Comportements au jeune âge et différé des bétons recyclés : Influence de la saturation initiale en eau et du taux de substitution

Texte intégral

(1)Ahmed Zakarya BENDIMERAD Mémoire présenté en vue de l’obtention du grade de Docteur de l’Ecole Centrale de Nantes sous le label de L’Université Nantes Angers Le Mans École doctorale : Sciences Pour l’Ingénieur, Géosciences, Architecture Discipline : Génie civil Unité de recherche : Institut de recherche en Génie civil et Mécanique (GeM) Soutenue le 17/03/2016. Comportements au jeune âge et différé des bétons recyclés : Influence de la saturation initiale en eau et du taux de substitution. JURY Président :. Christophe LANOS, Professeur des universités, Université de Rennes 1. Rapporteurs :. Eric GARCIA-DIAZ, Professeur, Ecole des Mines d’Alès Jean-François GEORGIN, Professeur des universités, INSA de Lyon. Examinateurs :. Stéphanie STAQUET, Chargée de Cours, Université Libre de Bruxelles Aveline DARQUENNES, Maitre de conférences, Ecole Normale Supérieur e de Cachan. Invité :. François CUSSIGH, Ingénieur, Vinci Construction France. Directeur de Thèse :. Ahmed LOUKILI, Professeur des universités, Ecole Centrale de Nantes. Co-encadrant :. Emmanuel ROZIERE, Maitre de conférences, Ecole Centrale de Nantes.

(2) « L'une des meilleures façons d'aider quelqu'un est de lui donner une responsabilité et de lui faire savoir que vous lui faites confiance ». Booker T. Washington. 2 / 233.

(3) A ma fille Yasmine. 3 / 233.

(4) Remerciements. Remerciements Je tiens à exprimer ma gratitude à tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à la réalisation de cette thèse qui a été menée au sein du laboratoire GeM à l’Ecole Centrale de Nantes.. Un Grand Merci … …à Éric GARCIA-DIAZ et Jean-François GEORGIN pour avoir accepté la lourde tâche de rapporter ce travail de thèse, et pour leurs remarques pertinentes et constructives. Mes remerciements vont aussi à Christophe LANOS pour m'avoir fait l'honneur de présider mon jury de thèse. Merci également à Stéphanie STAQUET, Aveline DARQUENNES et François CUSSIGH pour l’intérêt qu’ils ont porté à ce travail et pour avoir accepté de participer à mon jury de thèse. …à mon directeur de thèse : Ahmed LOUKILI pour ses conseils, sa confiance et sa patience. Je vous remercie particulièrement pour avoir su m'offrir un environnement de travail qui m'a permis de m'épanouir tout au long de cette thèse. …à mon encadrant Emmanuel ROZIERE, qui m’a accompagné dès le début jusqu’à la fin de cette thèse, qui m’a transmis sa curiosité et sa passion. Je te remercie pour les longues heures que tu as passées à mes côtés, pour tes conseils et ta disponibilité. …aux techniciens du laboratoire : Patrick DENAIN et Vincent WISNIEWSKI pour leurs aides et disponibilités. …à mes collègues du GeM-GC : pour tous les moments partagés ensemble, pour la bonne humeur et l'ambiance qu’ils ont su apporté au quotidien, plus particulièrement à Ahmed BELBACHIR et Anass CHERKI de m’avoir apporté une précieuse aide lors de la saturation de mes granulats, et à Mounia FARAH et Hamza SAMOUH. …aux étudiants de l’école Centrale de Nantes : Maeva DONG et Florian CARRE, et de l’IUT de Carquefou : Yanis MOURADIAN, Norreddine BENASSAIR et Mathieu BRULARD. …à mes très chers parents pour leurs soutiens, pour leur amour, sans eux je ne serai pas arrivé là où je suis aujourd’hui, à mon frère Hicham et ma sœur Kamila pour leur soutien. …à ma belle-famille pour leur soutien. …à Imane, ma moitié, mon âme sœur, qui a toujours manifesté de l’intérêt à mon travail, qui m’a encouragé et soutenu, pour avoir traversé avec moi la période de rédaction de thèse et pour avoir regardé ma présentation de thèse sans jamais perdre ta patience. Tu as su m'insuffler le courage qu'il me fallait pour affronter ces moments avec sérénité.. 4 / 233.

(5) Résumé. Ré sumé Dans un contexte de développement durable il est prometteur d’utiliser des granulats issus de la déconstruction dans de nouveaux bétons, en remplacement total ou partiel des granulats naturels. Cependant, l’utilisation des granulats recyclés dans les bétons de structure est limitée par la norme NF EN 206/CN (2014) et le manque de données sur le comportement des bétons à l’état frais et durci. C’est dans ce contexte que le Projet National RECYBETON et le projet ANR ECOREB ont été constitués. L’objectif de cette thèse est d’évaluer et de comprendre l’influence du taux de saturation initial des granulats recyclés et de leur taux de substitution sur le comportement différé des bétons, au jeune âge et à long terme. L’étude a été réalisée sur des bétons de classes de résistance C25 et C35 avec différents taux de substitution des graviers recyclés (GR) 0 %, 30 % et 100 % et un seul taux de substitution des sables recyclés (SR) 30 %. L’effet de la saturation en eau initiale a été étudié sur les bétons à 100 % GR pour les deux classes. Une nouvelle méthode pour mesurer l’absorption des GR a été développée. Pour répondre à la problématique, la sensibilité à la fissuration a été étudiée selon deux approches : couplée et découplée. L’étude du retrait plastique montre l’influence limitée du degré de saturation initial. Le taux de substitution a une influence significative sur la sensibilité à la fissuration, favorable pour les GR et défavorable pour le SR. L’étude du comportement au jeune âge est conclue par la proposition d’une nouvelle démarche de modélisation de la capacité de déformation. L’étude du béton durci porte essentiellement sur la quantification de la sensibilité à la fissuration des ouvrages exposés à la dessiccation en prenant en compte l’ensemble des paramètres du matériau. Les résultats expérimentaux mettent en évidence l’influence déterminante de la relaxation, qui a été évaluée à la fois par un calcul viscoélastique et par le modèle trisphère adapté. Mots-clés : Retrait plastique, comportement différé, béton recyclé, saturation initiale en eau, taux de substitution, sensibilité à la fissuration.. 5 / 233.

(6) Résumé. Abstract Towards the objective of sustainable development, the use of aggregates resulting from demolition waste in new concrete structures is promising, as a total or partial replacement of natural aggregates. However, the use of such recycled aggregates in structural concrete is limited by the standard NF EN 206/CN (2014) as well as the lack of data on the early age and long term behavior of these types of concrete. This led to the constitution of the National Project RECYBETON and the project ANR ECOREB. The aim of this PhD thesis is to evaluate and understand the effect of the initial water saturation of recycled aggregates and their substitution rate on the delayed behavior of concrete at early age and in the long term. The study has been carried on two concrete classes C25 and C35 with different substitution rates of recycled gravel (RG) 0%, 30% and 100% and one substitution rate of recycled sand (RS) 30%. The effect of initial water saturation has been studied only on concretes at 100% RG for both classes. A novel method was developed to measure adsorption of RG. To tackle the issue, the cracking sensitivity has been assessed according to two approaches: coupled and uncoupled. The study of plastic shrinkage showed the limited influence of the initial water saturation. The substitution rate, however, had a significant effect on the cracking sensitivity, positive for RG and negative for RS. The study of early age behavior ends by suggesting a new process for modeling the strain capacity. The study of hardened concrete mainly consists in the quantification of cracking sensitivity of buildings exposed to desiccation, taking into account all of the properties of the material. The experimental results highlight the key effect of relaxation, which has been evaluated both by viscoelastic calculations and by the adapted trisphere model. Keywords: Plastic shrinkage, delayed behavior, recycled aggregates concrete, initial water saturation, substitution rate, cracking sensitivity.. 6 / 233.

