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La production des granulats de béton recyclé (GBR)
Globalement les déchets de la Construction & Démolition sont constitués de grandes quantités de matériaux inertes [1]. Selon les enquêtes nationales SOeS de 2014, en France, les déchets des bâtiments sont de l’ordre de 46 millions de tonnes [2]. La quantité de déchets à base de béton est d’environ 17 millions de tonnes [2]. Afin d’éviter leur stockage dans des dépôts sauvages comme l’indique le point 33 de la feuille de route économique circulaire (Frec) [3], ces déchets pourraient être recyclés sous forme de granulats.
Les granulats de béton recyclé sont fabriqués sur des plateformes fixes ou mobiles qui transforment les matériaux inertes des chantiers de déconstruction [4]. Le recyclage de tels matériaux commence avec un tri sur le chantier de déconstruction pour s’assurer que seuls les matériaux valorisables sont inclus dans le processus de recyclage. Cette action est réalisée en fonction de l’ancienneté de l’ouvrage, car certains composants ne peuvent pas être utilisés pour former des gravillons recyclés comme le plâtre, le bois…. Les plateformes permettent d’obtenir différentes classes granulaires : gravillons et sables. Les procédés de fabrication des granulats recyclés varient en fonction des plateformes de recyclage. Généralement les opérations comprennent une phase d’extraction des éléments métalliques par des aimants, des systèmes de tri pour l’élimination de contaminants légers (bois, plastique, etc), concassage/criblage et floculation des argiles [5], [6]. La complexité de la plateforme de fabrication dépend de la réglementation de chaque pays ou région. L’élimination des contaminants est importante, car ces derniers peuvent nuire à la qualité du béton dans lequel les granulats de béton seront recyclés. Une attention particulière doit être portée aux sables de béton recyclé (SBR), car le processus a tendance à y accumuler les contaminants.
Propriétés physiques de GBR
Le granulat SBR peut être considéré comme un matériau à deux phases : le granulat naturel et la pâte de ciment résiduelle. À l’échelle micro, une troisième phase lui est attribuée, étant l’interface entre le granulat naturel et la pâte résiduelle [7]. Plus précisément, ces interfaces affectent le concassage et ainsi les propriétés physiques du GBR telles que (i) la forme des granulats et leur texture (ii) la distribution granulométrique et (iii) l’absorption de l’eau [8], [9].
Parce que la pâte de ciment est en général plus poreuse et moins résistante que le granulat naturel, elle modifie les propriétés des granulats recyclés. Et comme la proportion de pâte augmente en général quand la taille des GBR diminue [11], l’effet est plus marqué sur les sables de béton recyclé que sur les gravillons, notamment en ce qui concerne la densité, la porosité ou le taux d’absorption en eau [7], [12]–[14]. Les conséquences néfastes sur les propriétés des bétons dans lesquels ils sont ensuite recyclés sont logiquement plus marquées avec les sables. C’est la norme NF EN 12620+A1 [15] qui définit les termes relatifs aux granulats pour la fabrication du béton. Les sections suivantes décrivent certaines propriétés des GBR.
Morphologie et texture des GBR
À ce jour, aucune étude n’a été réalisée pour comparer la rugosité des granulats SBR à celle des granulats naturels. Toutefois, en raison de la pâte de mortier résiduelle, il peut-être suggéré que la rugosité du SBR est supérieure à celle du sable [16]. Si la rugosité dépend alors de la pâte résiduelle, elle dicte également la morphologie des gravillons. On constate indirectement que la pâte de ciment résiduelle donne un côté frottant aux granulats recyclés qui se traduit par des valeurs faibles de compacités en particulier des sables recyclés [11]. Une conséquence bien connue de ce fait est que la demande en eau des bétons contenant des GBR augmente avec le taux de recyclage [17]. A ce sujet, la morphologie des gravillons recyclés pourrait donc être modifiée par la mise en œuvre de techniques visant à éliminer la pâte mortier résiduel. Si de multiples procédés de broyage et d’attaques chimiques sont appliqués à la surface de gravillons recyclés, leur morphologie peut changer vers une forme sphérique, plus allongée [18], [19] (Figure 2). Ce qui peut contribuer à améliorer leur distribution granulométrique.
Distribution granulométrique
La granulométrie décrit la distribution des tailles des granulats. Ce paramètre est d’une grande importance, car l’ouvrabilité du béton en dépend. Sur ce dernier point, il a été démontré qu’en utilisant une bonne distribution granulométrique, il est possible de réduire le ciment ajouté de 50% et les émissions de CO2 de 25% [20]. Il est important de noter que la distribution granulométrique de gravillons recyclés est fortement liée au type de béton recyclé et au type de broyage effectué [7]..
Porosité et absorption d’eau
Les granulats, de façon générale, présentent une certaine porosité qui est accessible par l’eau. L’absorption d’eau quantifie la masse d’eau qui peut pénétrer dans cette porosité rapportée à la masse sèche du granulat. La masse d’eau absorbée est mesurée en faisant la différence entre la masse à l’état saturé surface sèche [7][21], [22], et la masse sèche. La norme EN 1097-6 :2013 [23] précise le mode opératoire pour évaluer cette grandeur.
