Maîtrise de l’eau efficace dans les bétons de granulats recyclés

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recyclés

Eliane Khoury

To cite this version:

Eliane Khoury. Maîtrise de l’eau efficace dans les bétons de granulats recyclés. Génie civil. Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai; ifsttar, 2018. Français. �NNT : 2018MTLD0011�. �tel-02899810�

N°d’ordre :

THESE

Présentée en vue d’obtenir le grade de

DOCTEUR

Génie civil

Eliane KHOURY

Délivré par IMT LILLE DOUAI

Maîtrise de l’eau efficace dans les bétons de granulats

recyclés

Soutenue le 07 Décembre 2018 devant le jury d’examen:

Laboratoires d’accueil :

Laboratoire de Génie Civil et géo-Environnement-IMT Lille Douai

Rapporteur Mohammed SONEBI Professeur des universités, Université de Belfast Rapporteur Emmanuel ROZIERE Maître de conférences-HDR, Ecole Centrale de Nantes Membre Geert DE SCHUTTER Professeur des universités, Université de Gand Membre Eric GARCIA-DIAZ Professeur des universités, IMT Mines Alès Membre

Membre

Anne Lise BEAUCOUR Valérie SCIAMANNA

Maître de conférences, Université de Cergy-Pontoise Docteur, CTP Belgique

Directeur de thèse n°1 Sébastien REMOND Professeur des universités, IMT Lille Douai Directeur de thèse n°2 Bogdan CAZACLIU Directeur de recherche, IFSTTAR

« The more I analyze field data the more I

stand amazed at the work of the Creator. »

(Kindsley Ofosu-Ampong)

A ma famille, A mon père Georges,

Remerciements

La réalisation de ce travail a été possible grâce à la contribution de plusieurs personnes à qui je voudrais témoigner toute ma reconnaissance. Cette étude a été réalisée en collaboration entre deux laboratoires : le laboratoire de Génie Civil et géo-Environnement (LGCgE) au département Génie Civil et Environnemental (GCE) à l’IMT-Lille-Douai et le laboratoire de Granulats et Procédés Elaboration des Matériaux (GPEM) au département Matériaux et Structure (MAST) à l’IFSTTAR de Nantes.

Je tiens tout d’abord à remercier mes deux rapporteurs de thèse, Emmanuel ROZIERE et Mohammed SONEBI d’avoir accepté de rapporter ce mémoire. Egalement j’étais honorée que, Anne-Lise BEAUCOUR, Valérie SCIAMANNA, Éric GARCIA-DIAZ et Geert DESCHUTTER, fassent parti des membres du jury.

J’aimerais remercier particulièrement mes deux directeurs de thèse, Sébastien REMOND et Bogdan CAZACLIU. Sébastien et Bogdan, je vous remercie de m’avoir accordé votre confiance, votre rigueur et votre patience. Je vous remercie pour votre présence tant sur le plan scientifique qu’humain. Vous m’avez appris à être une chercheuse.

Je désire aussi remercier les deux équipes de GCE et GPEM de leur accueil et leur support moral et intellectuel tout au long de ma démarche. Un grand merci à Guillaume POTIER et Alexis COTHENET pour leur aide et leurs conseils dans les travaux expérimentaux au sein des deux laboratoires. Je tiens également et spécialement à remercier Nicole et Carole qui étaient plus que deux assistantes pour moi. Elles étaient le soutien moral durant mes temps difficiles dans les deux laboratoires. Un spécial merci à Khadija EL-CHEIKH de son accueil et son aide dans les essais expérimentaux au laboratoire de Magnel à l’université de Gand.

Etant venue seule en France, j’avais besoin d’un entourage solide pour survivre cette expérience de 3 ans. A Nantes et à Douai j’avais la chance de trouver des amis qui m’ont fourni le soutien et l’amitié dont j’avais besoin. Je tiens spécialement à vous remercier, Houda, Reine, Adrien, Philippe, Khadija, Pierre, Petra, Peter, Mireille, Antoine, Jean, Roland, Jaime, Noura, Joëlle, Joseph, … et tous ceux qui m’ont apporté leur soutien.

J’aimerais également remercier mes amis au Liban, qui sont toujours à mes côtés. Je vous aime, Charbel, Michel, Elias, Bertrand, David, Marcellino, Jessy, Johny, Tony, …

A mes meilleures amies, Perla, Mireille et Joanna. Milles mercis. Vous êtes toujours le support dont j’avais besoin. Je vous aime !

Enfin mes remerciements les plus profonds vont à ma famille pour leur soutien, leur existence paisible et leur amour, mon père Georges, ma mère Asmahan, mes sœurs Nicole et Rita, mon frère

“A doctorate study is the passion for extensive

research, reading, thinking, and writing.”

(Lailah Gigty Akita)

Résumé

Le monde est confronté à des problèmes environnementaux cruciaux comme la surexploitation des ressources naturelles et la production des millions de tonnes de déchets de construction et de démolition (C&D) dans le secteur du bâtiment et travaux publics (BTP). L’utilisation des granulats de béton recyclé (GBR) dans de nouveaux bétons paraît une solution pour ces deux problèmes.

Constitués de plusieurs composants (granulats naturels et pâte de ciment adhérente), les GBR ne sont à l’heure actuelle pas utilisés largement dans la formulation de nouveaux bétons. La mise en décharge demeure la principale solution pour éliminer ces matériaux. Les propriétés médiocres des GBR (forte absorption, hétérogénéité, …), comparativement aux granulats naturels, compliquent considérablement la détermination de la quantité d’eau efficace dans le béton frais.

Dans cette thèse deux problématiques sont étudiées : l’hétérogénéité des GBR et la possibilité de maîtriser l’eau efficace réelle dans le béton à base de granulats de béton concassé (GBC). Dans la première partie, une étude bibliographique va mettre en évidence la grande dispersion des résultats des essais de caractérisation des GBR et des propriétés des bétons recyclés à l’état frais et durci.

Dans la seconde partie, l’hétérogénéité des GBR est étudiée à différents niveaux. Tout d’abord, l’hétérogénéité est analysée par rapport aux impuretés granulaires. Pour ce faire l’influence de l’homogénéisation sur la représentativité des échantillons prélevés et sur l’hétérogénéité d’un lot de GBR est étudiée. Ensuite l’hétérogénéité des GBC d’une fraction granulaire étroite est étudiée par rapport à leur densité et à leur teneur en pâte de ciment. L’influence du malaxage du béton parent sur les propriétés des GBC produits après le concassage du béton est également étudiée. Enfin dans cette partie, l’hétérogénéité est analysée au niveau de la capacité d’absorption d’eau des GBC en fonction de leur état d’humidification initiale, de la teneur en eau initiale et de la localisation de cette eau dans les GBC.

méthode originale basée sur le suivi des courbes de puissance du malaxeur. Finalement, l’effet d’un malaxage sous vide relatif sur les propriétés des bétons à base de granulats naturels et des bétons à base de granulats de béton concassés est étudié.

A l’issue de la thèse, de nouvelles méthodes peuvent être utilisées pour caractériser l’hétérogénéité des GBR afin de bien maîtriser leurs propriétés, notamment leur capacité d’absorption d’eau ainsi que l’eau efficace réelle durant le malaxage de bétons à base de granulats recyclés.

Mots-clés: Granulats de béton recyclés (GBR), granulats de béton concassé (GBC),

hétérogénéité, teneur en pâte de ciment, absorption d’eau, humidité initiale, bétons de granulats recyclés, eau efficace, malaxage, malaxage sous vide partie1.

Abstract

The world faces crucial environmental issues such as the over exploitation of natural resources and the production of millions tons of construction and demolition wastes (C&D) in the building and public works sector. The use of recycled concrete aggregates (RCA), products of the C&D waste in new concretes seems a solution for these two problems.

Composed of several components (natural aggregates and adherent cement paste), RCA are not widely recommended in new concrete formulations, and landfilling is the main solution to eliminate these materials. Their poor properties (high absorption, heterogeneity, etc.), compared to natural aggregates, considerably complicates the determination of the effective water in fresh concrete.

In this thesis two issues are studied: the heterogeneity of RCA and the possibility of controlling effective water in recycled concrete.

