Absorption d’eau des granulats poreux

Face à la pénurie de granulats alluvionnaires, l’utilisation de granulats issus de roches massives est devenue systématique. De plus, les bâtiments en béton de l’après-guerre arrivant en fin de vie, les déconstructions vont se multiplier et créer des gisements en granulats recyclés qu’il ne sera pas possible d’enterrer ou de stocker. Le secteur du BTP produit environ 300 millions de tonnes de déchets inertes par an dont le béton déconstruit. Le recyclage de ces matériaux complexes, composés d’ancien granulat naturel et de mortier adhérent très poreux, s’impose donc face à l’enfouissement avec un objectif européen de 70% de valorisation d’ici 2020 en sous couche routière mais aussi en remplacement de granulats naturels [1][2].

L’influence de la porosité élevée et de l’angularité de ces granulats concassés et recyclés, liées à la présence de pâte de ciment adhérente et au concassage mécanique, sur le comportement des matériaux cimentaires à l’état frais et à l’état durci est extrêmement importante et très étudiée dans la littérature. De nombreuses études ont été réalisées sur les conséquences de l’absorption d’eau de granulats recyclés grossiers sur les propriétés rhéologiques, mécaniques et de durabilité de bétons intégrant ces nouveaux matériaux. L’absorption d’eau élevée des granulats grossiers peut réduire l’ouvrabilité des matériaux cimentaires par l’absorption d’une part de l’eau de gâchage avant la mise en place. A l’état durci, la fragilité de ces grains composés en grande partie de mortiers poreux induit une diminution de la résistance mécanique et de la durabilité vis-à-vis des espèces agressives telles que les chlorures [3- 7]. L’absorption d’eau et la microstructure de ce type de granulats sont donc des paramètres clés à maîtriser pour la prédiction du comportement rhéologique et mécanique de matériaux intégrant des granulats recyclés. Dans la littérature existante, les travaux sont essentiellement réalisés sur des bétons dont une part des granulats naturels a été substituée par des granulats recyclés de bétons concassés. En revanche, le sable recyclé, souvent composé uniquement de mortier concassé, est très peu utilisé en substitution du sable naturel. En effet, l’absorption du sable recyclé est difficilement mesurable par la norme actuellement utilisée pour caractériser les granulats. Cette norme consiste à déterminer un état dit « saturé surface sèche » et dans le cas de granulats recyclés, la rugosité de surface rend particulièrement difficile la détermination visuelle de cet état [8]. Des études portent également sur la cinétique d’absorption. Les granulats recyclés, étant composés de fragments de bétons dont l’origine est souvent mal connue, peuvent avoir des cinétiques d’absorption différentes. L’absorption d’eau est plus ou moins rapide en fonction de la microstructure de la matrice cimentaire du béton concassé. Ceci peut avoir un impact sur la rhéologie du matériau en diminuant sa fluidité pendant la mise en place. Pour les granulats grossiers de taille centimétrique, des méthodes de pesée hydrostatique ont été mises en place mais dans le cas de sable, le dégagement de l’air contenu dans les grains rend difficile l’interprétation des résultats [9-11].

Détermination de l’absorption d’eau de granulats par la norme NF-1097-6 

Les granulats sont généralement caractérisés par des essais normalisés donnant des informations sur leur masse volumique et leur absorption d’eau à 24h.

Pour cette étude, nous avons déterminé l’absorption d’eau à 24h de chaque type de sables par l’essai normalisé qui consiste à immerger les granulats dans un pycnomètre rempli d’eau et à compléter la baisse du niveau de l’eau au cours de l’essai. La difficulté de cet essai pour les sables provient de l’élimination des bulles qui peuvent rester piégées entre les grains. Il convient donc de secouer régulièrement le pycnomètre et surtout à la fin de l’essai afin d’éliminer le maximum de bulles pour compléter le volume d’eau effectivement absorbé par les grains. Dans le cas de sables recyclés composés essentiellement d’ancienne pâte de ciment, nous avons relevé une autre difficulté provenant des laitances expulsées par le matériau pendant l’essai dues à la lixiviation qui rendent le niveau de l’eau moins visible. De nombreuses erreurs de mesure peuvent s’accumuler pendant cet essai et fausser le résultat final. En fin d’essai, les granulats sont séchés en surface à l’aide d’un sécheur et l’état dit « saturé surface sèche » est déterminé visuellement. Des indications sont données dans la norme NF 1097-6 dans le cas de sable mais cette étape est source d’erreurs qui s’accumulent aux précédentes.

Pesée hydrostatique

La pesée hydrostatique a été développée pour déterminer la cinétique d’absorption de granulats [9-10]. L’échantillon est placé dans un récipient en verre et l’ensemble est immergé dans un bain thermostaté à 20°C . La masse de l’échantillon immergé est enregistrée au cours du temps et dans les premières minutes, l’échantillon est remué de façon à éliminer les bulles d’air pouvant rester coincées dans l’empilement.

Séchage

Conditions de l’essai et matériels 

Les essais de séchage sont réalisés dans un tunnel de séchage de section 50x70cm. Les conditions ont ainsi pu être contrôlées pendant l’essai. Un sécheur d’air permet d’injecter de l’air sec à un débit contrôlé de 40L/min. La température dans le tunnel oscille entre 20 et 22°C.

Les granulats sont pré-saturés pendant 24 heures et étalés dans un récipient rectangulaire de dimensions 18×22 cm de façon à obtenir un lit relativement homogène et monocouche de granulats. Dans le cas de mélanges de granulats de tailles différentes, il est assez difficile d’obtenir une seule couche de granulats mais l’épaisseur du lit ne dépasse pas la taille du plus gros granulat (4-5mm de diamètre). Des balances connectées à un ordinateur permettent d’obtenir un suivi de masse des échantillons au cours du temps. A la fin de l’essai, l’échantillon est séché à l’étuve à 105°C dans le cas des granulats naturels et à 75°C dans le cas des granulats recyclés.

