.3.4. Performances désirables pour les bétons bitumineux

Les cahiers de charges fondent leurs critères de choix de la bonne formulation sur les expériences acquises à partir des performances révélées par les ouvrages déjà en service.

Les performances des bétons bitumineux sont, de ce fait, mesurées à partir des valeurs des paramètres déterminés classiquement par les méthodes proposées par Marshall et Duriez, dont entre autres : la stabilité, le fluage, la densité, la compacité, l’absorption d’eau.

S’agissant de la méthode développée par Marshall, on surveille notamment la stabilité, le fluage (écrasement diamétral à la rupture), la densité, la compacité. Pour une autoroute qui draine un trafic lourd et intense, les cahiers de charges retiennent souvent la valeur de la stabilité Marshall de 12 kN, le fluage compris entre 2 et 4 (x 10^-1mm), la compacité comprise entre 96% et 98 %.

En ce qui concerne la méthode développée par Duriez, devenue par la suite la méthode LCPC, pour les cas courants c’est-à-dire autoroute, piste d’envol d’avions civils et chaussées urbaines très circulées, la stabilité R doit être supérieure à 50 bars à sec à 8 jours d’âge, la stabilité R’

après 7 jours d’immersion doit être supérieure à 0,7 R, le pourcentage d’imbibition après 7 jours d’immersion doit être inférieur à 4%. Ces conditions sont moins sévères pour les routes

29 secondaires : R>35 bars, R’>0,65R, pourcentage d’imbibition après 7 jours inférieur à 5%

(Jeuffroy, 1978).

I.2.3.5. Appréciation des résultats de formulation d’un béton bitumineux

Souvent, il s’avère nécessaire d’apprécier les résultats d’essais que livrent les travaux de laboratoire. Des méthodes pratiques de contrôle existent et reposent essentiellement sur trois paramètres : la pénétrabilité ou l’indice de pénétrabilité du bitume, le point de ramollissement et la susceptibilité thermique.

I.2.3.5.1.Pénétrabilité du bitume et stabilité Duriez du béton bitumineux

Les résultats expérimentaux ont montré que la pénétrabilité standard d’un bitume à 25°C (P en 1/10 mm) et la stabilité Duriez à 8 jours dans l’air (R en bar) du béton bitumineux qui en découle, sont liées par une relation logarithmique de la forme :

P R (2/3)log log 

  (4)

où γ est une constante.

Plus la valeur de γ est proche de 3, plus le béton bitumineux est de haute qualité. Une valeur de 2,875 indique que le béton bitumineux correspondant est de qualité moyenne et une valeur de 2,7 constitue la limite entre les bétons bitumineux et les enrobés denses (Duriez et al., 1959).

I.2.3.5.2. Point de ramollissement du bitume et stabilité Duriez du béton bitumineux Si R est la résistance du béton bitumineux à 8 jours air (en bar) et () la température (en °C) marquant le point de ramollissement du liant, on a la relation :

64 .

2



R (5)

où reste également une constante. Pour un béton bitumineux très étudié et de haute qualité,

 prend la valeur 1/500; pour un béton moyen, il prend la valeur 1/750 ; pour un béton de qualité à la limite entre les bétons bitumineux et les enrobés denses, prend la valeur 1/1000 (Duriez et al., 1959).

I.2.3.5.3. Susceptibilité thermique (Pénétrabilité et point de ramollissement)

Pfeiffer et Doormal (1936) ont classé les bitumes suivant leurs propriétés rhéologiques et leur dépendance avec la température. Un indice de pénétrabilité IP a été calculé à partir de la pénétrabilité à 25°C (P25) et la température de Bille et Anneau ().

Dans ce calcul,  est considérée comme la température équivisqueuse à laquelle la pénétrabilité vaut 800 dixièmes de mm. En effet, à la température de Bille et Anneau (), la pénétrabilité du bitume (P) est sensiblement égale à 800.

30 Malgré sa précision limitée, l’IP est un indicateur pertinent de la susceptibilité thermique du bitume en relation avec sa composition chimique (Béghin, 2003). L’indice de pénétrabilité est lié à la susceptibilité thermique par la relation (Jeuffroy, 1978):

25

Plus la valeur de (IP) est élevée, moins le bitume correspondant est susceptible à la chaleur.

Les valeurs courantes de (IP) sont comprises entre -3 et +8. Les bitumes de distillation simple ont des indices (IP) négatifs ou inférieurs à 1. Les bitumes soufflés moins susceptibles ont des indices positifs.