La connaissance de cette valeur est indispensable pour calculer l’eau efficace d’un béton. L’eau efficace est l’eau totale contenue dans une formule de béton réduite de l’eau absorbée par les granulats. C’est donc l’eau réellement disponible pour la pâte de ciment. C’est l’eau efficace, et non l’eau totale, qui pilote l’ouvrabilité du béton. C’est également l’eau efficace qui est prise en compte pour l’évaluation de la résistance des bétons [24], et dans les critères de durabilité du tableau de la norme béton EN 206/CN [25]. La pâte de ciment présente une porosité nettement plus importante que les granulats naturels. De par leur nature composite, il en découle que les GBR ont une absorption en général sensiblement plus élevée que les granulats naturels. De plus, comme la proportion de pâte augmente quand la taille des grains diminue, les SBR présentent une absorption plus élevée que les gravillons de béton recyclé. C’est ainsi que l’absorption des gravillons de béton recyclé est typiquement dans la gamme 2.6 – 6.2 %, alors que celle des SBR est plutôt dans la gamme des 6.3-8.6% [26]. Il est donc particulièrement important de prendre en compte l’absorption des GBR lorsque l’on formule un béton avec des granulats recyclés. À titre d’illustration, pour un béton contenant 1500 kg/m3 de GBR d’absorption moyenne de 6%, l’eau absorbée représente 90 l/m3 alors que l’eau efficace visée est typiquement entre 160 et 180 l/m3.
Si l’absorption d’eau est relativement constante ou modérée, il est donc assez facile d’anticiper l’eau qu’il est nécessaire d’ajouter à un mélange de béton en fonction de l’état d’humidité réelle du granulat en écrivant l’équation (1):
Eeff = Eaj + Eg – Eabs .
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Table des matières
Introduction
1. Références
Chapitre 1 : Synthèse Bibliographique
1. La production des granulats de béton recyclé (GBR)
2. Propriétés physiques de GBR
2.1. Morphologie et texture des GBR
2.2. Distribution granulométrique
2.3. Porosité et absorption d’eau
2.4. Propriétés mécaniques
2.5. Propriétés chimiques
2.6. Contaminants dans les GBR
2.7. Conséquences sur la formulation des bétons incorporant des GBR
3. Amélioration de la qualité des GBR
3.1. Traitement thermique, mécanique et chimique
3.2. Carbonatation
3.2.1. Carbonate de calcium
3.2.2. Carbonatation du béton
3.2.3. Carbonatation accélérée
4. La bioprécipitation
4.1.1. Rôle des sites de nucléation de la paroi cellulaire dans la bioprécipitation
4.2. Influence des paramètres environnementaux
4.2.1. Humidité relative
4.2.2. Le pH
4.2.3. Moteur d’alcalinité
4.2.4. La température
4.3. Conclusion
5. Biofilm
5.1. Formation du biofilm bactérien
5.1.1. Adhésion
5.1.2. Colonisation
5.1.3. Maturation
5.1.4. Dispersion
5.2. Formation d’un biofilm uniforme
5.3. Formation de CaCO3 à travers du Biofilm
5.4. Conclusion
6. Application de la bioprécipitation
6.1. Application sur les matériaux cimentaires, roches et sables
6.2. Bioprécipitation sure de gravillons recyclés (GBR)
7. Conclusion de la bibliographie et plan de travail
8. Références
Chapitre 2 : Matériel et Méthodes
1. Milieu de culture
1.1. Milieu nutritif à pH 11
1.2. Milieu MSgg (Minimum Salts glycerol-glutamate) à pH 11
1.3. Milieu nutritif-MSgg pH 11
2. Milieu gélosé
3. Coloration Gram
4. Mise en culture et dénombrement des microorganismes
4.1. Mise en culture
4.2. Conservation des souches bactériennes à -20°C
4.3. Dénombrement sur milieu gélosé
5. Développement bactérien
5.1. Suivi de la croissance bactérienne par densité optique
5.2. Par analyse d’image sur Gélose
5.2.1. Mise en place d’un mini studio
5.2.2. Analyse d’image, logiciel Image J : estimation de la taille des colonies et recouvrement de la biomasse
6. Analyse qualitative et quantitative du CaCO3 bioprécipité
6.1. Analyse qualitative
6.1.1. Microscopie RAMAN
6.1.2. Diffraction des rayons X (DRX)
6.2. Quantification du CaCO3 par Analyse Thermogravimétrique (ATG)
6.3. Calcul du rendement de formation du CaCO3
7. Mortiers
7.1. Frabrication des mortiers
7.2. Observations des mortiers au MEB
8. Références
Chapitre 3 : Isolement, sélection et identification de microorganismes présents à la surface de gravillon de béton recyclé
1. Étude génomique de la capacité de B. halodurans à former un biofilm
1.1. Méthodologie spécifique
1.2. Résultat
1.3. Discussion et conclusion
2. Isolement de souches bactériennes
2.1. Méthodologie spécifique
2.2. Résultats
2.3. Discussion
3. Croissance à pH alcalin en milieu nutritif
3.1. Méthodologie spécifique
3.2. Résultats
3.3. Discussion et conclusion
4. Capacité à former un biofilm sur milieu MSgg
4.1. Méthodologie spécifique
4.2. Résultats et discussion
4.3. Conclusion
5. Identification de trois souches
5.1. Observation microscopique et coloration Gram
5.1.1. Résultats et discussion
5.1.2. Conclusion
5.2. Identification phylogénétique
5.2.1. Résultats et discussion
6. Développement en suspension et gélose nutritive
6.1. Développement en suspension
6.1.1. Résultats
6.1.2. Discussion et conclusion
6.2. Développement sur gélose : Cinétique de croissance sur culture nutritive, MSgg et nutritive-MSgg
6.2.1. Méthodologie spécifique
6.2.2. Résultats et discussion
6.2.3. Conclusion
6.3. Cinétique de croissance sur gélose, modifiée
6.3.1. Méthodologie spécifique
6.3.2. Résultats et discussion
6.3.3. Conclusion
7. Conclusion du Chapitre
8. Références
Conclusion
