Tentatives de prétraitement des granulats recyclés pour l’amélioration des bétons préfabriqués

16e

édition des Journées scientifiques

du Regroupement francophone pour la recherche et la formation sur le béton

(RF)

B

_____________________________________________________________________________________________________ EPFL, Lausanne, Suisse

9-10juillet 2015

Tentatives de prétraitement des granulats recyclés pour l’amélioration

des bétons préfabriqués

Zengfeng ZHAOA,B*, Luc COURARDA, Sébastien REMONDB, Denis DAMIDOTB, Thomas FIANDACAA A Université de Liège, Département ArGEnCo, GeMMe Matériaux de construction, Liège, Belgique B Département Génie Civil et Environnemental, Mines Douai, LGCgE, Douai, France

RÉSUMÉ : De très grandes quantités de déchets de construction et de démolition sont produites chaque

année. Jusqu'à présent, seule une petite fraction de ces déchets de béton est réutilisée sous forme de granulats pour la fabrication de béton. Afin de faire bon usage des granulats recyclés (GR) dans le béton, il est très important d’améliorer leurs propriétés. Dans cette étude, une méthode de traitement des GR au moyen d’une carbonatation accélérée en laboratoire et des méthodes de traitement par modification de l’état de surface des GR ont été étudiées. Les résultats montrent qu'après la carbonatation accélérée au laboratoire, la teneur en pâte de ciment durcie des GR mesurée par dissolution de l'acide salicylique diminue, que la densité et la surface spécifique des GR augmentent et que la porosité des GR diminue, ce qui conduit à la réduction de l'absorption d'eau des GR. Des agents hydrofuges à base de silane ont également été étudiés et semblent diminuer l’absorption d’eau par les GR.

1. INTRODUCTION

Avec le développement rapide de l'industrie de la construction, beaucoup de déchets de construction et de démolition (DC&D) sont générés chaque année dans le monde: à titre d’exemple, la quantité de DC&D atteint 239 millions de tonnes en 2010 en Chine (Shi et Xu, 2006). Jusqu'à présent, seule une petite fraction de ces déchets de béton est réutilisée sous forme de granulats pour la fabrication de béton. Afin de faire bon usage des granulats recyclés (GR) dans le béton, il est très important d'étudier les possibilités d’amélioration de leurs propriétés.

Les granulats recyclés (GR) sont composés d’un mélange intime de granulats naturels et de pâte de ciment durcie. Cette dernière est généralement beaucoup plus poreuse que les granulats naturels. La teneur en pâte de ciment durcie et ses propriétés ont donc une influence déterminante sur les propriétés des granulats recyclés (Zhao et al., 2015). Les propriétés des GR dépendent de beaucoup de facteurs d'influence tels que le béton d'origine, les contaminants, la méthode de broyage pour la production, le vieillissement (notamment la carbonatation) et les conditions de stockage. La porosité des GR constitue un frein majeur à leur réutilisation dans la mesure où l’absorption de l’eau au moment du malaxage diminue l’ouvrabilité des bétons (Courard et al., 2010).

En vue de diminuer l’influence de la porosité, des chercheurs ont étudié l'effet de la carbonatation sur la structure des pores et des propriétés des pâtes de ciment et de béton (Roy et al., 1999; Johannesson et Utgenannt, 2001) : ils ont montré que la porosité totale, pour toutes les pâtes étudiées, est réduite après carbonatation, mais pas avec la même intensité pour toutes les gammes de tailles de pores (Ngala et Page, 1997; Arandigoyen et al., 2006). Cependant, beaucoup moins d'études ont été consacrées à l'influence de la carbonatation sur les GR (Parmentier et al., 2013). D’autre part, il est connu que les hydrofuges ont tendance à limiter fortement l’absorption d’eau par capillarité (Alou et Houst, 1991) : c’est pourquoi ces produits ont également été étudiés en vue de préparer les GR avant leur emploi comme granulats pour béton.

L’objectif de ce travail est d’améliorer les propriétés des GR, de diminuer leur absorption d’eau afin de les utiliser pour la fabrication de béton préfabriqué. Dans cette étude, des méthodes de traitement des GR par carbonatation accélérée en laboratoire et par hydrofugation des GR ont été étudiées.

