3. Comportement des sédiments traités dans les matériaux à matrice cimentaire
3.4. c Résistance à la compression
Les essais de résistance en compression sont essentiels pour caractériser la réussite de la valorisation, tant ce paramètre est important pour définir les utilisations possibles du matériau et sa qualité générale.
3.4.c.i. 1ère phase
Protocole et matériel
Les essais de 1ère phase ont été réalisés sur des éprouvettes cylindriques d’élancement 2 et de diamètre 36mm. Au vu du nombre d’échantillons à tester (minimum de 3 échantillons pour chaque formulation et chaque période de cure, soit 72 éprouvettes), nous avons choisi de ne rectifier les faces des échantillons que sommairement. Un soin particulier a toutefois été apporté au tronçonnage des extrémités des échantillons afin de garantir un défaut de parallélisme entre les faces le plus faible possible. De plus une rotule spécialement conçue pour ces essais, de même diamètre que l’éprouvette a été placée entre l’échantillon et le plateau supérieur de la presse (cf. photo 3-7). Ce dispositif a montré son efficacité pour réduire les effets de flexion parasite dus aux défauts de parallélisme des échantillons [YURTDAS 2003]. Cependant la correction apportée par cette rotule ne peut compenser que
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mesurés sur certaines éprouvettes, nous conduisant à écarter certaines valeurs de résistance jugées non représentatives. Le nombre d’essais réalisés est néanmoins suffisant pour que les tendances observées soient jugées significatives. Les essais ont été réalisés sur une presse mécanique de type Instron® d’une capacité de 300kN. L’acquisition des données (capteur de force et déplacement de la traverse de la presse) est assurée par l’unité de pilotage de la presse. L’essai est piloté en déplacement, à raison de 2µm/s.
Photo 3-7: échantillon équipé de la rotule spéciale, soumis à un essai de compression uni axial sur une presse hydraulique Instron® de 500kN. (Source photo : essai de I. Yurtdas [YURTDAS 2003])
Résultats
Les résultats des essais de résistance en compression uni axiale à 28 jours pour les deux conditions de cure sont présentés sur la figure 3-9. Comme cela a été précisé précédemment, les problèmes de parallélisme nous ont conduits à éliminer certaines valeurs, jugées non représentatives. Les points de mesure apparaissent toutefois dans la figure 3-9 mais la courbe de moyenne ne tient pas compte de ces points.
Le tableau 3-6 compare l’ensemble des données de la figure 3-9. On observe un gain de résistance à la compression par rapport au mortier de référence pour tous les taux de substitution et quelles que soient les conditions de cure. Le gain est plus sensible en cure à l’air et atteint 42% pour le mortier substitué à 33%. Ce taux de substitution semble être un optimum car en cure à l’eau, le gain est également maximal pour cette formulation mais n’atteint que 17%. Le rapport entre les résistances en cure à l’air et en cure à l’eau indique que les différences de résistance entre les deux conditions de cure sont réduites lors de l’emploi de sédiments traités. Les effets des conditions de cure seraient donc amoindris lors de l’utilisation de granulats de sédiments traités. Ceci s’explique par un phénomène de cure interne due à la présence dans le mortier de granulats poreux saturés d’eau. Ils compensent le départ de l’eau lors du séchage, permettant ainsi une meilleure hydratation de la pâte se rapprochant ainsi des conditions de la cure humide (cf. paragraphe 3.5.a).
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20 25 30 35 40 45 50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 substitution (%) Résistance à la compression (MPa) à 28 jours Cure à l'eau
Moyenne Cure à l'eau Cure à l'air
Moyenne Cure à l'air
Figure 3-9: résistance à la compression (Rc) uni-axiale des mortiers de 1ère phase en fonction du taux de substitution et des conditions de cure.
MN* MS33* MS66* MS100*
Rcair/Rceau 0.654 0.792 0.875 0.835
Cure air 100 142 137 123
Pourcentage par rapport à la valeur du mortier de
référence à 28 jours Cure eau 100 117 103 97
Tableau 3-6 : comparaison des données de résistance à la compression uni axiale des mortiers de 1ère phase. (Rcair/Rceau est le rapport entre les résistances à la rupture en compression des échantillons conservés dans l’air par rapport à ceux
conservés dans l’eau).