(7) Tables des matières. Tables des matiè res. REMERCIEMENT. 4. RESUME. 5. ABSTRACT. 6. TABLES DES MATIERES. 7. INTRODUCTION GENERALE. 11. I.. CHAPITRE I – CARACTERISATION HYDRIQUE DES GRANULATS RECYCLES. I.1. Introduction. 15 16. I.2. Bibliographie I.2.1 Recyclage des bétons de déconstruction I.2.2 Méthodes de caractérisation hydrique des granulats. 17 17 21. I.3. Méthodes développées 26 I.3.1 Programme expérimental 26 I.3.2 Essai au pycnomètre 28 I.3.3 Pesée hydrostatique 30 I.3.4 Tentative d’évaluation du gonflement des granulats recyclés : Combinaison de l’absorption et de la pesée hydrostatique 31. I.4. Résultats et discussions 34 I.4.1 Effet de l’état d’humidité initiale des granulats, de l’évacuation de l’air et de la méthode de mesure 34 I.4.2 Influence du type de granulats sur la vitesse d’absorption et évaluations du gonflement des granulats 37. I.5. Conclusions. 40. I.6. Références. 41. 7 / 233.

(8) Tables des matières II. II.1. CHAPITRE II – COMPORTEMENT DES BETONS RECYCLES AU JEUNE AGE Introduction. 45 47. II.2 Bibliographie II.2.1 Retrait plastique et fissuration au jeune âge II.2.2 Influence de la formulation II.2.3 Bilan. 49 49 62 64. II.3 Programme expérimental II.3.1 Composition des bétons II.3.2 Procédures expérimentales. 66 66 71. II.4. 77. Retrait plastique et comportement au jeune âge. II.5 Influence du taux de saturation des graviers recyclés GR et du E/C II.5.1 Retrait plastique II.5.2 Propriétés mécaniques II.5.3 Bilan. 82 82 85 86. II.6 Influence du taux de substitution des graviers et sables recyclés II.6.1 Retrait plastique II.6.2 Propriétés mécaniques II.6.3 Bilan. 86 86 87 92. II.7 Analyse de la sensibilité à la fissuration II.7.1 Approche découplée II.7.2 Approche couplée : essai TSTM II.7.3 Bilan. 93 93 95 101. II.8 Apport de la modélisation mésoscopique au jeune âge II.8.1 Présentation des modèles d’endommagement II.8.2 Modélisation mésoscopique du béton au jeune âge II.8.3 Bilan. 102 102 108 116. II.9. Conclusions. 117. II.10. Références. 119. III.. CHAPITRE III – ETUDE DU COMPORTEMENT DIFFERE. III.1. Introduction. 125 127. III.2 Bibliographie III.2.1 Définitions et méthodologies expérimentales III.2.2 Influence des paramètres de cure et de composition des bétons III.2.3 Bilan. 8 / 233. 128 129 136 150.

(9) Tables des matières III.3 Programme expérimental III.3.1 Mortiers III.3.2 Bétons III.3.3 Procédures expérimentales III.3.4 Bilan. 151 151 152 152 162. III.4 Influence des propriétés du sable : étude sur mortier III.4.1 Influence des conditions initiales sur le retrait : saturation et cure III.4.2 Taux de substitution III.4.3 Microstructure III.4.4 Bilan. 162 162 167 169 176. III.5 Influence du taux de saturation et de substitution des graviers recyclés sur le comportement différé : étude sur béton III.5.1 Propriétés mécaniques III.5.2 Retrait III.5.3 La sensibilité à la fissuration (essai à l’anneau) III.5.4 Caractérisation des granulats et des bétons recyclés à partir du modèle trisphère III.5.5 Bilan. 178 178 181 186 197 206. III.6. Conclusions. 208. III.7. Références. 210. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES. 217. A.. ANNEXE I : FICHES TECHNIQUES. 221. B.. ANNEXE II : MAILLAGE MESOSCOPIQUE ET PROCEDURES EXPERIMENTALES 229. C.. ANNEXE III : ESSAIS CROISES. 231. 9 / 233.

(10) Tables des matières. 10 / 233.

(11) Introduction générale. Introduction gé né rale Le volume de matériaux de construction extraits a été multiplié par 34 au cours du XXème siècle (Krausmann et al., 2009). L'extraction globale est évaluée actuellement à plus de 10 milliards de tonnes par an (Fischer-Kowalski et al., 2011), ce qui correspond à environ 1,5 t/hab./an. A l'échelle globale, l’objectif de développement durable impose de prendre en compte les émissions CO2, la consommation énergétique et l'utilisation de ressources naturelles liées aux matériaux de construction. Le basculement vers une économie plus durable nécessite une réduction de l'exploitation de ces ressources. L'impact environnemental de l'extraction et de l’utilisation des matériaux de construction apparaît également à l'échelle régionale. Ces activités causent des dommages aux écosystèmes terrestres, aquatiques et aériens, sans compter l'énergie consommée pour l'extraction et le transport. Les opérations d'extraction créent souvent un volume important de déchets, à rajouter à ceux générés à la fin du cycle de vie des constructions, qui nécessitent un traitement (PN-RECYBETON, 2011). Plusieurs pays européens ont donc introduit de nouvelles taxes afin de réduire la demande en matières premières naturelles et encourager le recyclage (EEA, 2008). Dans certaines zones urbaines, un déficit critique en granulats naturels est observé, en même temps qu'une augmentation des quantités de déchets de béton résultant de la démolition de bâtiments dans ces mêmes zones. C’est dans ce contexte que le Projet National RECYBETON (2012-2016) a été constitué. Son objectif principal est d’étudier la faisabilité de la réutilisation de l'intégralité des matériaux issus des bétons déconstruits, y compris les fines, comme constituants de nouveaux bétons. Cependant, cet objectif requiert de nouvelles connaissances, apportées par un autre projet cofinancé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) : ECOREB (Eco-Construction par le Recyclage du Béton). Le projet ECOREB est mené en lien étroit et en complémentarité directe avec le PN RECYBETON (cf. Figure 1). Le travail présenté ici est divisé en deux grands axes. Le premier concerne l’étude des bétons recyclés au jeune âge (de 0 à 24 heures). Il s’inscrit dans le cadre de l’ANR ECOREB, plus précisément la tâche 1.3 qui a pour objectif de quantifier la demande en eau des granulats recyclés (GR), de maîtriser le retrait plastique et la fissuration associée. Le deuxième axe porte sur le comportement différé des bétons recyclés exposés à la dessiccation. Il s’inscrit dans le thème 2 de RECYBETON. Dans la littérature, il n’existe quasiment aucune étude sur le comportement au jeune âge des bétons recyclés antérieure aux projets RECYBETON et ECOREB. Dans le cas des bétons recyclés à l’état durci les références sont abondantes. Cependant, nous avons constaté un manque dans les outils d’analyse de la sensibilité à la fissuration, d’où l‘objectif de notre dernier chapitre.. 11 / 233.