2. PRÉTRAITEMENT DES GRANULATS RECYCLÉS PAR CARBONATATION

2.1 Matériaux

Un béton source a tout d’abord été fabriqué en laboratoire puis concassé dans un concasseur à mâchoires après 90 jours de cure en immersion afin de disposer de GR dont on connaît l’origine et la composition. Le Tableau 1 présente la composition et les principales caractéristiques de ce béton. Ce béton a été réalisé avec un ciment blanc (CEM I 52.5 “superblanc” de la société Lafarge) et avec des granulats naturels concassés (granulat calcaire du Tournaisis fourni par la société Holcim). Une pâte de ciment avec le rapport eau sur ciment égal à 0,6 a été fabriquée avec le même ciment (même durée de cure en immersion).

Tableau 1. Composition du béton préparé en laboratoire pour la fabrication de GR (1m3)

Ciment (kg) Gravillons (kg) Sable (kg) Eau efficace (kg) Eeff/C Rc à 90 jours (MPa)

Béton 298,8 1138,3 756,4 179,3 0,6 47

Après concassage, la fraction 0/5mm des GR obtenus a été subdivisée en quatre classes granulaires : 0/0,63mm, 0,63/1,25mm, 1,25/2,5mm et 2,5/5mm. Ces GR ont été séchés à 105°C puis conservés en sacs étanches de manière à limiter autant que possible la carbonatation.

Une partie des GR, répartis en quatre fractions, a été soumise à une carbonatation accélérée dans une cellule de carbonatation de CO2 pur à 20°C. Une solution sursaturée de NaCl a été utilisée pour obtenir une humidité relative constante de 75%. La pâte de ciment a été carbonatée dans les mêmes conditions.

Après deux semaines de carbonatation, une solution de phénolphtaléine a été utilisée comme indicateur pour vérifier le degré de carbonatation. L’essai a montré que la carbonatation de l'échantillon est pratiquement terminée du moins en surface.

2.2 Protocole expérimental

Des GR avant et après carbonatation (notés GR_AV et GR_AP respectivement) ont été caractérisés afin d’étudier l’influence de la carbonatation sur les propriétés des GR. Pour chaque classe granulaire de GR avant et après carbonatation, la teneur en pâte de ciment durcie des GR a été mesurée par la fraction dissoute dans l'acide salicylique (FSAS) (Zhao et al., 2013). La densité a été mesurée en utilisant le pycnomètre à l'hélium (Micromeritics AccuPyc 1330). La surface spécifique a été mesurée en utilisant la méthode BET (Brunauer-Emmett-Teller) dont l’analyse est basée sur l'adsorption de N2 (Micromeritics ASAP 2010). Le coefficient d'absorption d'eau de chaque classe granulaire a été mesuré selon la méthode décrite dans la norme européenne EN 1097-6. La porosité de la fraction 2,5/5mm des GR et de la fraction 1,25/2,5 mm de la pâte de ciment a été analysée en utilisant la technique de porosité au mercure avec la machine Micromeritics Autopore IV.

2.3 Résultats et discussions

La Figure 1 présente la variation de la teneur en pâte de ciment (FSAS) en fonction de la classe granulaire des GR, avant et après carbonatation: la FSAS augmente lorsque la taille des particules diminue. On peut aussi trouver une relation quasi-linéaire entre la FSAS et la taille des particules (R² vaut respectivement 0,99 et 0,86 pour les GR_AV et GR_AP). Les valeurs de FSAS obtenues pour les GR_AP sont nettement plus faibles que celles mesurées sur les GR_AV. Ce résultat provient d’une carbonatation de la pâte de ciment, ce qui réduit la fraction soluble par transformation de la portlandite en calcite, qui ne se dissout pas dans l'acide salicylique).

Figure 1. Variation de la FSAS en fonction de la taille des particules pour GR_AV et GR_AP

La Figure 2 présente la variation de densité en fonction de la classe granulaire des GR_AV et GR_AP : la densité augmente quand la taille des particules augmente. Pour toutes les fractions de GR, la densité des

y = -1,8713x + 27,559 R² = 0,9852 y = -0,5954x + 4,624 R² = 0,8647

0

5

10

15

20

25

30

35

0

1

2

3

4

F

S

A

S

(

%

)

Taille des particules (mm)

GR_AV

GR_AP est supérieure à celle des GR_AV. Cela est dû à nouveau à la transformation de la portlandite en calcite, qui a une densité plus grande que la portlandite. Après carbonatation, la pente de la droite de la densité en fonction de la taille des particules est inférieure à celle des GR_AV. Cela peut être expliqué par le fait que la fraction plus fine des GR a une teneur en pâte de ciment plus élevée que la fraction grossière et que la densité de celle-ci a augmenté suite à la carbonatation.