In a first part, a bibliographic study will highlight the wide dispersion of the results of characterization tests of RCA and the properties of fresh and hardened recycled concrete. In a second part, the heterogeneity is studied at different levels. First, heterogeneity is analyzed according to granular impurities. For this purpose, the influence of homogenization on the representativeness of samples and on the heterogeneity of a batch of RCA is investigated. Then the heterogeneity of crushed concrete aggregates (CCA) of a narrow granular fraction is studied in relation to their density and their cement paste content. The influence of mixing of parent concrete on the properties of RCA produced after concrete crushing is then investigated. Finally, the heterogeneity is analyzed in terms of the RCA water absorption capacity according to their initial humidification state, initial water content and location of this water in the RCA. The third part consists of three experimental studies that intend to improve effective water control in the manufacture of recycled concrete. The absorption capacity and kinetics of RCA in a cement paste are first studied. Then, the evolution of effective water in fresh concrete during mixing is studied using an original method based on the power evolution of the mixer. Finally, the effect of vacuum mixing on the properties of ordinary and recycled concretes is investigated.

At the end of the thesis new methods can be used to characterize the heterogeneity of the RCA in order to control the determination of their properties, especially their water absorption capacity as well as the actual effective water during the mixing of recycled concretes.

Keywords: Recycled concrete aggregates (RCA), crushed concrete aggregates (CCA),

heterogeneity, cement paste content, water absorption, initial moisture, recycled aggregate concrete, effective water, mixing, vacuum mixing.

Table de matières

Remerciements ... i

Résumé ... v

Abstract ... vii

Table de matières ... ix

Liste des tableaux ... xvii

Liste des figures ... xix

Liste des abréviations et des symboles ... xxv

Introduction ... 1

Partie 1. Etat de l’art ... 5

Chapitre I. Bibliographie et contexte ... 7

I.1. Généralités sur les granulats recyclés ... 7

I.1.1. Production et traitement des déchets du BTP, un peu de statistiques ... 7

I.1.2. Production des granulats recyclés ... 9

I.1.3. Taux de recyclage (taux de substitution), normes et études bibliographiques ... 12

I.2. Caractérisation des Granulats de Béton Recyclés (GBR) ... 16

I.2.1. Définitions utiles ... 16

I.2.1.1. Masses Volumiques ... 16

I.2.1.2. Porosités ... 17

I.2.2. Absorption d’eau... 19

I.2.3. Teneur en pâte de ciment ... 22

I.2.3.1. Détermination de la teneur en pâte de ciment... 22

I.2.3.2. Influence de la teneur en pâte de ciment sur les propriétés des GBR 23 I.3. Hétérogénéité des GBR et échantillonnage... 25

I.4. Formulation des bétons recyclés à base de GBR ... 29

I.4.1. Maîtrise de l’eau efficace ... 29

I.4.2. Pré-humidification des GBR ... 31

I.5. Malaxage des bétons ... 33

I.5.1. Etapes physiques du malaxage d’un mélange granulaire humide ... 33

I.5.2. Mesure de la puissance consommée : un suivi de l’agglomération humide durant le malaxage du béton ... 35

I.5.3. Malaxage de bétons à base de GBR... 37

I.6. Démarche expérimentale adoptée ... 38

Partie 2. Hétérogénéité des granulats de béton recyclés, Une variabilité intrinsèque ... 39

Chapitre II. Hétérogénéité des granulats de béton recyclés par rapport aux impuretés granulaires ... 41

II.1. Introduction ... 41

II.2. Matériaux source et caractérisation ... 42

II.2.1. Origine des matériaux source ... 42

II.2.2. Caractérisation des matériaux source ... 43

II.2.2.1. Granulométrie ... 44

II.2.2.2. Masse volumique réelle et coefficient d’absorption d’eau ... 44

II.2.2.3. Classification des GBC de Gonesse ... 46

II.3. Procédure expérimentale ... 46

II.3.1. Constitution et homogénéisation du mélange par chargeur (C1) et ré-homogénéisation (C2) ... 46

II.3.2. Prélèvement des échantillons élémentaires de C1 et de C2 ... 48

II.3.3. Homogénéisation en malaxeur à béton (C3) et prélèvement des échantillons élémentaires ... 50

II.3.4. Echantillon global homogénéisé en laboratoire - L ... 52

II.3.5. Caractérisation des échantillons prélevés pour chaque phase (C1, C2, C3 et L) ... 52

II.4. Discussion des résultats et analyses ... 54

II.4.1. Analyse de l’influence de la manipulation sur la caractérisation des granulats recyclés ... 55

II.4.2. Analyse de l’hétérogénéité ... 58

II.4.3. Analyse de l’influence de la composition sur la caractérisation des granulats recyclés ... 63

II.5. Conclusion ... 66

Chapitre III. Caractérisation de l’hétérogénéité des granulats de béton concassé ... 69

III.1. Introduction ... 69

III.2. Procédure expérimentale ... 70

III.2.1. Matériaux ... 70

III.2.2. Jig à eau ... 71

III.2.3. Procédure de séparation au jig à eau ... 72

III.2.4. Caractérisation des GBC séparés par densité ... 73

III.2.4.1. Absorption d'eau ... 73

III.2.4.2. Vidéogranulomètre VDG ... 73

III.2.4.4. Porosimétrie à intrusion de mercure ... 74

III.2.4.5. Pycnomètre à hélium ... 74

III.2.4.6. Perte de masse entre 75 ° C et 475 ° C ... 74

III.3. Résultats ... 75

III.3.1. Densités ... 75

III.3.2. Distributions granulométriques ... 78

III.3.3. Teneur en pâte de ciment et densité réelle séchée des GBC ... 79

III.3.4. Capacité d’absorption dans l’eau ... 80

III.3.5. Porosité ... 83

III.4. Conclusion ... 87

Chapitre IV. Malaxage du béton et caractéristiques des granulats obtenus après concassage ... 89

IV.1. Introduction ... 89

IV.2. Matériaux et matériels ... 89

IV.3. Formulation et protocole de malaxage des bétons ... 90

IV.4. Caractérisation du béton ... 92

IV.5. Concassage du béton ... 93

IV.6. Caractérisation des granulats de béton concassés obtenus ... 94

IV.7. Résultats : Caractérisation des bétons avant concassage et des GBC après concassage ... 94

IV.8. Discussion et interprétation des résultats ... 97

IV.8.1. Variabilité de la porosité du béton et son influence sur la caractérisation des GBC ... 97

IV.8.2. Evolution du béton avec le temps de malaxage ... 99

IV.8.3. Influence du malaxage du béton parent sur les propriétés des GBC ... 100

IV.9. Conclusion ... 101

Chapitre V. Variabilité de l’eau absorbée par un granulat de béton concassé en fonction de son humidité initiale ... 103

V.1. Introduction ... 103

V.2. Procédure expérimentale ... 104

V.2.1. Matériaux ... 104

V.2.2. Mesure de la capacité d’absorption d'eau ... 104

V.2.2.1. Capacité d’absorption d’eau sous la pression atmosphérique ... 104

V.2.2.2. Capacité d’absorption d’eau sous une pression de 40-60 mbar ... 105

V.2.3. Méthode de pré-mouillage ... 106

V.2.4. Méthode de séchage à l’air libre, désorption... 106

V.2.6. Plan expérimental : Pré-mouillage et essais d'absorption ... 108

V.3. Résultats... 108

V.3.1. Cinétique d’absorption des granulats de béton recyclés secs dans l’eau ... 108

V.3.2. Cinétique de désorption des granulats de béton recyclés pré-humidifiés, séchage à l’air libre ... 110

V.3.3. Effet des méthodes de pré-humidification sur l’absorption d'eau des GBC dans l’eau ... 111

V.3.4. Porosité accessible et non accessible ... 113

V.5. Modèle physique d’absorption/désorption dans les GBC ... 119

V.6. Conclusion ... 121

Partie 3. Variabilité de l’eau efficace lors du malaxage d’un béton à base de GBC ... 123

Chapitre VI. Cinétique d’absorption des GBC dans une pâte de ciment ... 125

VI.1. Introduction ... 125

VI.2. Principe de la méthode de Bello ... 126

VI.3. Procédure expérimentale ... 127

VI.3.1. Matériaux ... 127

VI.3.2. Essai d’absorption dans la pâte de ciment ... 127

VI.3.3. Vérification des hypothèses de Bello dans la détermination de l’absorption dans la pâte ... 129