(12) Introduction générale. RECYBETON - ECOREB TRAVAUX D’ACCOMPAGNEMENT THEME 1 TECHNOLOGIES ET PROCEDES. R E C Y B E T O N. THEME 2 MATERIAUX ET STRUCTURE 2B: Béton frais 2C: Mécanique et structure 2D: Durabilité THEME 3 DEVELOPPEMENT DURABLE THEME 4 ASPECTS REGLEMENTAIRES ET NORMATIFS. AXE 1 EAU et MATERIAUX RECYCLES AXE 2 MODELISATION DU COMPORTEMENT MECANIQUE, DE L’ENDOMMAGEMENT ET DE LA RUPTURE DES BETONS RECYCLES. E C O R E B. AXE 3 DURABILITE. L’objectif de cette recherche est dans un premier temps de proposer de nouvelles méthodologies pour quantifier le coefficient d’absorption des graviers recyclés (GR). Par la suite, l’étude porte sur l’impact du taux de saturation initial et du taux de substitution des GR sur le retrait plastique et la fissuration précoce des bétons recyclés. Enfin, le comportement différé de ces bétons est évalué en essayant de comprendre l’influence des paramètres de formulation sur la sensibilité à la fissuration. Pour répondre aux objectifs fixés par le PN RECYBETON et l’ANR ECOREB, notre travail est divisé en trois grands chapitres. Le premier chapitre de ce document commence par une présentation de la nécessité du recyclage, le bilan sur les gisements exploitables et le contexte normatif actuel des bétons à base de granulats recyclés. Nous avons décidé avant de commencer notre campagne expérimentale de bien maitriser la demande en eau des granulats recyclés, sachant que ces derniers sont caractérisés par de fortes absorptions. Pour cela, nous avons recensé les procédures existantes pour la mesure du coefficient d’absorption et développé une nouvelle méthode en combinant deux modes opératoires : le pycnomètre et la pesée hydrostatique. Le but principal du deuxième chapitre est de comprendre le comportement au jeune âge des bétons recyclés. Nous avons montré au début du chapitre les lacunes de la bibliographie. Par conséquent, nous proposons une méthodologie pour la compréhension du retrait plastique. Les mesures réalisées au jeune âge permettent d’estimer l’évolution de la perte de masse, la dépression capillaire, le degré d’hydratation, le début et la fin de prise et les propriétés mécaniques. Ces évolutions vont être corrélées dans le but de classer les phénomènes physiques et de comprendre l’évolution du béton au cours des 24 premières heures. Ensuite, les principaux paramètres étudiés sont l’effet de la saturation initiale et du taux de substitution des granulats recyclés. La sensibilité à la fissuration du béton recyclé jeune a été 12 / 233.

(13) Introduction générale analysée selon deux approches (couplée et découplée). La complexité de la deuxième approche nécessite des outils expérimentaux bien spécifiques, d’où la collaboration avec le laboratoire BATir de l’Université Libre de Bruxelles (ULB) en Belgique. Les résultats de retrait empêché TSTM (Temperature Stress Testing Machine) au jeune âge sur béton recyclés vont nous permettre de bien comprendre les phénomènes et fournir les premiers résultats du genre à simuler des dalles en béton recyclé. Nous terminons le chapitre par une modélisation mésoscopique, dont le but est d’estimer la capacité de déformation au jeune âge. Dans le dernier chapitre dédié au comportement différé des bétons recyclés, nous commençons par une analyse bibliographique portant sur les paramètres à l’origine du retrait et les approches existantes sur l’analyse de la sensibilité à la fissuration. Une deuxième partie détaille le programme expérimental et les moyens utilisés. Nous analysons en premier l’influence du sable recyclé seul sur le comportement des mortiers. Ensuite, Nous étudions le comportement des bétons à long terme. La sensibilité à la fissuration est évaluée par différentes approches et nous proposons une méthodologie pour déterminer le module relaxé par le modèle trisphère. Ce dernier nous permet aussi après adaptation de calculer le module et le retrait des granulats recyclés.. Références EEA. Effectiveness of Environmental Taxes and Charges for Managing Sand, Gravel and Rock Extraction in Selected EU Countries. EEA Report 2/2008. European Environment Agency (EEA); Copenhagen, 2008. Fischer-Kowalski, M.; Swilling, M.; Weizsäcker, V.; Ren, E. U.; Moriguchi, Y.; Crane, Y.; Krausmann, W.; Eisenmenger, F.; Giljum, N.; Hennicke, S.; et al. Decoupling Natural Resource Use and Environmental Impacts from Economic Growth, A Report of the Working Group on Decoupling to the International Resource Panel, United Nations Environment Program (UNEP); 2011. Krausmann, F.; Gingrich, S.; Eisenmenger, N.; Erb, K.-H.; Haberl, H.; Fischer-Kowalski, M. Growth in Global Materials Use, GDP and Population during the 20th Century. Ecol. Econ. 2009, 68 (10), 2696–2705. PN-RECYBETON. RECYBETON: RECYclage Complet Des BETONs; France, 2011.. 13 / 233.

(14) Introduction générale. 14 / 233.

(15) Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés. Chapitre I – Caracté risation hydrique des granulats recyclé s. Table des matières I.. CHAPITRE I – CARACTERISATION HYDRIQUE DES GRANULATS RECYCLES. I.1. Introduction. 15 16. I.2. Bibliographie I.2.1 Recyclage des bétons de déconstruction I.2.1.1 Le recyclage en Europe I.2.1.2 Production des granulats recyclés I.2.1.3 Approche normative I.2.2 Méthodes de caractérisation hydrique des granulats I.2.2.1 Absorption des graviers I.2.2.2 Absorption des sables. 17 17 17 18 20 21 21 24. I.3. Méthodes développées 26 I.3.1 Programme expérimental 26 I.3.2 Essai au pycnomètre 28 I.3.3 Pesée hydrostatique 30 I.3.4 Tentative d’évaluation du gonflement des granulats recyclés : Combinaison de l’absorption et de la pesée hydrostatique 31. I.4. Résultats et discussions 34 I.4.1 Effet de l’état d’humidité initiale des granulats, de l’évacuation de l’air et de la méthode de mesure 34 I.4.2 Influence du type de granulats sur la vitesse d’absorption et évaluations du gonflement des granulats 37. I.5. Conclusions. 40. I.6. Références. 41. 15 / 233.

(16) Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés. I.1 Introduction Le béton est la deuxième matière la plus consommée dans le monde après l'eau. Avec l’augmentation constante de la population mondiale, le secteur du BTP est appelé à se développer. En outre, des questions commencent à être posées sur le devenir du béton à la fin de vie des constructions, et les coûts de mise en décharge sont de plus en plus élevés. Par conséquent, cette augmentation des coûts ainsi que les enjeux environnementaux motivent des recherches pour valoriser le béton issu de la déconstruction, sachant que, dans la majorité des cas, les granulats recyclés sont considérés comme inertes et peuvent être mis en décharge sans valorisation (Dao, 2012). La réutilisation des matériaux issus de la déconstruction ouvre aujourd’hui de nouvelles perspectives. En France, les déchets issus du BTP représentent un gisement de près de 250 millions de tonnes par an (PN-RECYBETON, 2011), soit 10 fois plus que les déchets ménagers. Seule une partie, de 10 à 15%, de ces déchets est actuellement recyclée et valorisée (Quebaud, 1996), alors que la programmation de la loi sur la transition énergétique et environnementale fixe un taux de valorisation de 70% à l'horizon 2020 (Pacheco-Torgal et al., 2013; Paprec and Raboni, 2014). Recycler du béton apporte une solution alternative à l’épuisement des ressources de granulats naturels et permet de maintenir dans le futur un coût raisonnable pour les granulats de construction (Hansen, 1992). Le gisement issu du recyclage des bétons de déconstruction constitue un grand potentiel de granulats pour les bétons (PN-RECYBETON, 2011; Dao, 2012). Les granulats sont souvent considérés comme inertes alors qu’ils influent de manière significative les propriétés des bétons, au jeune âge et à long terme (Verbeck and Hass, 1951; Landgren, 1964; Bamforth, 2007). En effet, de leur granulométrie, leur forme, leur porosité (souvent exprimée en termes d’absorption massique) et leur taux de saturation initial dépendent la consistance, l’hydratation, les propriétés mécaniques, la durabilité et les déformations différées des bétons. Dans la pratique, on utilise autant que possible des granulats compacts (absorption inférieure à 1%) pour lesquels les effets de l’absorption d’eau et du taux de saturation initial peuvent être négligés. Cependant il est de plus en plus difficile de trouver ces granulats en quantités suffisantes et à des coûts acceptables, en particulier dans les zones à forte densité de population. Les coûts (économiques et environnementaux) du transport et les nuisances liées à l’exploitation des carrières ont un impact important sur les ressources disponibles. Les producteurs de béton sont donc désormais contraints d’utiliser des granulats relativement poreux (absorption supérieure à 2 %) ou des granulats recyclés. Formuler des bétons à partir de granulats – naturels ou recyclés – relativement poreux nécessite une bonne connaissance de leurs propriétés, afin de respecter les critères de 16 / 233.