Les figures 3-10 et 3-11 présentent l’évolution de la résistance à la rupture en compression des mortiers de 1ère phase selon la durée de la cure et fonction de la nature de celle-ci.
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20 25 30 35 40 45 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % substitution Resistance à la compression (MPa)
Cure air 28 jours
moyenne Cure air 28 jours Cure air 60 jours
moyenne Cure air 60 jours Cure air 90 jours
moyenne Cure air 90 jours
Figure 3-10: évolution de la résistance à la compression uni axiale en fonction du taux de substitution et de la durée de cure à l'air. 25 30 35 40 45 50 55 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % substitution Resistance à la
compression (MPa) Cure eau 28 jours
moyenne Cure eau 28 jours Cure eau 60 jours
moyenne Cure eau 60 jours Cure eau 90 jours
moyenne Cure eau 90 jours
Figure 3-11: évolution de la résistance à la compression uni axiale en fonction du taux de substitution et de la durée de cure à l'eau.
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3.4.c.ii. 2ème phase
Protocole et matériel
Les mesures de résistance sur les mortiers de 2ème phase ont été réalisées sur des éprouvettes cylindriques de 37mm de diamètre et d’élancement de 2 après 28 jours de cure à l’eau. Comme en 1ère phase, un soin particulier a été apporté au tronçonnage des extrémités des échantillons afin de garantir un faible défaut de parallélisme entre les faces, de plus la rotule spéciale a été utilisée pour compenser les défauts. Ces défauts ont atteint au maximum 0.2mm sur ces éprouvettes. Les essais ont été réalisés sur une presse hydraulique de type Instron® d’une capacité de 500kN. L’essai a été piloté en déplacement, à raison de 2µm/s, et seule la valeur à la rupture a été retenue.
Résultats
La figure 3-12 illustre les résultats de ces essais. Les mortiers de référence MN045, MN05 et MN055 ont des résistances à la rupture respectives de 46, 59 et 55 MPa. La résistance du mortier de E/C=0.45 devrait être la plus importante. Le comportement observé est dû à une mauvaise mise en œuvre qui a provoqué une augmentation des vides et donc une baisse de la résistance. La corrélation entre porosité et résistance est souvent vérifiée (même si certaines études montrent qu’une augmentation de porosité n’est pas forcément indicatrice d’une baisse de résistance [ZAKARIA 1996]), mais dépend dans une certaine mesure de paramètres tels que la distribution de taille des pores ou la masse volumique absolue. Ces différences expliquent certainement la répartition observée sur la figure 3-13.
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 MN04 5 MN05 MN05 5 MS25 MS33 MS50 MS33NP S MS3 3 0/0. 315 MS3 3 0.31 5/4 MS33 SF Contrainte à la rupture (MPa)
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Figure 3-13: relation entre masse volumique apparente et contrainte à la rupture pour les mortiers de 2ème phase après 28 jours de cure à l'eau.
Les mortiers MS25, MS33 et MS50 permettent d’apprécier l’effet du ratio de substitution du sable naturel par un sable de sédiment traité de même granulométrie sur les performances du matériau. On observe une légère augmentation de la résistance pour les mortiers MS25 et MS33, +4% et +6% respectivement puis une baisse de 3% pour le mortier substitué à 50%. Au vu de la dispersion des résultats, (de -16% à +21% pour le mortier MS330/0.315), ces variations ne peuvent pas être considérées comme représentatives, mais laissent tout de même supposer que l’optimum de substitution se situe bien aux alentours de 33%. Cet ordre de grandeur se retrouve assez fréquemment dans les études de valorisation de matériaux recyclés ou de déchets (20% pour S. M. Levy [LEVY 2004], de 20 à 30% pour J.M. Khatib [KHATIB 2005], 30% pour Nik. D. Oikonomou [OIKONOMOU 2004] et jusqu’à 50% pour I.B. Topçu [TOPCU 1997]). En revanche il apparaît clairement que le paramètre le plus influent est la granulométrie de la substitution : le mortier MS33 0/0.315 est 52% plus résistant que le mortier MS33 0.315/4 et 12% plus résistant que le mortier de référence MN05. En revanche on explique mal la résistance du mortier formulé sans fines. Sa porosité et la taille de la substitution sont relativement élevées, et pourtant sa résistance est supérieure à toutes les formulations excepté le mortier MS33 0/0.315.