VI.4. Résultats ... 131

VI.4.1. Résultats des essais préliminaires avec des GBC hétérogènes ... 131

VI.4.2. Résultats des essais préliminaires avec des GBC homogènes ... 132

VI.5. Conclusion ... 136

Chapitre VII. Evolution de l’eau efficace lors du malaxage du béton à base de GBC .. 137

VII.2.2. Formulations et procédure de malaxage des bétons ... 138

VII.2.3. Essais sur le béton aux états frais et durcis ... 141

VII.2.3.1. Puissance consommée durant le malaxage du béton ... 141

VII.2.3.2. Affaissement ... 142

VII.2.3.3. Résistance à la compression ... 142

VII.3. Résultats et analyses ... 142

VII.3.1. Affaissement initial ... 142

VII.3.2. Puissance dissipée durant le malaxage du béton ... 144

VII.4. Interprétation des résultats d’enregistrement de la puissance consommée 146 VII.4.1. Malaxage à sec... 146

VII.4.2. Malaxage humide ... 149

VII.5. Evolution de l’eau efficace réelle durant le malaxage des bétons recyclés 151 VII.6. Estimation de l’eau absorbée par les GBC durant le malaxage des bétons recyclés ... 157

VII.7. Niveau de saturation dans les GBC ... 159

VII.8. Conclusion ... 162

Chapitre VIII. Effet du malaxage sous vide partiel des bétons à base de GN et des bétons à base de GBC ... 165

VIII.1. Introduction : pourquoi un malaxage sous vide partiel ? ... 165

VIII.2. Matériaux et matériels ... 166

VIII.3. Formulations et étapes de malaxage des bétons ... 169

VIII.4. Résultats... 170

VIII.4.1. Influence du malaxage sous vide partiel sur les propriétés rhéologiques et mécaniques des bétons à base de GN ... 170

VIII.4.2. Influence du malaxage sous vide partiel sur les propriétés rhéologiques et mécaniques des bétons base de GBC ... 173

VIII.4. Conclusion ... 175

Perspectives ... 183 Références bibliographiques ... 185 Standards ... 193

Annexes ... 195 Annexe 1 ... 197 Résultats bruts du chapitre II ... 197 Annexe 2 ... 207 Résultats bruts du chapitre III ... 207 Annexe 3 ... 209 Résultats bruts du chapitre VI ... 209 Annexe 4 ... 213 Résultats bruts du chapitre VII ... 213

Liste des tableaux

Tableau 1. Production de déchets selon les activités économiques et les ménages [1]. ... 8 Tableau 2. Récapitulatif de l’étude [27] investiguant l’influence du taux de remplacement des GN par des GBR sur le comportement du béton à l’état durcis et à l’état frais dans le cadre du projet PN Recybéton. ... 16 Tableau 3. Variabilité des propriétés des GBR, [45]. ... 26 Tableau 4. Temps nécessaires pour les étapes de malaxage pour contrôler l’eau efficace réelle dans le malaxage [34]. ... 37 Tableau 5. Résultats des essais granulométriques réalisés sur les composants sources, GBC, B et E. . 44 Tableau 6. Caractérisation des matériaux source – composants. ... 45 Tableau 7. Proportion de béton concassé %(BC), brique %(B), enrobé %(E), autres éléments (X) dans le GBC. ... 46 Tableau 8. Détermination des caractéristiques des composants source. ... 54 Tableau 9. Récapitulatif des moyennes et des écarts-type (±) des résultats des essais de caractérisation des échantillons prélevés de chaque étape de manipulation. ... 56 Tableau 10. Récapitulatif des essais de caractérisation des GBC. ... 75 Tableau 11. Récapitulatif des résultats de WA24 des GBC triés de la "Génération 1". ... 80 Tableau 12. Compacités des GBC produits après chaque génération de jig ... 84 Tableau 13. Elongations des différents échantillons des GBC triés de la Génération 2. ... 85 Tableau 14. Caractéristiques des matériaux utilisés dans la formulation du béton. ... 89 Tableau 15. Formulation de base du béton des 4 gâchées réalisées dans la thèse de J. Moreno [58]. .. 90 Tableau 16. Vitesse et temps de malaxage après ajout d’eau [58], ω 1 et ω 2 sont les deux vitesses de rotation du malaxeur planétaire. ... 91 Tableau 17. Masses volumiques, résistances à la compression et teneurs en air des échantillons des bétons prélevés lors du malaxage des 4 gachées à différentes vitesses de malaxage. . 95 Tableau 18 . Résultats des essais d’absorption (WA) et de détermination des masses volumiques réelles (MVr) des granulats de béton concassés... 96 Tableau 19. Résultats des essais d’absorption d’eau des GBC triés de Génération 2, les cases colorées en gris sont les GBC choisis pour reconstruire le lot de 120 kg du lot global des GBC utilisés dans cette étude. ... 107 Tableau 20. Plan expérimental pour les essais d’absorption et les états de pré-mouillage initiaux. ... 108 Tableau 21. Pondération massique pour calculer un coefficient d’absorption d’eau moyen du lot 120 kg de GBC. ... 114 Tableau 22. Densités réelles et absolues dans l’eau, dans le mercure ainsi que dans l’hélium des différentes classes de densité des GBC séparés dans le jig à eau. ... 115 Tableau 23. Porosités accessible et inaccessible à l’eau dans un lot de GBC 6.3/10mm avec les moyennes pondérées. ... 116 Tableau 24. Porosités accessible et inaccessible au mercure dans un lot de GBC 6.3/10mm avec les moyennes pondérées. ... 116 Tableau 25. Pondération massique pour les échantillons triés au jig. ... 118 Tableau 26. Matériaux utilisés dans les essais d’absorption dans la pâte de ciment. ... 127 Tableau 27. Résultats des essais d’absorption dans la pâte de ciment avec E/C= 0.5 pour des GBC secs (OD). Le même échantillon est utilisé pour la détermination d’absorption dans l’eau et dans la pâte de ciment à des échéances entre 5-120 minutes. ... 133

Tableau 29. Résultats des essais d’absorption dans la pâte de ciment avec E/C= 0.5 et pour des GBC sous-saturés sous air (air-USSS4%). Le même échantillon est utilisé pour la détermination de l’absorption dans l’eau et dans la pâte de ciment à des échéances entre 5-120 minutes. ... 134 Tableau 30. Résultats des essais d’absorption dans la pâte de ciment avec E/C= 0.5 et pour des GBC saturés sous air, air-SSS. Le même échantillon est utilisé pour la détermination d’absorption dans l’eau et dans la pâte de ciment à des échéances entre 5-120 minutes. ... 135 Tableau 31. Résultats des essais d’absorption dans la pâte de ciment avec E/C= 0.5 et pour des GBC saturés sous vide partiel, void-SSS. Le même échantillon est utilisé pour la détermination de l’absorption dans l’eau et dans la pâte de ciment à des échéances entre 5-120 minutes. ... 135 Tableau 32 : Propriétés des granulats utilisés dans les formulations de bétons. ... 138 Tableau 33 : Formulations des bétons de gravillons naturels et recyclés. ... 139 Tableau 34. Différents types d’eau qui peuvent être trouvés dans un mélange de béton à base de granulats naturels (GN) ou à base de GBC à différents états d’humidification initiale (OD, air-SSS, void-air-SSS, air-USSS1%,…) ... 140 Tableau 35. Proriétés des matériaux utilisés dans les formulations de bétons à Gand. ... 166 Tableau 36. Formulations des bétons de granulats naturels et recyclés secs avant le malaxage sous pression atmosphérique et sous vide partiel. ... 169 Tableau 37. Valeurs des D50, %4/8, %8/12.5 et %12.5/20 déterminées pour les échantillons prélevés de C1, C2, C3 et L. (Cc) et (Cp) représentent respectivement les échantillons prélevés au centre et en périphérie des galettes de C1 et C2, (Tdébut) et (Tfin) représentent les échantillons prélevés repectivement au début et à la fin de la vidange du malaxeur dans la phase d’homogénéisation C3. ... 200 Tableau 38. Résultats des essais de granulométrie par composant BC, B et E pour chaque échantillon prélevé. (Cc) et (Cp) représentent respectivement les échantillons prélevés au centre et en périphérie des galettes de C1 et C2, (Tdébut) et (Tfin) représentent les échantillons prélevés repectivement au début et à la fin de la vidange du malaxeur dans la phase d’homogénéisation C3. ... 201 Tableau 39. WA et masses volumiques déterminés pour chaque échantillon prélevé. (Cc) et (Cp) représentent respectivement les échantillons prélevés au centre et en périphérie des galettes de C1 et C2, (Tdébut) et (Tfin) représentent les échantillons prélevés repectivement au début et à la fin de la vidange du malaxeur dans la phase d’homogénéisation C3. ... 202 Tableau 40. Résultats des essais de classification des GBR prélevés. Pourcentage des composants : le béton concassé (BC), la brique (B) et l’enrobé (E). (Cc) et (Cp) représentent respectivement les échantillons prélevés au centre et en périphérie des galettes de C1 et C2, (Tdébut) et (Tfin) représentent les échantillons prélevés repectivement au début et à la fin de la vidange du malaxeur dans la phase d’homogénéisation C3. ... 203 Tableau 41. Valeurs des caractéristiques des échantillons des GBR recalculées à partir des teneurs des composants (résultats des essais de classification) et des caractéristiques de ces composants sources déterminées au début de la campagne expérimentale. ... 204 Tableau 42. Valeurs des caractéristiques des échantillons des GBR recalculées à partir des résultats des essais granulométriques par composant. ... 205 Tableau 43. Récapitulatif des résultats des essais d’affaissement des bétons à base de GN et des béton à base de GBC à conditions d’humidité initiale différentes. L’affaissement est mesuré pour chaque gâchée à t0 (Si), t0+30 (S30) et t0+60 (S60). ... 214