(17) Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés résistance mécanique minimale et les valeurs limites de composition telles que le rapport Eau efficace/Ciment maximal. L’absorption à 24 heures (NF EN 1097-6, 2001) est généralement la mesure de référence pour calculer l’eau absorbée (Eabs) par les granulats et en déduire l’eau totale (Etot) à partir de l’eau efficace (Eeff) d’une composition de béton (équation I-1). Etot = Eeff + Eabs. I-1. Cependant, la prise et la structuration de la pâte de ciment ont généralement lieu avant que cette quantité d’eau Eabs soit absorbée par des granulats initialement secs (ou libérée par des granulats humides). La quantité d’eau restant dans la pâte ne correspond alors plus au calcul de Eeff et le rapport eau efficace sur ciment (Eeff/C), paramètre essentiel pour la durabilité (NF EN 206/CN, 2014) s’en trouve modifié. L’absorption d’eau à 30 minutes est ainsi préconisée pour la formulation de bétons de granulats recyclés (Ignjatović et al., 2013). Plusieurs études mettent en évidence cette influence du taux de saturation initial des granulats poreux sur le comportement des bétons. Au jeune âge, l’absorption importante de ces granulats peut affecter le comportement vis-àvis du retrait et donc de la fissuration. En effet, Le retrait plastique a lieu pendant la phase plastique et la prise du béton. Il se développe lorsque la quantité d’eau évaporée à la surface est supérieure à la quantité d’eau de ressuage. Il est influencé par les conditions atmosphériques et la cure dont le matériau fait l’objet dès sa mise en œuvre. La présence de fines en quantité importante et l’absorption différée d’eau par les granulats réduit le ressuage (Mukai et al., 1978), et augmente donc le risque de retrait plastique en cas de cure insuffisante. Ainsi, le taux de saturation initial des granulats naturels affecte aussi bien le retrait plastique que la résistance à long terme des bétons (Cortas et al., 2014). L’absorption d’eau des granulats recyclés peut se traduire par une perte d’ouvrabilité du béton frais (Poon et al., 2004; Alhozaimy, 2009; de Brito et al., 2011). Il est donc indispensable de disposer de l’amplitude et de la cinétique d’absorption d’eau des granulats, dès qu’ils sont relativement poreux.. I.2 Bibliographie I.2.1 Recyclage des bétons de déconstruction I.2.1.1 Le recyclage en Europe Les déchets de déconstruction ont été estimés en 2001 à 180 millions de tonnes/an – ce qui représentait environ 1,3 kg/personne/jour (Crawford and Eng, 2001) et en 2008 à 850 millions de tonnes (Fischer and Werge, 2009). En 8 ans, leur quantité a été multipliée par 5. Cependant le taux de recyclage dans les pays de l’Union Européenne (UE) n’est pas identique : on note une moyenne de 28 %, mais aux Pays-Bas et au Danemark, ce taux 17 / 233.

(18) Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés atteint environ 90 % (Dao, 2012). En France, les taux de recyclage sont très faibles en comparaison avec l’Allemagne, le Royaume-Uni et les Pays-Bas (UEPG, 2006). La consommation française de granulats est de 379 millions de tonnes, dont 21 % sont destinés au secteur du bâtiment (Grondin, 2011). Les déchets inertes recyclables sont estimés de 24 à 44 millions de tonnes (Mongeard, 2015). Même s’il faut en réalité raisonner au niveau des filières locales de valorisation, les quantités de déchets valorisables ne sont pas négligeables devant les quantités de granulats consommées. L’estimation des quantités de déchets inertes recyclables dans le béton est résumée dans le Tableau I-1. Elle est répartie en 3 familles : béton, mélange de matériaux inertes et graves et matériaux rocheux. Tableau I-1. Estimation des quantités des déchets de démolition recyclables, (Mongeard, 2015).. Quantités estimées produites par le secteur du BTP (Millions de tonnes). Quantités estimées entrant en installation (Millions de tonnes). Béton. 9 à 10. 6à7. Mélange de matériaux inertes. 7 à 10. 4à5. Graves et Matériaux rocheux. 21 à 24. 14 à 16. I.2.1.2 Production des granulats recyclés L’étape cruciale pour la fabrication des granulats recyclés consiste à trier et séparer les matériaux lors de la phase de déconstruction et cela dans le but d’obtenir les granulats de béton recyclés de meilleure qualité (RECYC-QUEBEC, 1999). Cependant, la déconstruction sélective nécessite un délai d’exécution plus long et une importante main d’œuvre (Dao, 2012). Dans le cas où le tri ne se fait pas correctement, nous allons retrouver du plâtre mélangé au GR qui sera à l’origine de réactions sulfatiques conduisant à la formation d’ettringite (Leklou, 2015). Mais les spécifications de la norme XP P18-545 peuvent être contraignantes : la teneur des sulfates solubles dans l’eau ne doit pas dépasser le seuil de 0,2 %. Ce seuil élimine plus de 50 % de la production de granulats recyclés sans que l’on sache s’il y a un véritable impact sur la durabilité des bétons (Bodet et al., 2014). Les granulats recyclés sont fabriqués soit sur place (installation mobile) soit sur une installation fixe en subissant le même traitement : prétraitement, introduction des blocs de béton, pré-criblage, concassage primaire, criblage et concassage secondaire. La Figure I-1 illustre le processus de recyclage des granulats. 18 / 233.

(19) Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés. Figure I-1. Procédure de production des granulats recyclés selon (Eguchi et al., 2007).. Selon le tri et le processus de fabrication, nous pouvons obtenir trois types de granulats recyclés (NF EN 206/CN, 2014), Tableau I-2. Type I : toutes les caractéristiques définies ci-après sont de type CRB. Type II : toutes les caractéristiques définies ci-après sont de type CRB ou CRC. Type III : toutes les caractéristiques définies ci-après sont de type CRB ou CRC ou CRD. Tableau I-2. Constituant des granulats recyclés selon la norme NF EN 206/CN (2014).. Avec : RC : béton, produits en béton, mortier, éléments de maçonnerie en béton contenus dans un granulat recyclé. RU : granulats non liés, pierre naturelle, granulats traités aux liants hydrauliques contenus dans un granulat recyclé RCU : correspond à RC + RU. 19 / 233.

(20) Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés Rg : verres contenus dans un granulat recyclé. RCUg : correspond à RC + RU + Rg. Ra : matériaux bitumineux contenu dans un GR. Rb : éléments en argile cuite, élément en silicate de calcium, béton cellulaire non flottant contenus dans un GR. X : argiles, sols, métaux ferreux et non ferreux, bois, plastiques, caoutchouc non flottant, plâtre contenus dans un GR XRg : correspond à X + Rg. FL : matériau flottant (exprimé en volume contenu dans un GR. I.2.1.3 Approche normative Le Tableau I-3 récapitule le pourcentage maximum de substitution des graviers ou sables recyclés. Leur utilisation dans le béton est autorisée par la norme EN 206-1/CN (NF EN 206/CN, 2014). Tableau I-3. Pourcentage maximum de substitution par type de granulats recyclé, NF EN 206/CN.. Toutefois, les spécifications limitent l’utilisation des GR aux bétons courants. Les gravillons recyclés de type 1 et 2 ainsi que les sables recyclés ne peuvent être utilisés que pour des classes de résistances inférieures ou égales à C25/30 (environ 50 % des bétons produits en France). Les taux de substitution différenciés selon le type de granulat et la classe d’exposition introduisent un déséquilibre d’utilisation entre sable et gravillons. S’ajoute à cela le renforcement des fréquences d’essais sur les granulats recyclés (Tableau I-4 et Tableau I-5). L’objectif principal du PN-RECYBETON est donc de lever les freins à leur utilisation et en particulier en garantissant le comportement différé des bétons à base de granulats recyclés.. 20 / 233.