Microscopie électronique à balayage

Pour les observations au MEB, les échantillons ont été sciés de façon à obtenir des cubes qui ont ensuite été séchés à 45°C jusqu’à masse constante. Les échantillons ont ensuite été enduits de résine epoxy sous vide. Après un séchage de 24h, les échantillons résinés ont été polis et métallisés au carbone. Les observations ont été réalisées avec un MEB conventionnel.

Porosimétrie par intrusion de mercure 

La porosimétrie par intrusion de mercure permet de caractériser l’évolution de la structure d’un matériau poreux. Nous utilisons un porosimètre équipé de deux postes basse et haute pression : « Pascal 140 » (0,01 kPa ≤ PHg ≤ 100 kPa) et «Pascal440» (0,1 MPa ≤ PHg ≤ 400 MPa) permettant d’accéder aux pores de rayon compris entre 1,8 nm et 60 μm. Cette technique permet d’obtenir une distribution en taille de pores. Avant la mesure, les échantillons sont séchés sous vide à 45°C dans le cas de nos matériaux. Pour que le mercure, liquide non mouillant, pénètre une structure poreuse, il faut lui appliquer une pression d’autant plus forte que la porosité est fine. Un échantillon est placé dans un bain de mercure et à chaque incrément de pression, le volume cumulé de mercure pénétrant les pores est mesuré.

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Table des matières

ABSTRACT
REMERCIEMENTS
TABLE DES MATIERES
Liste des Figures
Liste des Tableaux
Introduction générale
Chapitre 1 : Matériels et méthodes
1.1. Présentation des matériaux
1.1.1 Ciment
1.1.2 Granulats
1.1.3. Préparation des matériaux
1.2. Présentation des méthodes utilisées
1.2.1. Détermination de l’absorption d’eau de granulats par la norme NF-1097-6
1.2.2. Pesée hydrostatique
1.2.3. Séchage
1.2.3.1. Conditions de l’essai et matériels
1.2.3.2. Méthode graphique utilisée pour la détermination de l’absorption d’eau des granulats
1.2.4. Mesure de la perte de rhéologie de mortiers par essai d’étalement
1.2.5. Résonance magnétique nucléaire Spectrométrie
1.2.7. Microscopie électronique à balayage
1.2.8. Porosimétrie par intrusion de mercure
Chapitre 2 : Détermination de l’absorption d’eau de granulats poreux par séchage
2.1. Séchage d’un milieu poreux
2.1.1. Evaporation de l’eau
2.1.2. Séchage d’un milieu poreux : Ecoulement de l’eau et diffusion de la vapeur d’eau
2.2. Séchage d’un lit monocouche de particules millimétriques
2.2.1 Séchage d’un lit monocouche de billes de verre
2.2.2 Séchage d’un lit de granulats
2.2.2.1. Séchage de granulats en environnement contrôlé
2.2.2.2. Séchage de granulats en conditions non contrôlées
Conséquences pratiques
Conclusion du chapitre
Chapitre 3 : Influence de la cinétique d’absorption de granulats poreux sur le maintien de la rhéologie d’un matériau cimentaire
3.1. Rhéologie des matériaux cimentaires
3.1.1. Evolution du seuil d’écoulement de pâte de ciment – Contribution de l’hydratation du ciment
3.1.2. Rhéologie de mortiers de granulats poreux – Contribution de l’hydratation du ciment, du squelette granulaire et de l’absorption d’eau
3.1.3. Rhéologie de mortiers de granulats poreux – Contributions relatives de l’hydratation du ciment et de l’absorption d’eau
3.1.4. Rhéologie de mortiers de granulats poreux – Contribution de l’absorption d’eau des granulats
3.1.5. Corrélation entre la perte de rhéologie de mortiers et l’absorption d’eau des granulats
3.2. Influence de l’état initial d’humidité de granulats sur l’évolution du seuil de mortiers au cours du temps et de la formulation
3.2.1. Mortiers avec quantité d’eau totale constante
3.2.2. Mortiers avec quantité d’eau de gâchage constante
Conclusion du chapitre
Chapitre 4 : Suivi de l’imbibition de granulats poreux par résonance magnétique nucléaire
4.1. Résonance magnétique nucléaire du proton : principe et séquences utilisées
4.1.1. Principe de la RMN
4.1.2. Séquences utilisées
4.1.2.1. Séquence de suivi de T1 par inversion-récupération
4.1.2.2. Séquence de suivi de T2 par spectrométrie RMN
4.2. Transferts d’eau dans les granulats poreux
4.2.1. Cinétique d’absorption de granulats poreux dans l’eau
4.2.1.1. Effet de la taille de l’échantillon
4.2.1.2. Effet de la viscosité du fluide
4.2.2. Transferts d’eau entre les granulats poreux et une pâte de ciment fraîche
4.2.2.1. Cinétique d’absorption d’eau de granulats poreux dans un pâte de ciment fraîche
4.2.2.2. Colmatage des pores par les inclusions solides
4.2.2.3. Conséquences du dégagement d’air pendant l’absorption d’eau
4.2.2.4. Effet de la fraction volumique solide
4.2.2.4.1. Absorption de granulats dans une suspension de billes de polystyrène
4.2.2.4.2. Absorption de granulats dans une pâte de ciment fraîche
4.2.2.5. Conséquence de la présence de calcium sur l’absorption d’eau
Conséquences pratiques
Conclusion du chapitre
Conclusion générale 

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