Liste des figures

Figure 1. Site de stockage des déchets de C&D. ... 9 Figure 2. Chantier de fabrication des granulats recyclés à partir de déchets de C&D. ... 10 Figure 3. Constituants des gravillons recyclés selon la norme [NF EN 206-1/CN]. ... 11 Figure 4. Taux de substitution par type de granulat recyclé, [NF EN 12620+A1]... 13 Figure 5. Porosités des pate de ciment portland carbonatées et non carbonatées [29]. ... 18 Figure 6. Cinétiques d’absorption des granulats naturels et des granulats de béton recyclés [36]. ... 20 Figure 7. Relation entre teneur en pâte de ciment des GBR et leur taille [44]. ... 23 Figure 8. Relation entre teneur en mortier adhérent et absorption des GBR [44]. ... 24 Figure 9. Corrélation entre la teneur en pâte de ciment et la densité des GBR [50]. ... 25 Figure 10. Schéma de la procédure de concassage dans l’étude de [45]. ... 27 Figure 11. Résultats des essais de granulométrie sur des échantillons de sable recyclé issus de différents prélèvements [27]. ... 28 Figure 12. Influence de la surestimation de l’absorption d’eau des GBR sur le comportement du béton frais et du béton durci [52]. ... 30 Figure 13. Influence de l’eau dans le béton recyclé sur son comportement à l’état frais [66]. La série C est un béton à base de granulats naturels et les séries de 0 à 5 sont des bétons recyclés. ... 32 Figure 14 . les étapes de l’agglomération humide [71]. ... 33 Figure 15. Comportement de croissance par étapes de la formation de l’agglomérat final produit [68].

... 34 Figure 16. Consommation de puissance et sa fluctuation lors du malaxage d’un béton autoplaçant [73].

... 35 Figure 17. Prise d’échantillons pour les granulats de béton concassé (GBC). ... 42 Figure 18. Elaboration de la brique concassée et prise d’échantillons. ... 43 Figure 19. Fraisât d’enrobés. ... 43 Figure 20. Courbes granulométriques des matériaux sources. ... 44 Figure 21. Formation du mélange global hétérogène - Stock homogénéisé par chargeur – C1. ... 47 Figure 22. Etalement du mélange hétérogène- stock homogénéisé par chargeur. ... 48 Figure 23. Quadrillage de la galette de mélange hétérogène - stock homogénéisé par chargeur. ... 48 Figure 24. Echantillonnage de la galette de mélange hétérogène - stock homogénéisé par chargeur. .. 48 Figure 25. Répartition des prélèvements du mélange homogénéisé après 3 cycles de chargement / déchargement avec chargeur – C1. Les échantillons de Cc sont : 2, 5, 10, et 18. Et ceux de Cp sont : 1, 11, 14, 20, 25, 31, 45, et 46. ... 49 Figure 26. Répartition des prélèvements du mélange homogénéisé après 6 cycles de chargement / déchargement avec chargeur – C2. Les échantillons de Cc sont : 25, 27, et 35. Et ceux de Cp sont : 1, 11, 13, 15, 17, 24, 48, 49, et 50. ... 50 Figure 27. Malaxeur et disposition des 8 zones de prélèvement sur tapis. ... 51 Figure 28. Distribution du granulat sur le tapis et prélèvement. ... 51 Figure 29. Localisation des échantillons prélevés du mélange homogénéisé par le malaxeur – C3. .... 51 Figure 30. Homogénéisation échantillon global en laboratoire – L. ... 52 Figure 31. Détermination de WA24 et des densités réelles selon NF EN 1097-6. ... 53 Figure 32. Essai de classification selon [NF EN 933-11]. ... 53 Figure 33. Influences des étapes de manutention (C1, C2 et C3) sur D50 (mm), par échantillon GBR et par composant (GC, B et E). Les valeurs ± correspondent aux écarts-type des résultats. ... 55

Figure 35. Comparaison D50 (mm) des échantillons prélevés au début de la vidange Tdébut du malaxeur (étape de manutention C3) avec des échantillons prélevés à la fin de vidange Tfin. Les valeurs ± correspondent aux écarts-type des résultats. ... 57 Figure 36. Ecarts-type sur les résultats des essais de classification par échantillon pour chaque étape de manipulation (C1, C2, C3 et L). ... 58 Figure 37. Ecarts-type sur les résultats des essais de classification par échantillon pour les étapes de manipulation C1 et C2 tout en distinguant entre les échantillons localisés au centre des galettes Cc et ceux localisés aux périphériques Cp. ... 59 Figure 38. Ecarts-type sur les résultats des essais de classification par échantillon pour l’étape de manipulation C3 tout en distinguant entre les échantillons prélevés au début de vidange (Tdébut) et ceux à la fin de vidange (Tfin). ... 59 Figure 39. Ecarts-type sur les résultats des essais granulométriques D50 par échantillon (GBR) et par composant (BC, B et E) pour chaque étape de manipulation (C1, C2 et C3). ... 60 Figure 40. Ecarts-type sur les résultats des essais granulométriques D50 par échantillon (GBR) et par composant (BC, B et E) pour les étapes de manipulation C1 et C2 (par chargeur) en distinguant les valeurs des échantillons localisés au centre des galettes (Cc) et de ceux localisés en périphérie (Cp). ... 61 Figure 41. Ecarts-type sur les résultats des essais granulométriques D50 par échantillon (GBR) et par composant (BC, B et E) pour l’étape de manipulation C3 (malaxeur) en distinguant les valeurs des échantillons prélevés en début de vidange (Tdébut) et ceux à la fin de vidange (Tfin). ... 61 Figure 42. Ecarts-type sur les résultats des essais d’absorption par échantillon pour chaque étape de manipulation (C1, C2, C3 et L). ... 62 Figure 43. Ecarts-type sur les résultats des essais d’absorption par échantillon pour les étapes de manipulation C1 et C2 tout en distinguant entre les échantillons localisés au centre des galettes Cc et ceux localisés en périphérie Cp. ... 62 Figure 44. Ecarts-type sur les résultats des essais de classification par échantillon pour l’étape de manipulation C3 tout en distinguant entre les échantillons prélevés en début de vidange (Tdébut) et ceux à la fin de vidange (Tfin). ... 62 Figure 45. Récapitulatif de la procédure expérimentale et des étapes des ré-calcul des caractéristiques des échantillons prélevés. ... 63 Figure 46. Comparaison des résultats des essais granulométriques déterminés par échantillon (D50) avec ceux calculés pour chaque échantillon à partir des teneurs et des caractéristiques des composants (D50’)... 64 Figure 47. Comparaison des résultats des essais granulométriques déterminés par échantillon (D50, %4/8, %8/12.5 et %12.5/20) avec ceux calculés pour chaque échantillon à partir des résultats granulométriques par composant (D50’’, %4/8’’, %8/12.5’’ et %12.5/20’’). ... 65 Figure 48. Comparaison des résultats des essais d’absorption et de détermination des masses volumiques réelles déterminés par échantillon (WA et MVr) avec ceux calculés pour chaque échantillon à partir des résultats granulométriques par composant (WA’’ et MVr’’ ). 65 Figure 49. Granulats de béton concassé 6.3/10 mm utilisés. ... 70 Figure 50. Méthode de réduction d’un échantillon global de laboratoire (ici le lot de GBC de 120 kg), [NF EN 932-2]. ... 70 Figure 51. Jig à eau du laboratoire GPEM-IFSTTAR, AllMineral Company, model Alljig S 400/600X400®. ... 71 Figure 52. Procédure expérimentale de l’essai de séparation au jig à eau, séparation des GBC par densité en 3 générations. ... 73 Figure 53. Densités réelles des GBR de " Génération 1" variant dans les niveaux du jig. ... 76 Figure 54. Densités réelles des GBC de "Génération 2" variant dans les couches du jig. ... 76 Figure 55. Densités absolues à l’eau des GBC de "Génération 1" variant dans les niveaux du jig... 77 Figure 56. Densités absolues à l’eau des GBC de "Génération 2" variant dans les niveaux du jig... 77 Figure 57. Répartition des tailles de particules pour 5 échantillons de GBC triés de la "Génération 2" des essais au jig. ... 78