(21) Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés Tableau I-4. Caractéristiques des sables recyclés et fréquences d’essais, NF EN 206/CN. Tableau I-5. Caractéristiques des gravillons recyclés et fréquences d’essais, NF EN 206/CN. I.2.2 Méthodes de caractérisation hydrique des granulats Dans les normes actuelles de caractérisation des granulats on ne trouve pas de spécifications pour la caractérisation des granulats recyclés. Cependant, la question posée est: Les procédures existantes peuvent-elles être appliquées aux GR ? Dans cette partie nous allons présenter quelques méthodes de caractérisation (normalisées ou non) des granulats vis-à-vis de leur absorption. I.2.2.1 Absorption des graviers I.2.2.1.1 Normes pour les granulats naturels Les méthodes normalisées ont pour objectif de déterminer le coefficient d’absorption total des granulats en faisant la différence entre la masse à l’état sec et la masse à l’état SSS 21 / 233.

(22) Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés (saturé surface sèche). On peut citer la norme européenne EN 1097-6 (NF EN 1097-6, 2001), la norme américaine ASTM C127-12 (ASTM C 127-12, 2012) et la norme anglaise BS 812 partie 2 (BS 812, 1995). La différence entre ces trois normes concerne la fraction granulaire utilisée i.e. de 4 à 63 mm dans la norme EN 1097-6, de 4.75 à 125 mm dans la norme ASTM C127-12 et de 5 à 40 mm dans la norme BS 812. Selon la norme EN 1097-6 (NF EN 1097-6, 2001), la prise d'essai doit être lavée sur un tamis de 31,5 mm et de 4 mm afin d'éliminer les grains les plus fins et ensuite immergée dans un bain d’eau à 22 ± 3 °C pendant (24 ± 0.5) h. A l’issue de l’essai les graviers sont transférés sur un chiffon sec jusqu'à ce que les films d'eau visibles aient disparu, les granulats gardant toutefois un aspect humide afin d’obtenir l’état saturé surface sèche (SSS). La masse obtenue est noté MSSS. Ensuite l’échantillon est séché dans une étuve ventilée à une température de 110 ± 5 °C jusqu'à masse constante (masse sèche MS). L’absorption d’eau est calculée par l’équation suivante :. Ab (%). M SSS − M S × 100 MS. I-2. Cependant, la caractérisation des granulats recyclés par le biais de la norme pose quelques problèmes mis en évidence par différents auteurs : -. -. -. -. L’obtention de l’état saturé surface sèche nécessite un temps d’immersion long et variable. Cela dépend de la porosité et de la rugosité de l’ancien mortier attaché (Chakradhara Rao et al., 2011), et l’absorption d’eau totale continue à augmenter après 24 heures d’immersion (Tam et al., 2008; Djerbi Tegguer, 2012). Selon la norme européenne EN 1097-6, l’obtention de la masse sèche se fait sous une température de 110 ± 5 °C. Cela peut causer la perte de l’eau chimiquement liée de la pâte de ciment (Tam et al., 2008) et générer des erreurs dans le calcul de l’absorption d’eau. La déshydratation du gypse et de l’ettringite (Sulfoaluminate de calcium hydraté (Ca6Al2(SO4)3(OH)12.26H2O)) débute à 80 °C. La température à partir de laquelle les Silicates de Calcium Hydratés (C-S-H) se décomposent n’est pas bien connue et dépend de l’humidité relative, mais à 105 °C on est sûr de déshydrater des C-S-H (Baroghel-Bouny, 1994). Les échantillons de graviers sont lavés avant l’essai. Le coefficient d’absorption d’eau totale est déterminé sans tenir compte des fines. A l’échelle industrielle, il n’est pas envisageable de laver les graviers, ainsi cette méthode sous-estime le coefficient d’absorption et ne représente pas les conditions réelles du terrain.. 22 / 233.

(23) Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés I.2.2.1.2 Méthode RAWA En se basant sur la norme anglaise BS 812 partie 2, Tam (Tam et al., 2008) ont développé une méthode appelée Real-time Assessment of Water Absorption (RAWA). Le principe est le suivant : premièrement, la masse à l’état sec est obtenue en plaçant les graviers dans une étuve ventilée sous une température de 75 ± 5 °C pendant une période de 24h ou plus jusqu’à ce que le changement en masse soit inférieur à 0,1 %. A cette température on suppose que la perte de l’eau chimiquement liée peut être évitée. Ensuite l’échantillon séché est mis dans un pycnomètre rempli d’eau et placé dans une salle à température et humidité contrôlées (20-25 °C et 60-80 %). On note M0, la masse initiale du pycnomètre rempli d’eau plus l’échantillon à l’instant t0. Le niveau d’eau baisse en raison de l’absorption d’eau par les graviers ainsi l’eau est ajoutée pour remplir complètement le pycnomètre jusqu’à une référence. A chaque ajout d’eau on note la masse du pycnomètre et le temps (Mi et ti). Enfin, lorsqu’il n’y a plus de changement dans le volume ou la masse du pycnomètre, on arrête l’essai. La valeur indiquant l’état saturé de l’échantillon est notée MS à l’instant tS. L’absorption d’eau à chaque pas de temps i est donnée par l’équation suivante : i. ∑ (M Ati (%) =. j =1. j. − M j −1 ). Md. ×100. I-3. Et l’absorption d’eau totale est déterminée par l’équation I-4 :. Atotale (%) =. MS −M0 ×100 Md. I-4. Avec : Md : Mase sèche de l’échantillon et MS : la masse finale du pycnomètre rempli d’eau plus l’échantillon à l’instant ts. Les avantages de ce procédé sont, d’une part, d’éviter la perte du mortier attaché et, d’autre part, avec un séchage des granulats en dessous de 80 °C d’éviter aussi la perte de l’eau chimiquement liée de la pâte de ciment. De plus cette méthode permet de mesurer le taux d’absorption dans le temps, tandis que les normes ne donnent le coefficient d’absorption qu’à 24 heures ce qui peut être insuffisant dans le cas des granulats de bétons recyclés. L’inconvénient majeur de cette méthode est associé à l’évacuation initiale de l’air piégé par les granulats. De plus, l’opérateur à l’instant t0 ne peut pas estimer l’absorption correspondante à la masse M0 juste après immersion : pendant les premières secondes, l’absorption est susceptible d’atteindre 50 % de l’absorption totale, à cause de dépressions capillaires. Pendant l’ajout de l’eau potentiellement absorbée par les granulats au pycnomètre à chaque pas de temps ti et à tS, l’opérateur n’évacue pas l’air piégé. Par 23 / 233.