Figure 2. Variation de la densité en fonction de la taille des particules pour GR_AV et GR_AP

La Figure 3 représente la variation de la surface spécifique de BET de toutes les classes granulaires pour les GR_AV et GR_AP. La surface spécifique de BET augmente quand la taille de particules diminue pour les GR_AV et GR_AP. La carbonatation a pour effet une augmentation importante de la surface spécifique, ce qui est dû à la formation de petits cristaux de calcite provenant de la portlandite (augmentation confirmée par la distribution de la taille de pores mesurée par la porosité au mercure).

Figure 3. Variation de la surface spécifique en fonction de la taille des particules pour GR_AV et GR_AP

Le Tableau 2 montre l’absorption d'eau des quatre fractions granulaires des granulats recyclés avant et après carbonatation selon la norme EN 1097-6. L’absorption d’eau de la fraction 0/0,63mm a été obtenue par extrapolation de la relation entre l’absorption d’eau et la FSAS de trois fractions grossières selon la

y = 0,0222x + 2,4446

R² = 0,9464

y = 0,0069x + 2,5791

R² = 0,777

2,44

2,46

2,48

2,5

2,52

2,54

2,56

2,58

2,6

2,62

0

1

2

3

4

D

é

n

si

té

(

g

/c

m

)

Taille des particules (mm)

GR_AV

GR_AP

0

5

10

15

20

25

30

0/0,63 0,63/1,25 1,25/2,5

2,5/5

S

u

rf

a

ce

s

p

é

ci

fi

q

u

e

(

m

/g

)

Taille de particules (mm)

GR_AV

GR_AP

méthode proposée par (Zhao et al., 2013). On trouve que l’absorption d’eau obtenue pour les GR_AP est nettement inférieure à celle obtenue pour les GR_AV : l'absorption d'eau diminue de 26,3%, 28,5%, 33,1%, 35,3% pour les fractions 2,5/5 mm, 1,25/2,5mm, 0,63/1,25mm, 0/0,63mm, respectivement. Cela pourrait être attribué à la réduction de la porosité après la carbonatation. La Figure 4 présente la distribution de taille des pores de la pâte de ciment (fraction 1,25/2,5mm) et des GR (fraction 2,5/5mm) avant et après carbonatation par porosité au mercure. Pour les GR, on observe, après carbonatation une augmentation des pores compris entre 0,001 au 0,01 microns et entre 0,1 au 1 microns et une diminution pour ceux compris entre 0,01 au 0,1 microns. La même tendance est observée pour la pâte de ciment : les pores entre 0,01 au 0,1 microns peuvent être remplis par les produits carbonatés. La porosité de la fraction 2,5/5 mm de GR diminue après la carbonatation (à partir de 14,12% à 7,83%, mesurée par la porosité au mercure), ce qui est également indiqué par (Arandigoyen et al., 2006).

Tableau 2. Absorption d’eau des GR avant et après carbonatation, déterminée selon la norme EN 1097-6 Fractions (mm) GR_AV (%) GR_AP (%) Diminution après carbonatation (%)

0/0,63 9,82 6,35 35,3

0,63/1,25 9,37 6,27 33,1

1,25/2,5 7,79 5,57 28,5

2,5/5 7,12 5,25 26,3

Figure 4. La distribution de taille des pores de la pâte de ciment (fraction 1,25/2,5mm) et le GR (fraction 2,5/5mm), avant et après carbonatation.

Les résultats montrent, qu'après carbonatation accélérée au laboratoire, la fraction soluble dans l'acide salicylique diminue et que la densité et la surface spécifique des GR augmentent. La porosité des GR, quant à elle, diminue, ce qui conduit à une réduction de l'absorption d'eau des GR.

3. PRÉTRAITEMENT DES GRANULATS RECYCLÉS PAR HYDROFUGE

3.1 Matériaux

Les granulats recyclés produits dans des plateformes de concassage industrielles ont été utilisés pour cette partie de la recherche. Les granulats recyclés (0/31,5mm) ont été fournis par la société Tradecowall et le centre de recyclage de Valorem à Mont-Saint-Guibert (Belgique). Ces granulats recyclés ont été

-5 0 5 10 15 20 25 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 P o u rc e n ta g e d e d is tr ib u ti o n ( % )

Taille de pore (micron)

subdivisés et seules les fractions 5/10mm et 10/20mm ont été utilisées pour le prétraitement avec les agents hydrofuges.