Figure 58. Variation du diamètre D50 des GBC de "Génération 1", "Génération 2" triés et du GBC hétérogène en fonction de leur densité réelle séchée. ... 79 Figure 59. ΔML75°C-475°C en fonction de la densité réelle des GBC triés par densité de la "Génération 2". ... 79 Figure 60. Variation de WA24 de GBC triés de "Génération 1" en fonction de la couche au JIG... 81 Figure 61. Variation de WA24 de GBC triés de "Génération 2" en fonction de la couche au JIG. ... 81 Figure 62.Variation de l'absorption d'eau de GBC triés de "Génération 3" en fonction de la hauteur de la couche dans le JIG. ... 82 Figure 63. Distribution de la taille des pores de huit échantillons de GBC triés de la "Génération 2". 83 Figure 64. Dimensions d’un grain des GBC. ... 84 Figure 65. Distribution volumique et distribution de volume cumulé de WA24 de 120 kg de 6.3 / 10 mm de GBC. ... 86 Figure 66. Malaxeur Skako-Couvrot DMX1500 au laboratoire GPEM, IFSTTAR-Nantes. ... 90 Figure 67. Trappe d’échantillonnage située dans un latéral du malaxeur [58]. ... 92 Figure 68. Moules pour confection d’éprouvettes cubiques 10x10x10 cm [59]. ... 92 Figure 69. Presse pour essai de résistance à compression du béton [58]. ... 93 Figure 70. Poste de pesage et concassage des blocs. ... 93 Figure 71. Echantillons en absorption pendant 24h. ... 94 Figure 72. Comparaison des coefficients d’absorption WA24 (%) des GBC de deux fractions granulaires différentes 4/10 et 10/20. ... 97 Figure 73. Evolution de l’absorption des GBC 4/10 en fonction de la teneur en air des bétons parents.

... 98 Figure 74. Evolution de l’absorption des GBC 10/20 en fonction de la teneur en air des bétons parents.

... 99 Figure 75. Evolution de la résistance à la compression des bétons issus de différentes gâchées à différentes vitesses de malaxage et prélevés au cours du malaxage. ... 99 Figure 76. Evolution de la masse volumique des éprouvettes cubiques des bétons issus de différentes gâchées à différentes vitesses de malaxage et prélevés au cours du malaxage. ... 100 Figure 77. Relation entre la masse volumique des bétons et leur résistance à la compression. ... 100 Figure 78. L’évolution de l’absorption des GBC (4/10 et 10/20) avec le nombre de tours du malaxeur.

... 101 Figure 79. Essai d’absorption selon la norme [NF EN 1097-6]. ... 104 Figure 80. Cellule de saturation sous vide partiel. ... 105 Figure 81. Différence entre les cinétiques d'absorption d'eau des GBC 6.3 / 10mm initialement secs dans l'eau sous basse pression de 40 mbar (vide partiel) et sous la pression atmosphérique. ... 109 Figure 82. Évolution de la teneur en eau dans les GBC pré-mouillés laissés sécher par simple évaporation dans l'air libre. ... 110 Figure 83. Capacité d’absorption d’eau des GBC dans différents états de pré-humidification, air-USSS, void-USSS, air-SSS et void-SSS. Les barres rouges représentent l’eau initialement présente dans les GBC après leur humidification et avant leur deuxième immersion dans de l’eau sous la pression atmosphérique. Les barres rouges avec motif correspondent à la pré-humidification sous vide partiel. Les barres vertes représentent l’eau absorbée par les GBC après la seconde immersion dans l’eau (re-saturation). ... 111 Figure 84. Évolution de la différence de capacité d'absorption d'eau entre le pré-mouillage à long et à court terme (LT-CT) en fonction de la teneur en eau initiale des GBC aux états USSS. ... 112 Figure 85. Différentes densités pour les GBC triés de "Génération 2" en fonction de leurs coefficients d’absorption d’eau WA24 avec les équations et coefficients de détermination R2 _pour chaque courbe. ... 113 Figure 86. Distribution de taille des pores au parasimètre à mercure pour l’échantillon reconstitué de

Figure 88. Porosité mesurée par intrusion de Mercure en fonction de la porosité accessible à l’eau déterminée par la norme NF EN 1097-6. ... 118 Figure 89. Localisation de l’eau présente dans les GBC pour différents modes de pré-humidification.

... 119 Figure 90. Principe de la détermination de l’absorption d’eau des granulats poreux dans une pâte de ciment selon la méthode de Bello [83]. ... 126 Figure 91. Protocole expérimental des essais d’absorption des GBC dans la pâte de ciment. ... 128 Figure 92. Pâte de ciment passante et grains enrobés de pâte de ciment après séchage. ... 129 Figure 93. Schéma d’un GBC entouré d’une nouvelle pâte de ciment divisée en deux partie : pâte enrobée (E/C)E et pâte participant à la rhéologie du mélange (GBC/pâte) (E/C)R. .... 130 Figure 94. Calorimètre isotherme développé au département GCE-IMT-Douai. ... 130 Figure 95. Résultats de la calorimétrie de la pate de ciment à E/C=0.5. ... 131 Figure 96. Résultats des essais d’absorption dans l’eau et dans la pâte de ciment des GBC hétérogènes secs après séchage à 75°C... 132 Figure 97. Détermination du coefficient d’absorption dans la pâte de ciment des GBR homogènes, 10 échantillons différents sont utilisés. ... 132 Figure 98. 5 échantillons utilisés, le même échantillon est utilisé pour les deux essais d’absorption dans l’eau et dans la pâte de ciment à une échéance donnée. ... 133 Figure 99. Comparaison de l’absorption des GBC dans l’eau et dans la pate en fonction de leurs états d’humidification initiale. ... 136 Figure 100. Malaxeur intensif type Eirich de 5 litres. ... 141 Figure 101. Affaissements initiaux des bétons recyclés contenant 100% de GBC, séchés au four (OD), saturés surface sèche (void-SSS et air-SSS) pré-humidifiés à long terme (void-USSS) et pré-humidifiés à court terme (air-USSS) pour différents Eeff(th) / P. ... 143 Figure 102. Évolution de la puissance du malaxeur avec le temps de malaxage pour le béton avec un rapport Eeff (th)/P proche de 0.34 et des conditions d'humidité initiales différentes pour les GBC; l'affaissement initial (si) de chaque condition d'humidité initiale est indiqué dans la légende. ... 144 Figure 103. Puissance moyenne durant le malaxage à sec des composants en fonction du rapport Eeff(th) / P et de l'humidité initiale des GBC incorporés. ... 146 Figure 104. Moyenne, pour les quatre rapports Eeff (th)/ P, de la puissance lors du malaxage à sec des composants des bétons recyclés en fonction de l’état d'humidité initiale wi et avec deux modes de pré-humidification court-terme CT (sous air) et long-terme LT (sous vide). Les points présentés dans ces deux graphes sont les moyennes des résultats présentés dans la Figure 103 avec les écarts-type. ... 147 Figure 105. Puissance au début du malaxage humide du béton en fonction du rapport Eeff / P et de l'humidité initiale des GBR incorporés. ... 149 Figure 106. Puissance à la fin du malaxage humide du béton en fonction du rapport Eeff / P et de l'humidité initiale des GBR incorporés. ... 150 Figure 107. Courbes de puissance enregistrées durant le malaxage de bétons de GN à quatre rapports Eeff/P= 0.34 à 0.37, (les affaissements initiaux sont notés dans la légende). ... 151 Figure 108. Puissance durant le malaxage sec des bétons à base de GN et de GBC secs. Chaque puissance est la moyenne de 4 puissances enregistrées pour 4 gâchées de béton. ... 152 Figure 109. Intersection de la courbe de puissance enregistrée durant le malaxage d’un béton recyclé dont les GBC sont saturés sous vide partiel et Eeff (th) /P =0.337 (void-SSS 0.337) avec celles des quatre bétons de granulats naturels. Les points A, B, C et D sont quatres points d’intersection entre les courbes. ... 153 Figure 110. Cas de non intersection entre la courbe de puissance enregistrée durant le malaxage d’un béton recyclé dont les GBC sont pré-humidifié à CT avec wi=1% et Eeff (th)/P=0.337 (air-USSS1% 0.337) avec celles des quatre bétons de GN. ... 153 Figure 111. Évolution des rapports Eeff (réelle)/P pour les bétons recyclés avec GBC secs pour différents rapports théoriques Eeff (th) / P. ... 154