(24) Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés conséquent, le volume de l’air piégé est inclus dans le total (graviers + eau + air piégé) et l’absorption d’eau totale sera alors sous-estimée. I.2.2.1.3 Pesée hydrostatique Une autre méthode non normalisée a été développée par (Djerbi Tegguer, 2012), pour mesurer l’absorption d’eau. L’auteur a proposé cette procédure pour corriger les inconvénients des méthodes normalisées en sachant que dans le cas des granulats recyclés il est de plus difficile d’obtenir l’état saturé surface sèche à l’aide d’un papier absorbant comme le suggère la norme, et cela à cause des irrégularités de la forme des graviers. En plus le séchage peut altérer les caractéristiques du granulat recyclé en enlevant une quantité de l’ancienne pâte du mortier attaché. A cet effet, la méthode a été développée pour mesurer l’absorption d’eau en utilisant la pesée hydrostatique. La méthode consiste tout d’abord à sécher la prise d’essai à une température de 110 ± 5 °C jusqu’à masse constante. Ensuite l’échantillon est placé dans un bac et qui est à son tour immergé dans un bain d’eau à 20 °C. À l’issue de l’expérience trois valeurs sont obtenues : la masse de l’échantillon sec (MS), la masse de l’échantillon juste après immersion (Mws) (en utilisant la valeur après 20 à 80 secondes) et la masse de l’échantillon saturé dans l’eau (Mwa). L’absorption d’eau est calculée selon l’équation suivante :. Ab (%) =. M wa − M ws × 100 MS. I-5. Dans cette méthode, le problème de l’évacuation de l’air piégé persiste : l’opérateur n’évacue pas l’air piégé et par conséquent la masse mesurée comprend l’effet de l’air non évacué. La seconde source d’erreur provient de l’utilisation de la première valeur après immersion pour calculer l’absorption en eau totale, c’est-à-dire la valeur relevée 20 à 80 secondes après immersion. L’eau absorbée avant cette mesure n’est donc pas prise en compte ce qui fausse par la suite les résultats de l’absorption. Par ailleurs, l’absorption du sable ne peut pas être mesurée avec ces méthodes et cela est lié directement aux taux de fines que contiennent les sables recyclés. Lors de l’utilisation du papier absorbant pour la détermination de l’état SSS les particules fines piègent l’eau dans l’espace intergranulaire et faussent les valeurs de l’absorption intrinsèque des grains. Par ailleurs, il existe d’autres méthodes normalisées et non normalisées qui ont été développées pour la mesure de l’absorption des sables recyclés (cf. paragraphe I.2.2.2). I.2.2.2 Absorption des sables Il existe plusieurs méthodes pour la mesure de l’absorption des fractions granulaires inférieures à 4 mm (sable). Dans la majorité des cas et surtout pour les sables naturels, les expérimentateurs utilisent la norme EN 1097-6 (NF EN 1097-6, 2001). Selon cette méthode 24 / 233.

(25) Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés l’échantillon est saturé dans l’eau pendant 24 heures. Pour mesurer l’absorption, l’opérateur devra déterminer l’état Saturé surface sèche (SSS). Le critère de détermination de l’état SSS se fait par le biais d’un cône d’affaissement. La deuxième méthode, nommée méthode d’essai n°78 a été développée à l’IFSTTAR pour la mesure de l’absorption des sables concassés. Elle est fondée sur le même principe que la méthode standardisée, la seule différence se situe au niveau de l’identification de l’état SSS. Dans cette méthode, au lieu d’utiliser de l’air chaud et un cône d’affaissement l’opérateur utilise un papier absorbant (IFFSTTAR, 2010). Une autre méthode non normalisée adaptée aux granulats de béton recyclé a été développée par (Zhao et al., 2013). Elle est fondée sur une relation entre l’absorption et la quantité de la pâte attachée aux granulats naturels d’origine (équation I-6). La méthode consiste à diviser la fraction du sable en plusieurs sous fractions et de mesurer l’absorption de chaque fraction par la norme ou la méthode IFSTTAR et par extrapolation le coefficient d’absorption des fines est déduit (Zhao et al., 2013). WAGR = WApâte × M pâte + WAGN .(1 − M pâte ). I-6. Avec, WAGR : coefficient d’absorption d’eau d’une fraction donnée, WApâte : coefficient d’absorption d’eau de la pâte de ciment attachée, WAGN : coefficient d’absorption d’eau du granulat naturel et Mpâte : teneur massique en pâte de ciment adhérente de la fraction. Selon la Figure I-2 une relation linéaire existe entre le coefficient d’absorption d’eau et la teneur de pâte attachée. L’auteur a montré que l’absorption des fractions grossières du sable (> 0,5 mm) peut être mesurée par l’une des méthodes décrites précédemment. Cependant, les méthodes précédentes ne sont pas applicables pour les fines.. Figure I-2. Corrélation entre l’absorption d’eau et la teneur en pâte attachée, (Zhao, 2013). 25 / 233.

(26) Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés Les auteurs de l’étude (Le et al., 2015) divisent le sable en cinq fractions (0/0,5 mm ; 0,5/0,8 mm ; 0,8/1,6 mm ; 1,6/2,5 mm ; 2,5/4 mm). Ensuite, le coefficient d’absorption des trois fractions grossières est calculé. Par rapport à (Zhao et al., 2013) l’auteur (Le et al., 2016) utilise une méthode plus simple pour déterminer indirectement la teneur en ancienne pâte par une perte de masse au four entre 105 et 475 °C selon l’équation I-7 :. ∆m(105−475°C ) =. M 105 − M 475 .100 M 105. I-7. Avec la connaissance du pourcentage de perte de masse des classes fines et l’équation I-6, le calcul de l’absorption des fractions fines se fait par extrapolation linéaire (Figure I-3). Enfin, la détermination de l’absorption finale du sable se fait par la somme des absorptions de chaque fraction multipliées par leur pourcentage.. Figure I-3. Corrélation de perte de masse et d’absorption d’eau des fractions granulaires du sable recyclé, (Le et al., 2016).. Dans la suite de notre travail, l’absorption du sable recyclé ainsi que celle du sable naturel seront déterminées par la méthode N°78 (IFFSTTAR, 2010).. I.3 Méthodes développées I.3.1 Programme expérimental Le programme expérimental a été établi afin de comprendre l’absorption des granulats naturels et recyclés ainsi que leurs cinétiques. L’étude porte sur trois types de granulats : deux fractions de granulats naturels (GN) 4-10 mm et 6,3-20 mm obtenues par concassage du calcaire noir provenant de Givet (France), des granulats naturels calcaires (GNC) 4-20 mm obtenus par concassage du calcaire tendre de Beauvilliers (France) et des granulats recyclés (GR) 4-10 mm et 10-20 mm issus du recyclage des bétons de démolition (granulats du PN RECYBETON). Pour chaque fraction granulaire, deux essais ont été menés (Figure I-4). Le 26 / 233.

(27) Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés premier consiste à utiliser des granulats séchés à l’étuve à une température de (80 ± 5) °C (Oven dried, OD). Le second a été réalisé sur des échantillons dont la teneur en eau initiale (Natural Moisture, NM) résulte de la conservation dans une salle à température et humidité contrôlées (20 ° C, 50 % HR), jusqu’à masse constate (7-10 jours). a)- Graviers séchés à l’étuve (Oven Dried OD) 7-10 jours Séchage à l’étuve à 80±5°C jusqu’à masse constante. Essai au pycnomètre Pesée hydrostatique. Saturé surface sèche Msaturé. Minitiale. Séchage à l’étuve à 80±5°C jusqu’à masse constante MSSS. Msec. b)- Graviers dans un état d’humidité initial (Natural Moisture NM) 7-10 jours Humidité initiale dans une salle climatisée 20°C 50%HR. Saturé surface sèche. Essai au pycnomètre Pesée hydrostatique Minitiale. Msaturé. Séchage à l’étuve à 80±5°C jusqu’à masse constante MSSS. Msec. Figure I-4 Méthodologie expérimentale de la mesure de l’eau d’absorption.. Les deux essais (pycnomètre et pesée hydrostatique) sont lancés simultanément (Figure I-5) et les mesures sont automatiques à des pas de temps réguliers. Le Tableau I-6 récapitule l’ensemble des conditions des essais réalisés.. Figure I-5 Schéma des deux dispositifs en cours de mesure.. 27 / 233.

