Soutenance mémoire
Matériaux cimentaires à base de fines recyclées
La préservation des ressources est l’un des grands défis auxquels l’humanité doit faire face afin d’assurer un niveau de vie suffisant pour les générations présentes et futures, sans puiser dans les ressources fournies par l’environnement naturel. Dans ce contexte, le recyclage du béton issu de la déconstruction est considéré comme un sujet à promouvoir, car il permet de substituer des ressources non renouvelables qui sont très utilisées dans le domaine des matériaux cimentaires.
Réduction des émissions de CO2 des matériaux cimentaires
Le ciment est le liant hydraulique le plus répandu au monde. Cette matière pulvérulente, majoritairement constituée de clinker (78 % en moyenne sur l’ensemble des ciments produits en France) [Infociments, 2015], qui, avec l’eau, forme une pâte capable de durcir, représente également la principale source d’impacts environnementaux des matériaux à base de ciment [Salas et al., 2016]. En effet, la fabrication d’un clinker nécessite la cuisson d’un mélange appelé « cru ». Ce cru est généralement composé à 80 % de calcaire et à 20 % d’argile. Les deux principaux impacts sur l’environnement liés à la production du clinker sont donc :
● La diminution des ressources naturelles par l’extraction en carrière du calcaire et de l’argile pour la confection du cru ;
● La pollution par l’émission de CO2 principalement due à la cuisson du cru.
Préservation des ressources naturelles
Que cela soit pour le ciment, le sable ou les gravillons, l’extraction en carrières pour la confection du béton reste un problème environnemental important. En France, on dénombre 4 276 carrières déclarées actives [Colin et al., 2014]. Le domaine des travaux publics est le plus grand consommateur avec plus de 300 millions de tonnes de granulats extraits en France en 2015 [UNICEM, 2016].
En 2014, ce sont 16,5 millions de tonnes de ciment [Infociments, 2015] sur les 4 180 millions de la production annuelle mondiale qui sortent des cimenteries françaises (Figure I.10) [Jewell et al., 2015]. Sur ces 4 milliards de tonnes, 60 % sont attribuées uniquement à la production chinoise [Xu et al., 2015][Infociments, 2015]. Ce sont autant de matières naturelles extraites qui amenuisent les ressources naturelles avec des effets qui peuvent parfois être irréversibles. L’empreinte écologique laissée par la fabrication des ciments est loin d’être négligeable, d’autant plus que le marché mondial poursuit sa croissance tirée par les pays émergents avec une augmentation en 2014 de 4,5 % par rapport à 2013 [Jewell et al., 2014] et de plus de 50 % par rapport à 2008 (Figure I.10) [Salazar et al., 2010].
L’utilisation de matériaux alternatifs pour la création de bétons est donc au cœur des préoccupations du XXIe siècle. En effet, en 2012, presque 800 millions de tonnes de matières premières ont été extraites du sol français [ADEME, 2015] dont 50 % attribuées uniquement à la création des matériaux de construction (autre que bois et acier) (Figure I.11). Dans d’autres domaines que le génie civil, l’utilisation des déchets est une alternative à l’exploitation des ressources naturelles. L’approche de recyclage du béton démoli pour préserver les ressources naturelles a fait son apparition dans le bâtiment il y a peu de temps (XXIe siècle). Cette valorisation est cependant déjà bien utilisée dans le domaine des travaux publics comme remblais [Institut français de l’environnement, 2007]. Dans l’optique de préserver les ressources naturelles, l’utilisation du béton démoli pour la confection de nouveaux ciments ou de nouveaux bétons serait une solution. Une substitution du calcaire par du béton démoli pour la confection du cru entrainerait une diminution des exploitations des ressources naturelles. L’incorporation directe du béton démoli dans de nouveaux bétons permettrait également une diminution des espaces de stockage des déchets de ce béton démoli.
Diminution des espaces de stockage des déchets de bétons démolis
Le secteur du bâtiment et des travaux publics représente à lui seul 41 % de la production totale de déchets qui était de 868 millions de tonnes en 2012 (Figure I.12) [ADEME, 2015]. Cette production de déchets dans le secteur du bâtiment et des travaux publics est répartie en trois grandes activités : les chantiers de construction, les chantiers de démolition et ceux de réhabilitation . Les natures des déchets générés dans ces trois activités sont de même type et réparties en trois catégories de déchets [FFB, 2014] :
● Les déchets inertes (72,4 % des déchets du bâtiment) ;
● Les déchets non dangereux non inertes (26,1 % des déchets du bâtiment) ;
● Les déchets dangereux (1,5 % des déchets du bâtiment).
Plusieurs projets de recherche traitent à l’heure actuelle de la valorisation des déchets inertes issus du Bâtiment et Travaux Publics (BTP), soit 72,4 % des déchets.
Depuis juin 2015, le plan régional de prévention et de gestion des déchets de chantiers (PREDEC) est adopté en France. Des objectifs pour 2020 et 2026 ont été énoncés dans ce plan régional qui vise à renforcer l’offre et développer la demande en granulats recyclés issus de bétons de démolition, en s’appuyant sur les résultats et conclusions de projets tels que RECYBETON. L’utilisation de granulats recyclés, en substitution aux granulats naturels, n’entre pas dans l’objectif de réduction de la quantité de CO2 libérée lors de la confection de béton. Or, l’utilisation du béton déconstruit sous forme d’addition minérale en substitution au ciment permettrait à la fois une préservation des ressources naturelles et une diminution de la quantité de CO2. Cette dernière, sous réserve que leurs transformations en fine n’émettent pas plus de CO2 que l’usage d’une quantité de ciment équivalent.