Figure 112. Évolution des rapports Eeff (réelle)/P pour les bétons recyclés avec GBC pré-humidifiés à CT et à LT avec deux wi= 1ou 1.2 et 2% pour différents rapports théoriques Eeff (th)/ P. ... 155 Figure 113. Évolution des rapports Eeff (réelle)/P pour les bétons recyclés avec GBC pré-humidifiés à CT et à LT avec deux wi= 3 ou 3.2 et 4 ou 4.3% pour différents rapports théoriques Eeff (th)/ P. ... 156 Figure 114. Évolution des rapports Eeff (réelle)/P pour les bétons recyclés avec GBC pré-saturés à CT sous air et à LT sous vide partiel avec deux wi= 4.9 et 6% respectivement pour différents rapports théoriques Eeff (th)/ P. ... 157 Figure 115. Capacité d’absorption d’eau des GBC dans différents états de pré-humidification, OD,

air-USSD et void-air-USSD. Les barres rouges représentent l’eau initialement présente dans les GBC après leur humidification et avant leur incorporation dans le mélange du béton sous la pression atmosphérique. Les barres rouges avec motif correspondent à la pré-humidification sous vide partiel. Les barres vertes représentent l’eau absorbée par les GBC au cours du malaxage du béton... 158 Figure 116. Capacité d’absorption d’eau des GBC dans différents états de pré-humidification,

air-USSS4%, void-USSS4.3%, air-SSS et void-SSS. Les barres rouges représentent l’eau initialement présente dans les GBC après leur humidification et avant leur incorporation dans le mélange du béton sous la pression atmosphérique. Les barres rouges avec motif correspondent à la pré-humidification sous vide partiel. Les barres vertes représentent l’eau absorbée par les GBC au cours du malaxage de béton. ... 159 Figure 117. Comparaison entre Eeff (réelle)/P avec Eeff (th)/P à deux instants du malaxage T=105 s (à gauche) et T=335s (à droite). ... 160 Figure 118. Comparaison des rapports de l’eau efficace réelle sur poudre déterminé à T=335s et de l’eau efficace théorique sur poudre en fonction des taux de saturation des GBC au début de la fabrication de bétons. ... 161 Figure 119. Malaxeur sous vide partiel du laboratoire Magnel à l’université de Gand. ... 167 Figure 120. Essai d’affaissement avec le cȏne d’Abrams. ... 167 Figure 121. Moules pour confection d’éprouvettes cubiques 15x15x15 cm. ... 168 Figure 122. Dispositif d’essai au rhéomètre ICAR. ... 169 Figure 123. Etapes de malaxage à presion atmosphérique et sous vide partiel des bétons de granulats naturels et de bétons à base de GBC. ... 170 Figure 124. Résultats des essais à l’état frais pour les bétons à base de GN en fonction du rapport Eeff(th)/P et du mode de malaxage: affaissement initial (à gauche) et seuil d’écoulement dynamique (à droite). ... 171 Figure 125. Evolution de l’affaissement au cours du temps de repos des bétons de GN pour différents Eeff (th)/P et pour les deux modes de malaxage sous pression atmosphérique et sous vide partiel. ... 172 Figure 126. Résistance à la compression à 28 jours Rc28 des bétons de GN en fonction de Eeff (th)/P et pour les deux modes de malaxage ordinaire et sous vide partiel. ... 173 Figure 127. Résultats des essais à l’état frais pour les bétons à base de GBC en fonction du rapport Eeff(th)/P et du mode de malaxage: affaissement initial (à gauche) et seuil d’écoulement dynamique (à droite). ... 173 Figure 128. Evolution de l’affaissement au cours du temps de repos des bétons de GBC pour différents Eeff/P pour les deux modes de malaxage ordinaire et sous vide partiel. ... 174 Figure 129. Résistance à la compression à 28 jours Rc28j des bétons de GBC en fonction du rapport Eeff/P et pour les deux modes de malaxage ordinaire et sous vide partiel. ... 175 Figure 130. Courbes granulométriques échantillons du stock homogénéisé par chargeur-C1. ... 198 Figure 131. Courbes granulométriques échantillons du stock ré-homogénéisé par chargeur-C2. ... 198 Figure 132. Courbes granulométriques échantillons du stock homogénéisé dans un malaxeur-C3. ... 199 Figure 133. Courbes granulométriques des échantillons élémentaires de l’échantillon global

Figure 135. Répartition des tailles de particules pour des échantillons de GBR triés de différentes densités de la Génération 2 des essais au jig, après les essais de VDG. ... 207 Figure 136. Résultats des essais d’absorption dans l’eau et dans la pâte de ciment des GBC hétérogènes secs après séchage à 105°C... 209 Figure 137. Résultats des essais d’absorption dans la pâte de ciment avec E/C=0.5 pour les GBR homogènes secs triés au jig par densité. ... 209 Figure 138. Résultats des essais d’absorption dans la pâte de ciment avec E/C=0.5 pour les GBR homogènes pré-saturés sous air (air-SSS) triés au jig par densité. ... 210 Figure 139. Résultats des essais d’absorption dans la pâte de ciment avec E/C=0.5 pour les GBR homogènes pré-saturés sous vide partiel(void-SSS) triés au jig par densité... 210 Figure 140. Résultats des essais d’absorption dans la pâte de ciment avec E/C=0.5 pour les GBR homogènes pré-humidifiés sous air d’une quantité d’eau initiale wi=1% (air-SSS1%) triés au jig par densité. ... 211 Figure 141. Résultats des essais d’absorption dans la pâte de ciment avec E/C=0.5 pour les GBR homogènes pré-humidifiés sous air d’une quantité d’eau initiale wi=4% (air-SSS4%) triés au jig par densité. ... 211 Figure 142. Résistance des essais de résistance à la compression à 28 jours des bétons de GN et de GBC réalisés dans le chapitre VII. Quatre rapports Eeff (th)/P sont choisis pour chaque formulation de béton. Les bétons de GBC sont formulés en utilisant des GBC à différents états d’humidité initiale. ... 213 Figure 143. Évolution de la puissance du malaxeur avec le temps de malaxage pour le béton recyclé avec plusieurs rapports Eeff(th)/P et différentes conditions d'humidité initiale des GBC. ... 215

Liste des abréviations et des symboles

AD, (air dried) séché à l’air B, brique

BC, béton concassé

BTP, bâtiments et travaux publics C&D, construction et démolition C, ciment

CT, court terme E, enrobé

GBR, granulat de béton recyclé GBC, granulat de béton concassé GN, granulat naturel

LT, long terme OD, (oven dried) sec Pdc, pâte de ciment

SSS, saturé à surface sèche SN, sable naturel

Symboles :

ɛ, porosité interstitielle, porosité inter-granulaire ρrd, masse volumique réelle séchée à l’étuve ρa, masse volumique absolue

ρS, masse volumique d’une poudre déterminée à partir d’un essai au pycnomètre à hélium sur matériau broyé

Ꞷ1 et Ꞷ2, deux vitesses angulaires dans le malaxeur Skako-Couvrot au GPEM, Ifsttar

Notations :