(28) Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés Tableau I-6 Récapitulatif des conditions des essais réalisés.. Essai au pycnomètre Fractions (mm). Pesée hydrostatique. Séché à l’étuve. Humidité initiale. Séché à l’étuve. Humidité initiale. (OD). (NM). (OD). (NM). Avec EA. Sans EA. Avec EA. Sans EA. Avec EA. Sans EA. Avec EA. Sans EA. GR 4-10 GR 10-20 GN 4-10 GN 6,3-20 GNC 4-20 EA : évacuation de l’air libéré par les granulats au cours de l’essai (figure I-6 (2) et figure I-8 (1)). I.3.2 Essai au pycnomètre La méthode RAWA (Tam et al., 2008) a été adaptée pour mesurer et prendre en compte la perte de l’eau due à l’évaporation ainsi que l’influence des bulles d’air piégées entre les granulats. La masse des granulats à l’état sec (Md) est obtenue après séchage dans une étuve à 80 ± 5 °C jusqu’à masse constante. En se basant sur des études menées par plusieurs chercheurs sur la décomposition thermique des pâtes de ciment (Stepkowska et al., 2004; Ye et al., 2007), nous supposons qu’il n’y aura pas de perte de l’eau chimiquement liée dans le cas des granulats recyclés avec un séchage à 80 ° C. Ensuite, l’échantillon de masse Md est placé dans un pycnomètre rempli d’eau déminéralisée jusqu’à une référence dans une salle climatisée (20 °C, 50 % HR). Le volume de l’échantillon dans le pycnomètre est équivalent à deux couches de gravier afin de pouvoir éliminer les bulles d’air par agitation manuelle. Les mesures sont réalisées aux échéances suivantes : 5 min, 10 min, 30 min, 1 h, 2 h, 4 h, 8 h, et 24 h, jusqu’à 7 jours ou plus. Le pycnomètre est placé sur une balance raccordée à un système d’acquisition automatisé. A chaque ajout d’eau, l’absorption des granulats et l’évaporation sont prises en compte (Figure I-6).. 28 / 233.

(29) Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés. Référence. Figure I-6 Essai au pycnomètre – procédure expérimentale. L’eau absorbée entre deux mesures est obtenue en calculant la différence entre deux valeurs maximum successives de la courbe (Figure I-7).. Masse du pycnomètre (g). 3390 Eau absorbée. MAb(tj) 3388 MAb(tj-1) 3386. Eau ajoutée. Eau évaporée. 3384. tj-1. 3382 0. 6. tj 12. 18. 24. GR 10-20_OD_EA. 30. 36. 42. 48. Temps (h). Figure I-7 – Masse du pycnomètre (0-48 heures).. L’enregistrement de la masse du pycnomètre débute 5 min après le premier contact de l’eau avec l’échantillon. L’absorption au temps t0 ne peut être calculée directement, elle est déduite à la fin de l’essai (quand la masse est constante ou lorsque il n’y a plus de changement de niveau d’eau dans le pycnomètre). Ensuite, pour déterminer l’état « saturé surface sèche » (SSS) à la fin de l’essai (temps tf), un séchage est réalisé par des chiffons jusqu’à ce que les films d’eau visible aient disparus en surface des grains (NF EN 1097-6, 29 / 233.

(30) Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés 2001). L’absorption calculée au temps tf est notée Ab(tf). Cependant, l’absorption au temps t0 = 5min notée Ab(t0) est alors déduite à partir de l’équation I-8 : Ab(t 0 ) = Ab(t f ) − 100. M Ab (t f ) − M Ab (t 0 ) Md. I-8. Avec MAb (tf) la masse du pycnomètre avec les granulats rempli d’eau à la fin de l’essai, et MAb (t0) la masse du pycnomètre (eau + granulats) 5 min après le premier contact de l’eau avec l’échantillon. La masse à l’état sec (Md) est déterminée par un séchage dans une étuve à la température de 80 ± 5 °C jusqu’à masse constante. L’absorption d’eau (en % de la masse sèche) à chaque pas de temps peut être calculée à partir de l’équation I-9 : i. ∑ (M Ab(t i ) = Ab(t 0 ) + 100. j =1. Ab. (t j ) − M Ab (t j −1 )) I-9. Md. Avec Md la masse des granulats secs, ti intervalle de mesure de l’absorption et MAb(tj) est la masse du pycnomètre (granulats + eau) au temps ti.. I.3.3 Pesée hydrostatique La procédure de la pesée hydrostatique donnée par (Djerbi Tegguer, 2012) a été adaptée de manière à prendre en compte l’absorption d’eau des granulats juste après immersion dans l’eau et avant le premier enregistrement. Le calcul de l’absorption d’eau se fait à partir des variations de la masse apparente de l’échantillon dans l’eau. Selon la méthode développée par Djerbi Tegguer (Djerbi Tegguer, 2012), la variation de la masse entre le temps d’immersion et la première mesure MWS n’est pas prise en compte (équation I-5), sachant que l’absorption durant les premières secondes est très rapide ( voir résultats Figure I-11). Dans le procédé proposé ici, l’échantillon est placé dans un bac suspendu à une balance reliée à un ordinateur. Au temps t = 0, le bac est immergé dans un bain d’eau à 20 °C. La quantité de granulats est équivalente à deux couches afin d’éliminer les bulles d’air par agitation (Figure I-8). L’acquisition des données débute 5 min après le premier contact de l’eau avec l’échantillon. L’essai est arrêté lorsqu’il n y a plus de variation significative de la masse apparente, et l’absorption finale à tf est calculée selon la norme EN 1097-6 (NF EN 1097-6, 2001), notée Ab(tF). Dans cette étude, l’absorption à t0 = 5 min est calculée selon l’équation I-10. La mesure de la masse dans l’eau avant le temps t0 n’est pas très fiable et. 30 / 233.

(31) Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés surtout pendant les premières minutes à cause de la libération significative de l’air piégé dans la porosité des granulats recyclés. Ab(t 0 ) = Ab(t f ) − 100. M w (t f ) − M w (t 0 ) Md. I-10. Avec Mw(tF) la masse apparente de l’échantillon dans l’eau à la fin de l’essai, et Mw(t0) la masse de l’échantillon 5 minutes après le premier contact de l’eau avec les granulats.. Figure I-8 - Procédure d’essai de la pesée hydrostatique. L’absorption d’eau (en % de la masse sèche) à chaque pas de temps peut être calculée à partir de l’équation I-11 (équation de Djerbi Tegguer (Djerbi Tegguer, 2012) modifiée) :. Ab(t i ) = Ab(t 0 ) + 100. M w (t i ) − M w (t 0 ) Md. I-11. Avec Mw(ti) la masse apparente du granulat dans l’eau à chaque pas de temps et Md la masse de la prise d’essai séchée à l’étuve (T=80 °C).. I.3.4 Tentative d’évaluation du gonflement des granulats recyclés : Combinaison de l’absorption et de la pesée hydrostatique D’après le bilan des forces représenté sur la Figure I-9 et l’expression de la poussée d’Archimède (équation I-12), si le suivi de l’absorption d’eau des granulats est différent de celui de la masse apparente dans l’eau, ceci peut provenir de déformations volumiques. Toutefois, l’essai de la pesée hydrostatique est le cumul de deux phénomènes simultanés : l’absorption d’eau et la variation volumique des granulats (gonflement des granulats). 31 / 233.

(32) Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés. Figure I-9 Schéma du dispositif de mesure de la masse apparente et bilan des forces. Avec T: tension dans le fil, Π: La poussée d’Archimède, P: le poids de l’échantillon. Selon le bilan des forces à un instant t : P (t ) = T (t ) + π (t ). I-12. La Figure I-10 illustre la définition des différents volumes pour la détermination des variations volumiques des granulats recyclés. Ces dernières peuvent être déduites en combinant deux mesures, le taux d’absorption et le suivi de la masse apparente dans le temps Mw(t) en utilisant l’équation I-11 :. Figure I-10 Pesée hydrostatique : définition des volumes. L’équation I-12 peut être écrite comme suit :. M S (t ) = M w (t ) + Vtot (t ) × d w 32 / 233.

(33) Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés. Vtot (t ) =. M S (t ) − M w (t ) dw. I-13. Avec : MS(t), la masse de l’échantillon (graviers), elle est supposée être constante, dw, poids volumique (dans cette étude dw est prise égal à 1 kg/l),. Vtot (t ) = VS + VV + Vint er − Vabs (t ) Supposer que l’air piégé entre les granulats est complètement évacué nous permet de ne pas tenir en compte du Volume inter-granulaire (Vinter=0) et le volume apparent des granulats peut être défini par Vapp = VS + VV donc le volume total peut être écrit selon l’équation I-14 : Vtot (t ) = V app − V abs (t ). I-14. En combinant les deux équations I-13 et I-14 on obtient. Vapp (t ) − Vabs (t ) =. M S (t ) − M w (t ) dw. On pose comme hypothèse que la masse de l’échantillon MS est constante,. ∆Vapp = ∆Vabs −. ∆M w dw. I-15. Dans le cas où le volume apparent des granulats Vapp est supposé constant, l’équation I-15 devient :. ∆Vabs = ∆M w Cela veut dire que l’absorption d’eau peut être déduite des variations de la masse dans l’eau en appliquant le principe de la poussée d’Archimède. Dans notre cas le volume d’eau absorbée Vabs(t) est exprimé en fonction des valeurs mesurées afin de vérifier expérimentalement cette hypothèse. L’équation I-15 devient : Vapp (t f ) − Vapp (t ) = Vabs (t f ) − Vabs (t ) − On note Vtot (t f ) = V f , 33 / 233. M w (t f ) − M w (t ) dw.