Les bitumes provenant de la distillation directe sont à peu près les seuls utilisés en technique routière. Les bitumes oxydés ou bitumes soufflés, sont surtout utilisés en étanchéité, car leur viscosité varie relativement peu en fonction de la température (Cissé et al., 2003).

I.2.4. VALORISATION DES DECHETS PLASTIQUES DANS LA CONSTRUCTION: LES TRAVAUX RECENTS

De nombreux travaux sont actuellement en cours de par le monde sur le sujet de la valorisation des déchets plastiques ; citons comme exemples : (Adjovi et al., 2010 ; Bindu et al., 2010 ; Choudhary et al. 2010 ; Gbèdo 2009 ; Ghernouti et al., 2009 ; Huang et al.,2007 ; Kalantar et al., 2010; Kapil et al., 2013 ; Khan et al., 2009 ; Kowanou, 2011; Kowanou et al., 2014 ; Lee et al., 1999 ; May et al., 2011 ; Prasad et al., 2009; Punith et al.,2007 ; Qadir et al., 2005 ; Rebeiz, 2005; Tchéhouali et al., 2012 ; Vasudevan et al., 2007 ; Verma, 2008;

Yazoghli-Marzouk et al., 2005 ; Zaki, 2008 ; Zoorob, 2000).

Ces différents travaux concernent : le recyclage matière, le recyclage chimique et bien d’autres aspects dont, par exemple, ceux dédiés au recyclage du plastique en essence pour moteurs.

Nous avons examiné de très près quelques travaux orientés sur la même piste que celle envisagée dans la présente étude, c'est-à-dire les déchets plastiques dans la construction, en mettant un accent particulier sur les travaux ayant utilisé des déchets de sachets plastiques.

Vasudevan et al. (2007) ont, dans leurs investigations portant sur plusieurs matériaux, travaillé aussi sur des mélanges de déchets plastiques et du bitume. Ce travail a eu pour but d’utiliser des sachets d’emballages et des pneus usagés dans la confection de la couche de roulement de chaussée.

31 Ghernouti et al. (2009) ont traité de l’influence des déchets plastiques en substitution partielle au sable sur les propriétés physico-mécaniques des mortiers et des bétons ainsi que leur comportement vis-à-vis des attaques chimiques.

Yazoghli-Marzouk et al. (2005) ont étudié la réduction de l’absorption d’eau du mortier de ciment en réalisant la substitution volumique du sable par des granulés de polyéthylène téréphtalate (PET).

Prasad et al. (2009) ont traité de la consolidation des sols de fondation d’ouvrages en utilisant des renforts constitués de hachis de pneus usés.

A la lecture des différents procédés de recyclage des plastics proposés dans le secteur de la construction, on peut dire qu’il s’agit d’un recyclage « matière », parce qu’il y a peu ou presque pas de transformation des matières plastiques utilisées avant l’incorporation de ces dernières dans les différentes matrices porteuses ou matériaux d’accueil. C’est vrai que, l’un des avantages d’une telle méthode de recyclage est évidemment une économie d’énergie et la conservation des dispositifs traditionnels de sa mise en œuvre (Vasudevan et al. 2007).

Toutefois, en examinant les différents procédés exploités dans leurs différentes techniques de recyclage, des voies de perfection sont vraisemblablement possibles. Par exemple, au niveau des mortiers de ciment, la substitution de 50% de sable, par des granulés de PET, s’est manifestée par des écrans de granulés étanches sur la trajectoire des pores : cela a contribué à diviser le taux d’absorption d’eau par 10, mais l’hydratation des grains de ciment, pendant la phase de murissement, pourrait bien être compromise, d’une part. Les pores demeurent ouverts et, de ce fait, ils constituent des interfaces de contact avec les agents chimiques et constituent aussi le siège des irréversibilités mécaniques, d’autre part. De plus, le PET (de module de Young E de l’ordre de 200 à 700 MPa) étant mécaniquement plus faible que la silice (de module de Young E de l’ordre de 107000 MPa), avec un taux de 50% de substitution, c’est d’autant le squelette du mortier qui en est ainsi affaibli.

Au niveau du béton bitumineux, à 170°C, le sachet plastique fond mais à cette température, sa consistance ne permet pas d’espérer une alliance très intime dans son mélange avec les granulats, surtout les fillers. Par ailleurs, sur le plan pratique, 5% de hachis de sachets, pourcentage en masse de granulats, poseraient des problèmes de stockage, de manutention et de manipulation, en raison du coefficient de foisonnement que s’imposeraient les petits confettis du matériau. En effet, ce foisonnement rendrait difficile les mélanges à grande échelle sur site d’une part, et les nuisances liées à la fusion des sachets ne peuvent être correctement prises en charge dans des unités d’utilisation directe non spécialisées, de l’autre.