∆ML75°C-475°C, perte de masse des GBC entre 75°C et 475°C

C1, première étape d’homogénéisation dans le projet d’échantillonnage C2, deuxième étape d’homogénéisation dans le projet d’échantillonnage C3, troisième étape d’homogénéisation dans le projet d’échantillonnage

CC, échantillons prélevés au centre des galettes de granulats aux étapes C1 et C2 CP, échantillons prélevés aux périphériques des galettes de granulats aux étapes C1 et C2

D50, médiane ou taille pour laquelle les passants cumulés sont à 50 %, valeur déterminée selon la norme

D’50, valeur calculée à partir les résultats des essais de classification des échantillons et de la granulométrie des composants sources

D’’50, valeur calculée à partir les résultats des essais de classification des échantillons et de la granulométrie des échantillons par composant

E0, eau efficace initiale présente dans la pâte de ciment avant la fin de l’essai d’absorption des GBC dans la pâte

Eeff, eau efficace

Eeff(th), eau efficace théorique calculée selon la norme NF EN 206-1

Eeff(réelle), eau efficace réellement présente au sein de la pâte de ciment à un instant

donné du malaxage, à l’exclusion de l’eau présente dans la porosité des granulats Eajout, eau de gâchage ajoutée à la fin du malaxage à sec des constituants du béton

ESP, eau apportée par le superplastifiant Etotale, eau totale présente dans le béton

L, échantillon global à l’échelle du laboratoire MSSS, masse à l’état saturé à surface sèche

M0, masse initiale des GBC (secs ou saturés) dans les essais d’absorption dans la pâte de ciment

MIP, (mercury intrusion porosimetry) porosimétrie au mercure

MVr, masse volumique réelle déterminée selon la norme NF EN1097-6

MVr’, masse volumique réelle calculée à partir les résultats des essais de classification des échantillons et de granulométrie des composants sources

MVr’’, masse volumique réelle calculée à partir les résultats des essais de classification des échantillons et de granulométrie des échantillons par composant

MOD, masse séchée au four

Tdébut, échantillons obtenus au début de la vidange du malaxeur à la troisième étape C3 Tfin, échantillons obtenus à la fin de la vidange du malaxeur à la troisième étape C3 VP, volume de vide entre les particules

VS, volume total de solide

VT, volume total occupé par les particules

WA24, coefficient d’absorption des granulats déterminé selon la norme européenne NF EN1097-6 après une immersion dans l’eau durant 24h

WA(t), coefficient d’absorption des granulats déterminé selon la norme européenne NF EN1097-6 après une immersion dans l’eau durant un temps (t)

X, autres constituants présents dans le mélange des GBR

air-USSS1.4%, air-USSS2.3%, air-USSS3.5%, air-USSS4.3%, GBR sous-saturés à surface sèche sous air avec pulvérisation des quantités d’eau initiales égales à 1.4, 2.3, 3.5 et 4.3% de la masse sèche des GBR respectivement

si, affaissement initial du béton

void-USSS1.4%, air-USSS2.3%, air-USSS3.2%, air-USSS4.3%, GBR sous-saturés sous vide avec des quantités d’eau initiales égales à 1.4, 2.3, 3.2 et 4.3% de la masse sèche des GBR respectivement

void-SSS, GBC saturé à surface sèche après une immersion dans l’eau sous vide partiel pendant 24h

Introduction

Le concept de développement durable est devenu un défi pour le monde et un enjeu stratégique. Chaque année, en France, le secteur du bâtiment et des travaux publics (BTP) produit environ 300 millions de tonnes de déchets. De nombreux pays ont fait de gros efforts pour traiter de grandes quantités de déchets de construction et de démolition (C&D) afin de les réincorporer dans le cycle de vie de la construction. Ces déchets sont principalement constitués de matériaux inertes et non dangereux qui comprennent une partie importante de béton concassé. Généralement, le traitement de ces déchets commence par un tri manuel suivi d’une séparation magnétique, d’un concassage, et d’un tamisage. De très grandes quantités de granulats de béton recyclés (GBR) sont ainsi produites.

Par ailleurs, le secteur du BTP consomme de très grandes quantités de matières premières naturelles. De plus, la mise en décharge des déchets de C&D devient très coûteuse. Dans ce contexte, les GBR pourraient être utilisés à la place des granulats naturels dans différentes applications du secteur du BTP.

Jusqu’à maintenant, les GBR sont surtout utilisés dans le secteur du BTP en travaux publics, en remblais dans les projets de drainage ou comme matériaux de base dans la construction routière. Les GBR étant issus de la démolition de bétons de structure sont des matériaux à priori de bonne qualité et qui devraient donc pouvoir être valorisés dans des applications à plus haute valeur ajoutée. Cependant, la réutilisation de ces granulats pour produire de nouveaux bétons n'a pas encore été largement adoptée, et la mise en décharge demeure la solution la plus simple pour s’en débarrasser.

La difficulté majeure dans l'utilisation des granulats recyclés dans la formulation de nouveaux bétons est liée à leur forte absorption d'eau et à l’hétérogénéité temporelle de cette caractéristique ce qui complique considérablement la détermination de la quantité d’eau efficace dans le béton frais.

Une grande dispersion des résultats peut être observée dans la littérature, principalement causée par les différentes sources et la qualité des bétons d’origine qui sont recyclés. Plusieurs études mettent en évidence l’hétérogénéité importante des GBR et confirment la nécessité de contrôler leurs propriétés pour différentes applications et surtout pour

en termes de propriétés du béton frais (maniabilité) et du béton durcit (résistance à la compression).

Plusieurs solutions techniques sont proposées dans la littérature pour améliorer la qualité des GBR avant de les incorporer dans de nouvelles formulations de béton. L'une d’entre elles consiste à éliminer la teneur en pâte de ciment résiduelle dans les granulats par un traitement chimique, thermique ou mécanique. Cependant, ces solutions génèrent des coûts importants supplémentaires à l’échelle industrielle.

La pré-saturation des GBR pourrait également être une solution technique potentielle pour palier à l’absorption différée de l’eau dans le béton. Cependant, cette opération reste une tâche très complexe pour la production industrielle des bétons recyclés.

Ainsi, une meilleure compréhension et une bonne caractérisation des propriétés des GBR sont nécessaires pour palier à leur hétérogénéité et pouvoir fabriquer du béton recyclé. Une bonne estimation de leurs caractéristiques permettrait en effet d’optimiser leur utilisation dans de nouvelles formulations de béton recyclé. La détermination précise de la capacité et de la cinétique d'absorption d'eau et la connaissance de l'état initial d‘humidification des GBR sont ainsi nécessaires. De plus, il est également nécessaire de bien comprendre les échanges d’eau qui se produisent entre les GBR et l’eau au sein de la pâte de ciment fraîche au cours du malaxage du béton pour déterminer plus précisément l’eau efficace réelle du béton recyclé.

Dans cette thèse deux problématiques sont étudiées : l’hétérogénéité des GBR et la possibilité de maîtriser l’eau efficace dans le béton recyclé. Pour ce faire le travail est divisé en trois parties.

La Partie 1 est composée d’un seul chapitre (Chapitre I) qui présente une étude bibliographique approfondie réalisée afin de mieux comprendre ces deux problématiques et le contexte. Cette étude de la littérature va nous permettre de mieux cerner les contraintes s’opposant à l’utilisation des GBR dans la production de nouveaux bétons recyclés dès leur production en passant par leur caractérisation jusqu’à leur utilisation dans la fabrication des bétons recyclés.

La Partie 2 comporte 4 chapitres. Dans cette partie l’hétérogénéité des granulats de béton recyclés est analysée à différents niveaux.

Dans le Chapitre II, l’hétérogénéité des granulats de béton recyclés est investiguée par rapport aux impuretés granulaires. Une campagne expérimentale est réalisée dans le cadre

du projet PN Recybéton afin de répondre à plusieurs questions sur la variabilité des granulats recyclés. Pour ce faire, un lot de granulats recyclés est constitué de trois composants sources : le béton concassé, la brique et l’enrobé, à une échelle industrielle. Ensuite, trois analyses seront faites: - l’influence de la composition sur la caractérisation des granulats recyclés, - l’influence de la manipulation d’un lot industriel sur la caractérisation et enfin - l’hétérogénéité des granulats recyclés eux-mêmes par rapport à leurs propriétés (composition, taille et absorption). Dans le Chapitre III, l’hétérogénéité de granulats de béton concassé (GBC) est étudiée par rapport à leur densité et leur teneur en pâte de ciment. Dans cette étude, un lot de GBC est séparé par densité dans un jig à eau au laboratoire. Des essais de caractérisation des échantillons triés par densité sont réalisés. Les résultats mettent en évidence que de très grandes disparités peuvent être présentes dans la teneur en pâte de ciment adhérente dans une fraction granulaire étroite, ce qui pourrait générer une dispersion des résultats des tests de caractérisation des GBC.