(34) Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés. Avec Vf : le volume d’eau final déplacé, V f =. M S − M w (t f ) dw. L’équation I-16 est utilisée dans le but de calculer les variations volumiques (gonflement) des granulats naturels et recyclés (voir paragraphe I.4.2).. Vapp (t ) − V f Vf. =−. ∆V Vabs (t ) − Vabs (t f ) − M w (t ) + M w (t f ) = Vf M S − M w (t f ). I-16. Avec tf est le temps à la fin de l’essai.. I.4 Résultats et discussions I.4.1 Effet de l’humidité initiale des granulats, de l’évacuation de l’air et de la méthode de mesure L’objectif principal de cette étude est de mettre en évidence l’influence de l’effet de l’humidité initiale et l’effet de la méthode (essai au pycnomètre et pesée hydrostatique). Les deux méthodes ont été utilisées pour chaque type de granulats (naturels et recyclés) simultanément (Figure I-5). Elles ont permis de mettre en évidence l’influence du type de granulat. Les granulats recyclés stockés à l’intérieur du laboratoire sont dans un état nommé « état d’humidité naturel ». Le taux de saturation initial des granulats se situait entre 30 et 60% (voir Figure I-11 à Figure I-14). A l’état d’humidité naturelle (Natural moisture NM), les granulats recyclés (GR) de fraction 4-10 mm ont généralement une plus grande capacité d’absorption que les granulats séchés à l’étuve (Oven-dried OD), et en particulier pendant les premières heures. Le premier point de la courbe dépend de l’état initial d’humidité. Si la masse de la prise d’essai est notée Minitiale (Figure I-4, partie 2), la valeur d’absorption est calculée par le rapport Minitiale/Md. Les granulats à l’état NM ont une saturation initiale généralement plus élevée que celle des granulats dans un état initial OD. Cette différence de saturation au début de mesure pourrait être le résultat d’un chemin plus continu dans la phase liquide au niveau de la porosité des granulats recyclés, ce qui facilite par la suite l’absorption d’eau par capillarité. Pour un même type de granulats, l’absorption d’eau a été mesurée par deux méthodes différentes (pycnomètre et pesée hydrostatique), la mesure a été réalisée sur des granulats à l’état OD avec et sans évacuation de l’air piégé entre les granulats (Figure I-10). Lorsque le pycnomètre est agité, la mesure de l’absorption montre une augmentation continue contrairement à la procédure sans évacuation de l’air piégé. Pour les granulats naturels calcaires (GNC) et les granulats recyclés (GR) de fraction 4-10 mm, nous avons observé un 34 / 233.

(35) Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés. 6. 6. 5. 5 Absorption (%). Absorption (%). changement d’allure des courbes d’absorption 2 heures après le début de l’essai et cette dernière semble diminuer (Figure I-11, Figure I-12, Figure I-15 et Figure I-16). Cela veut dire que le niveau d’eau dans le pycnomètre augmente au lieu de baisser, et la masse dans l’eau diminue au lieu d’augmenter. Effectivement les bulles d’air résultant de l’absorption n’ont pas été évacuées pendant ces essais et elles sont restées piégées entre les granulats. Après 24 heures l’absorption augmente à nouveau et à la fin de l’essai toutes les courbes convergent vers la même valeur d’absorption. Les GR de diamètre supérieur à 10 mm (GR de fraction 10-20 mm) ont mis en évidence le même effet du taux de saturation initial.. 4 3 2. GR 4-10_NM_pycno GR 4-10_OD_pycno. 1. 4 3 2. GR 4-10_NM_hydro GR 4-10_OD_hydro. 1. GR 4-10_OD_EA_pycno. 0 0,001. 0,01. 0,1. 1 10 Temps (h). 100. GR 4-10_OD_EA_hydro. 1000. Figure I-11 - GR 4-10, essai au pycnomètre.. 6. 6. 5. 5. 4 3 2. GR 10-20_ NM_pycno GR 10-20_OD_pycno. 1. 0,01. 0,1. 0,01. 0,1. 1 10 Temps (h). 100. Figure I-13 -GR 10-20, essai au pycnomètre.. 100. 1000. 4 3 2. GR 10-20_NM_hydro GR 10-20_OD_hydro. 1. GR 10-20_OD_EA_pycno. 0 0,001. 1 10 Temps (h). Figure I-12 -GR 4-10, pesée hydrostatique.. Absorption (%). Absorption (%). 0 0,001. GR 10-20_OD_EA_hydro. 0 0,001. 1000. 0,01. 0,1. 1 10 Temps (h). 100. Figure I-14 - GR 10-20, pesée hydrostatique.. 35 / 233. 1000.

(36) 3,5. 3,5. 3,0. 3,0. 2,5. 2,5. Absorption (%). Absorption (%). Chapitre I : Caractérisation des granulats recyclés. 2,0 1,5 GNC 4-20_OD_pycno. 1,0. GNC 4-20_NM_EA_pycno. 0,5 0,0 0,001 0,01. 1 10 Temps (h). 100. 1,5 GNC 4-20_OD_hydro. 1,0. GNC 4-20_NM_EA_hydro. GNC 4-20_OD_EA_pycno. 0,1. 2,0. 0,5. GNC 4-20_OD_EA_hydro. 0,0 0,001 0,01. 1000. Figure I-15 - GNC 4-20, essai au pycnomètre.. 0,1. 1 10 Temps (h). 100. 1000. Figure I-16 - GNC 4-20, pesée hydrostatique.. De manière générale, les résultats ont mis en évidence le même effet du taux de saturation initial des granulats et de l’air sur les courbes d’absorption. Ainsi, la mesure de l’absorption sans évacuation d’air affecte significativement les résultats obtenus. Cependant, l’influence (significative ou non) du taux de saturation initial et de la méthode utilisée semble dépendre du type et de la fraction granulaire étudiés. Les deux essais – pycnomètre et pesée hydrostatique – ont été réalisés pour chaque type de granulats (naturels et recyclés) en même temps (Figure I-5). Le Tableau I-7 récapitule tous les résultats d’absorption d’eau à 24 heures et à la fin de l’essai. Ils sont basés sur des mesures initiales en conditions OD. Les résultats montrent une bonne corrélation entre les deux méthodes. A ce stade la question qui se pose est : l’absorption d’eau à 24 heures est-elle suffisante pour prédire le comportement à long terme ? Le rapport Abs(24h)/Abs(tf) des différents granulats est donc également donné dans le Tableau I-7. Tableau I-7 Résultats d’absorption (%) à 24 heures et à la fin de l’essai. Essai au pycnomètre 24 h. tf. Pesée hydrostatique. Abs(24h)/. 24 h. Abs(tf). tf. Abs(24h)/ Abs(tf). GR 4-10. 5,16. 5,51. 94 %. 5,27. 5,62. 94 %. GR 10-20. 4,88. 5,25. 93 %. 4,89. 5,31. 92 %. GNC 4-20. 2,91. 3,05. 95 %. 2,95. 3,02. 98 %. GN 4-10. 0,59. 0,61. 97 %. 0,61. 0,65. 94 %. GN 6.3-20. 0,55. 0,57. 97 %. 0,49. 0,55. 89 %. 36 / 233.