Trois types d’agents hydrofuges à base de silane ont été utilisés pour ce prétraitement. Ceux-ci sont habituellement utilisés en tant qu’hydrofuge de surface de béton (traitement hydrophobe pour la protection de surface de béton) pour des structures de génie civil ou du bâtiment. Ces trois produits notés (H_A, H_B, H_C) se distinguent par leur pourcentage de matière active de 20%, 40% et 99%, respectivement.

3.2 Protocole expérimental

Les granulats recyclés (fraction 5/10mm, 10/20mm) ont été immergés pendant 5 minutes dans les trois types d’agents hydrofuges respectivement. Après trempage, les GR ont été séchés 48h dans une chambre climatisée à 21°C et à 65% d’humidité relative afin de permettre aux agents de polymériser et ainsi d’activer leurs propriétés hydrophobes. De plus, un deuxième trempage a été réalisé pour chaque hydrofuge.

Après le prétraitement, le coefficient d'absorption d'eau de chaque classe granulaire a été mesuré selon la méthode décrite dans la norme européenne EN 1097-6.

3.3 Résultats et discussions

La Figure 5 présente la variation de l’absorption d’eau des GR en fonction du nombre de trempages pour la fraction 5/10mm. Comme on peut le voir, l’absorption d’eau des GR diminue fortement après le prétraitement pour tous les types d’hydrofuges : l’hydrofuge modifie la tension superficielle des GR (de 80mN/m à 20mN/m), ce qui réduit la pénétration d’eau sous forme de liquide. L’absorption d’eau des GR diminue quand le nombre de trempages augmente. L’absorption d’eau des GR non traité est de 8,04% tandis que l’absorption d’eau des GR après deux trempages est de 1,67% pour H_A. On observe que la plus faible absorption d’eau des GR est obtenue pour le produit le moins concentré. Cela pourrait être attribué à une viscosité plus élevée du produit utilisé lorsque la concentration en produit actif augmente, conduisant à une plus faible pénétration du produit dans le GR. La même tendance a été observée pour la fraction 10/20mm.

Figure 5. Absorption d’eau des GR en fonction du nombre de trempages pour la fraction 5/10mm

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 A b so rp ti o n d 'e a u ( % ) Nombre de trempage H_A H_B H_C

4. BETONS PRÉFABRIQUÉS À BASE DE GRANULATS RECYCLÉS TRAITÉS PAR HYDROFUGE

4.1 Matériaux

Comme indiqué dans la section 3.3, le prétraitement avec hydrofuge peut diminuer l’absorption des granulats recyclés. Des GR prétraités avec l’hydrofuge A ont été utilisés pour la fabrication de béton. Trois bétons notés respectivement B_GN, B_GR, B_GRT à base de ciment CEM I 52,5 N et pour lesquels le gravillon utilisé est le gravillon naturel, le gravillon recyclé non traité, le gravillon recyclé traité par hydrofuge A, respectivement, ont été fabriqués. Le sable est un sable de Rhin (densité: 2,65 g/cm3). Le Tableau 3 présente les compositions des trois bétons, qui correspondent à des compositions pour la fabrication de hourdis en béton précontraint. Les gravillons naturels ont été remplacés par la même fraction et la même masse de granulats recyclés traités. Les gravillons recyclés ont été prétraités par deux trempages d’hydrofuge A. Les granulats naturels et recyclés ont été utilisés à l’état sec à l’air. L’eau ajoutée a été corrigée selon la teneur en eau des granulats et leur absorption d’eau. Une moitié de l’eau totale a été ajoutée pour pré-saturer les granulats dans le malaxeur 5 minutes avant l’ajout du ciment. L’autre moitié de l’eau a été ajoutée après l’introduction du ciment.

Tableau 3. Compositions des trois bétons (1m3)

B_GN B_GR B_GRT Gravillons 6/14 (kg) 309,7 282,4 278 Gravillons 2/8 (kg) 851,7 776,6 764,6 Sable 0/2 (kg) 774,2 706 695,1 Ciment (kg) 309,7 282,4 278 Eau efficace (kg) 159,7 145,6 143,4 Eeff/C 0,52 0,52 0,52 4.2 Protocole expérimental

Ces bétons ont été réalisés et conservés en immersion jusqu’au jour d’essai. Après mélange, l’affaissement des bétons a été mesuré avec le cône d'Abrams selon la norme EN 12350-2. La teneur en air du béton a été mesurée selon la norme EN 12350-7 et la masse volumique de béton frais selon la norme EN 12350-6.