La variabilité de la quantité et la qualité de pâte de ciment adhérente dans un même lot de GBC est ensuite étudiée dans le Chapitre IV. Des gâchées de béton à l’échelle industrielle sont fabriquées dans un grand malaxeur de capacité 1.5 m3 au laboratoire de l’Ifsttar à Nantes. Après un concassage des éprouvettes de béton réalisées, des GBC sont produits. Une caractérisation de ces GBC est réalisée afin d’analyser l’influence du malaxage du béton sur ses propriétés et sur les GBC après concassage.

Dans le Chapitre V l’hétérogénéité de la capacité d’absorption d’eau des GBC est étudiée en fonction de leur humidité initiale. Dans ce travail deux aspects sont pris en compte : la teneur en eau initiale dans les GBC et le type de pré-mouillage (sous vide partiel ou sous pression atmosphérique). La variation dans le type de pré-mouillage des GBC permet d’analyser l’influence de la localisation de l’eau initiale dans les GBC sur leur capacité d’absorption.

La Partie 3 comporte trois chapitres qui visent à mieux comprendre les mouvements d’eau entre les GBC et la pâte de ciment du mélange de béton, y compris au cours du malaxage, afin de mieux maîtriser l’eau efficace réelle au sein des bétons recyclés.

Dans le Chapitre VI, la cinétique d’absorption des GBC dans une pâte de ciment est étudiée et comparée à la capacité d’absorption de ces GBC dans l’eau. Des essais d’absorption

différents états d’humidité initiale. Une méthode de la littérature est adaptée aux GBC pour déterminer leur absorption dans la pâte de ciment.

Dans le Chapitre VII Une méthode originale est établie permettant d’analyser l’évolution de l’eau efficace réelle des bétons à base de GBC durant le malaxage. Plusieurs gâchées de bétons sont réalisées avec des GBC à différents états d’humidité initiale. L’enregistrement de la puissance du malaxeur permet de suivre cette évolution. A la fin de ce chapitre l’absorption des GBC dans le béton durant le malaxage est estimée et comparée à celle dans l’eau et dans la pâte de ciment.

Enfin, dans le Chapitre VIII, l’effet d’un malaxage sous vide relatif sur les propriétés des bétons à base de granulats naturels et des bétons à base de granulats de béton concassés est étudié. Ces travaux sont réalisés au sein du laboratoire de Magnel à l’université de Gand où une installation de malaxage sous vide avec un malaxeur de capacité 80 litres est utilisée. Cette étude est une étude préliminaire et reste à être complétée par des essais supplémentaires (perspectives).

Enfin, pour finaliser ce mémoire, une liste de Conclusions sera détaillée avec des

Partie 1.

Chapitre I.

Bibliographie et contexte

I.1. Généralités sur les granulats recyclés

I.1.1. Production et traitement des déchets du BTP, un peu de statistiques

Les déchets de C&D sont généralement des déchets mélangés dont le degré d’hétérogénéité dépend de l’origine. Ils sont divisés en déchets de démolition et déchets de construction. La majorité des déchets de construction et de démolition sont généralement inertes et ne présentent pas de menace environnementale [2].

Les déchets de démolition sont des produits des travaux de démolition, de restauration et de réparation des structures de bâtiments ou plus généralement des applications en génie civil. Ces déchets peuvent être divisés en 4 principales catégories : déchets non pierreux (acier, fer, aluminium, cuivre, verre, bois, plastique etc.), déchets pierreux (béton, mortier, céramiques, agrégats et mélanges de ceux-ci, (c’est la catégorie investiguée dans cette thèse), déchets dangereux (matériaux contenant de l’amiante, plomb, zinc, peinture, vernis, batteries, tubes fluorescents, lubrifiants, huiles, graisses, installations de climatisation, etc.) et autres (matière organique) [3].

Les déchets de construction sont produits lors des travaux sur les chantiers de construction et de génie civil. Ces déchets peuvent être divisés à leur tour en 5 catégories : des sols (sables, argile, pierre, boue etc.), des emballages des matériaux de construction (palettes en bois, plastique, carton, etc.), des restes de matériaux de construction et des déchets dangereux (sols contaminés et déblais de dragage, additifs, adhésifs, etc.) et autres [3].

Tableau 1. Production de déchets selon les activités économiques et les ménages [1].

La gestion et l’élimination des déchets peuvent avoir des incidences graves sur l’environnement. Les décharges, par exemple, occupent de l’espace et peuvent provoquer une pollution de l’air, de l’eau ou des sols, tandis que l’incinération peut générer des émissions de polluants atmosphériques.

Les politiques de gestion des déchets de l’UE visent par conséquent à réduire les incidences environnementales et sanitaires des déchets et à rationaliser l’utilisation des ressources dans l’UE. L’objectif à long terme de ces politiques est de réduire le volume de déchets produits et, lorsque leur production est inévitable, de les valoriser comme une ressource, ainsi que de parvenir à de meilleurs taux de recyclage et à une élimination des déchets qui soit sans danger. La directive européenne 2008/98/CE impose, à l’horizon 2020, un recyclage des déchets de C&D à hauteur de 70%.

I.1.2. Production des granulats recyclés

Figure 1. Site de stockage des déchets de C&D.

Les roches massives représentent un pourcentage important de déchets de C&D (Figure 1). Généralement, le traitement des déchets de C&D commence par un tri manuel suivi d’un concassage (principalement avec des concasseurs à mâchoires), d’une séparation magnétique et d’un tamisage. Dans le cas des chantiers mobiles, l’ensemble de ce processus se termine à ce stade tandis que dans un chantier stationnaire, une ou plusieurs étapes de concassage, de tamisage et de triage peuvent être ajoutées. Dans la phase de tri, les composants indésirables, tels que les matériaux organiques ou légers, doivent être retirés pour ne pas affecter les propriétés intrinsèques des granulats (résistance mécanique, forme des grains, etc.) [3].

Le processus de séparation des matériaux peut être réalisé par voie sèche, produisant des granulats recyclés convenant principalement pour la construction des routes. Pour avoir une séparation plus efficace et pour pouvoir séparer à la fois les matériaux de construction organiques et légers, il est nécessaire d’ajouter une étape supplémentaire faisant appel à un traitement par voie humide. Le choix du processus humide est plus coûteux mais il est probablement inévitable lorsque des granulats recyclés sont utilisés dans la fabrication de nouveaux bétons. Les machines pour laver les granulats et faire la séparation par voie humide sont des flotteurs, des trieurs et des jigs [4].

Figure 2. Chantier de fabrication des granulats recyclés à partir de déchets de C&D.

La production de granulats de béton recyclés nécessite un contrôle qualité approfondi dans la séparation des déchets de C&D et en particulier dans le contrôle de la pureté. La Figure 2 présente un chantier de fabrication des granulats recyclés à partir des déchets de C&D. Plusieurs études [5-7] ont montré la possibilité, moyennant l’utilisation de technologies avancées, d’atteindre des niveaux de pureté supérieurs à 99% pour les granulats de béton recyclés.

A l’échelle du laboratoire, Mulder et al. [8] ont utilisé le jig à air pour une séparation par densité et ont obtenu des granulats de béton recyclés avec 99.8% de pureté. De même Xing et al. [9] ont obtenu des GBR avec 99% de pureté mais après une séparation par densité en voie humide en utilisant le jig à eau (au stade final, les granulats de béton recyclés sont séparés des briques).

Une fois les différents composants du gisement de déchets de C&D séparés, les blocs de béton monolithique sont passés au concasseur. Cependant, la variabilité des matériaux recyclés issus du gisement de bétons recyclés est non négligeable. Le gisement comporte des matériaux très hétérogènes en matière, en forme, en taille … .

In situ, le béton concassé obtenu à partir de déchets de C&D est toujours mélangé avec d’autres matériaux concassés tels que l’asphalte, la brique, le gypse, le verre et autres. Dans la littérature et comme discuté ci-dessus, des jigs à air ou à eau ont été proposés pour séparer les différents matériaux composant le lot [10].