32 Le plastique, en tant que matériau, est aujourd’hui un produit de laboratoire. Certaines propriétés, notamment celles relatives aux différentes molécules incorporées comme additifs, charges, adjuvants, colorants, sont détenues dans les secrets des procédés de fabrication.

Chaque matière plastique a donc des caractéristiques physiques et chimiques propres et qui devraient impliquer des modes de recyclage spécifiques. Les procédés de recyclage tirent leurs premiers handicaps de ce fait.

Bien sûr que les récents marquages conventionnels permettent de distinguer les déchets plastiques sous 7 catégories. Mais les sachets présents dans les décharges béninoises ne portent plus très souvent de marquages ; ce qui rend ainsi difficile leur identification. Il s’agit de plus de 50% des déchets plastiques collectés. Objectivement, la diversité des sachets plastiques d’emballages jonchant les décharges imposent que nous ne perdrions plus le temps à en attendre le décodage de tous les secrets de laboratoires, donnant la composition de chaque variante de sachets plastiques utilisés au Bénin, avant d’examiner si cela valait la peine d’entamer leur recyclage.

La réponse à cette question d’importance n’est, à notre humble avis, pas suspensive de la recherche de solution à la problématique réelle. En attendant donc, nous allons entreprendre le programme de recyclage visé sous l’angle de la prospection des possibilités offertes par les procédés de construction aux déchets de sachets plastiques. Spécifiquement, nous analysons les déchets de sachets plastiques utilisés, soit en qualité de liant pour la mise au point de matériaux de construction, soit en qualité d’adjuvant au mortier de ciment contre l’absorption d’eau, soit encore en tant que dope dans la formulation de bétons bitumineux en couche de roulement en technique routière, l’une des trois possibilités d’usage ainsi évoquées n’excluant évidemment, en aucun cas, l’autre.

33

CHAPITRE II – MATERIAUX, MATERIEL ET METHODES

L’histoire situe à -750 000 ans, le début de l’organisation de l’habitat par l’homme. Dès lors et suivant le niveau d’évolution des connaissances, des exigences sont nées et se sont greffées sur le simple besoin de se protéger contre les intempéries : besoin de conserver des vivres, conserver de l’eau, se protéger contre les prédateurs par exemple. Dans les vieux âges, l’instruction étant peu développée et les communications difficiles, on comprend la lenteur des progrès dans le domaine. Jusqu’à un passé récent, les hommes ont entrepris des travaux dont la robustesse s’explique au moins partiellement par la connaissance limitée des matériaux. Aujourd’hui les matériaux sont de mieux en mieux connus et les soucis s’appellent désormais confort, esthétique, sécurité, durabilité, délai d’exécution dont certains aspects sont pratiquement chronométrés, etc. ; et tous ces facteurs sont, depuis la conception des projets, en permanente négociation avec l’économie. Bien sûr, tous les peuples de tous les lieux ne sont pas au même diapason ; les charpentes des esquimaux du pôle nord sont en os de mâchoire de baleine, alors que les pygmées les font en branchages dans la forêt équatoriale africaine. Mais l’habitat étant le mode de peuplement et d’organisation par l’homme du milieu dans lequel il vit, une constance est demeurée chez tous les peuples de tous les temps:

l’homme construit à partir des matériaux de son environnement immédiat. Raison sans doute pour laquelle, plus d’un tiers des habitants du globe vit encore dans des habitats en terre.

Aujourd’hui, la prolifération des déchets plastiques dans la nature fait d’eux une opportunité de matériau de proximité à l’instar de la terre. Le réflexe le plus banal, dans la tendance de l’utilisation profitable de ces déchets abondants et de longues durées de vie, est donc l’exploitation des propriétés de fusion de certaines familles pour faire d’elles des liants, des adjuvants ou des dopes.

2.1. MATERIAUX

Les matériaux utilisés comprennent des sachets plastiques, des granulats, du ciment et d’autres matériaux accessoires décrits dans les paragraphes qui suivent.

2.1.1. SACHETS PLASTIQUES

Les matériaux utilisés comprennent des déchets de sachets plastiques de couleur noire. Il s’agit de sachets de décharges principalement.

Cependant, pour les besoins de notre étude, nous avons utilisé aussi des sachets plastiques

Cependant, pour les besoins de notre étude, nous avons utilisé aussi des sachets plastiques