La résistance à la compression a été mesurée selon la norme EN 12390-3 sur des échantillons cubiques (150mm x 150mm x 150mm). La résistance en traction directe du béton durci a été déterminée selon la norme NBN B 15-211. Ces deux tests mécaniques ont été effectués après 28 jours de cure dans une chambre à 20°C ±2°C et une humidité relative ≥ 95%.

4.3 Propriété de béton à l’état frais et à l’état durci

L’affaissement de béton observé est nul pour les trois bétons. L’ouvrabilité du béton est faible, ce qui est classiquement observé dans le milieu industriel pour la fabrication de hourdis (utilisant vibration mécanique pour la mise sur caisson). La masse volumique du béton est mesurée avec des valeurs de 2,405 g/cm3, 2,193 g/cm3, 2,159 g/cm3 respectivement pour les B_GN, B_GR et B_GRT: la masse volumique à l’état frais du béton de granulats recyclés est plus faible que celle de béton avec granulats naturels, ce qui est dû à la plus faible densité de gravillons recyclés comparée à la densité de gravillons naturels. La teneur en air du béton (2,7% pour le béton B_GN, 3,8% pour le béton B_GR et B_GR) est plus élevée lorsque le béton contient des GR, mais ne semble pas affectée par le traitement de surface de ceux-ci.

La Figure 6 présente la résistance en traction du béton durci après 28 jours. Les résistances en traction de béton avec GR sont plus faibles que celles de béton avec GN. La résistance en traction de béton avec GR traités est similaire à celle de béton avec GR non traités.

Figure 6. La résistance en traction pour trois bétons

La Figure 7 présente la résistance à la compression de béton durci après 28 jours : les résistances à la compression de bétons avec GR sont plus faibles que celles de béton avec GN. Après le prétraitement hydrofuge, la résistance à la compression de béton est plus faible que celle de béton avec GR non traité, probablement à cause de l’hydrofugation empêchant la pénétration d’eau dans les pores des GR et à l’interface plus poreuse (moins bonne qualité de l’interface entre la pâte et le granulat). Il faudrait néanmoins encore vérifier la microstructure à l’interface au moyen d’un microscope électronique. De plus, l’eau ajoutée dans le cas de B_GRT est plus grande que dans B_GR après la correction selon la teneur en eau des GR et l’absorption d’eau des GR (les GR sont utilisés secs à l’air). Dans le cas de B_GRT, l’eau à absorber représente une quantité importante qui pourrait augmenter Eeff si la cinétique d’absorption est lente. Cette eau a sans doute beaucoup plus de mal à entrer dans la porosité des granulats compte tenu du traitement de surface. Ceci peut avoir pour effet d’augmenter le rapport eau sur ciment dans la pâte et de diminuer les performances de la pâte. Ce résultat est confirmé par (Masato et al., 2007).

Figure 7. La résistance à la compression pour trois bétons

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 R é si st a n ce e n t ra ct io n ( M P a ) B_GN B_GR B_GRT 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 R é si st a n ce à l a c o m p re ss io n ( M P a ) B_GN B_GR B_GRT

5. CONCLUSION

Dans cette étude, deux méthodes de traitement des GR par carbonatation accélérée en laboratoire et par modification de l’état de surface des GR ont été étudiées. Les résultats montrent qu'après la carbonatation accélérée au laboratoire, la solubilité de la pâte de ciment durcie GR diminue (mesurée par dissolution à l'acide salicylique) et que la densité et la surface spécifique des GR augmentent. La porosité des GR, quant à elle, diminue, ce qui conduit à la réduction de l'absorption d'eau des GR.

Des agents hydrofuges à base de silane peuvent aussi diminuer l’absorption d’eau des GR. Des bétons à base de GR traités par hydrofuge montrent une diminution de résistance à la compression après le traitement. Des essais complémentaires sur le béton à base de GR traités par hydrofuge sont nécessaires afin de bien comprendre ce phénomène.

REMERCIEMENTS

Les auteurs remercient la société Lafarge pour la fourniture du ciment blanc et la société Holcim pour la fourniture des granulats naturels. Ils remercient également la société Tradecowall pour la fourniture des granulats recyclés et la société Prefer pour la fourniture de granulats naturels et de ciment pour la fabrication de béton. Enfin, les auteurs remercient la DGO6 du Gouvernement de Wallonie pour son soutien financier au travers du projet Beware Academia CONRePaD Composition de béton à base de granulats recyclés en utilisant la technique de compacité de l’empilement granulaire.

RÉFÉRENCES

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