Réutilisation des fines recyclées
En effectuant un concassage plus poussé du béton de déconstruction, on peut créer une poudre suffisamment fine afin d’être utilisée comme addition dans la confection de matériaux cimentaires ou comme matière première pour le cru dans la fabrication du clinker. Quelques études sur la substitution du ciment par des fines issues de béton de déconstruction ont été menées depuis 2006 [Galbenis et al., 2006][Fridrichova et al., 2006][Shui et al., 2009][Florea, Ning, et al., 2013]. Les chapitres qui suivent rendent une analyse critique de la valorisation des fines issues d’un recyclage pour la fabrication d’un nouveau clinker ou en tant qu’addition minérale dans la confection de nouveaux matériaux cimentaires.
Valorisation en tant que matière première dans la fabrication du clinker
Dans le domaine des matériaux cimentaires, plusieurs études ont permis l’utilisation de déchets industriels (cendres volantes et laitiers de haut-fourneau) en vue de réduire la quantité de clinker dans le ciment. A travers l’utilisation de ces différents produits, il est possible de réduire la consommation des matières premières utilisées pour la production du clinker [Chen et al., 2009]. Dans la même optique de valorisation et en utilisant des techniques de laboratoire, plusieurs chercheurs ont essayé de fabriquer un clinker à partir d’un cru composé de déchets de construction. Galbenis et al. [Galbenis et al., 2006] ont utilisé deux granulats de nature différente, issus d’un recyclage de bétons et de maçonneries. Une étape de broyage à 90 µm, suivie d’une cuisson à différentes températures (supérieures à 1350 °C) pendant 1 heure ont permis d’obtenir différents clinkers. Le cru avec des granulats recyclés améliore l’aptitude à la cuisson du cru par rapport à un cru de clinker de référence. L’amélioration de la combustibilité est attribuée au fait que les granulats recyclés ajoutés sont constitués de matériaux (ciment, brique, etc.) qui ont déjà été brûlés à des températures élevées. Pour cette raison, ils ont besoin de moins d’énergie pour former les principales phases du clinker. Les auteurs ont constaté une amélioration du bilan énergétique lors de la cuisson par rapport à un cru classique, sans que les propriétés chimiques du clinker généré ne soient pour autant dégradées [Galbenis et al., 2006]. Fridrichova et al. [Fridrichova et al., 2006] ont analysé les caractéristiques minéralogiques, chimiques et granulométriques de plusieurs échantillons de bétons concassés prélevés dans des usines de traitement de déchets de construction. Des teneurs plus élevées en SiO2 et plus faibles en CaO ont été relevées et prises en compte dans la formulation du cru pour la fabrication d’un clinker. Par une correction de la teneur en fer et un ajout de calcaire, un clinker proche du clinker présent dans un ciment Portland a pu être préparé. Ce clinker broyé a toutes les caractéristiques d’un CEM I 42,5 R [Fridrichova et al., 2006]. Shui et Florea [Shui et al., 2009][Florea et al., 2013] ont mené des études sur des fines issues de pâtes de ciment traitées thermiquement, dans l’objectif de comprendre comment réagit la fine lors de la cuisson pour former un nouveau clinker. Les phases de cuisson observées par ces deux chercheurs se composent d’une phase de montée en température, d’un palier de 2,5 heures préconisé par Shui [Shui et al., 2009] et d’un refroidissement naturel .
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I. Matériaux cimentaires à base de fines recyclées
I.1. Introduction
I.2. Réduction des émissions de CO2 des matériaux cimentaires
I.3. Préservation des ressources naturelles
I.4. Diminution des espaces de stockage des déchets de bétons démolis
I.5. Réutilisation des fines recyclées
I.5.1. Valorisation en tant que matière première dans la fabrication du clinker
I.5.2. Valorisation en tant qu’addition minérale sans prétraitement thermique
I.6. Conclusion
Chapitre II. Hydratation des matériaux cimentaires
II.1. Introduction
II.2. Processus d’hydratation
II.3. Hydratation des matériaux cimentaires à faible teneur en clinker
II.4. Hydratation des matériaux cimentaires à base de fines recyclées sans prétraitement thermique
II.5. Paramètres influençant l’hydratation
II.5.1. Paramètres intrinsèques au matériau
II.5.1.1. La composition chimique du clinker
II.5.1.2. La granularité
II.5.1.3. Le rapport eau sur ciment (E/C)
II.5.2. Paramètres extrinsèques au matériau
II.5.2.1. La température (T°)
II.5.2.2. L’humidité relative ambiante (HR)
II.5.2.3. Le mode de malaxage
II.6. Caractérisation expérimentale de l’hydratation
II.6.1. Degré d’hydratation
II.6.2. Degré d’avancement de l’hydratation
II.6.3. Degré d’hydratation ultime
II.7. Modélisation de l’hydratation
II.7.1. Principaux modèles d’hydratation
II.7.1.1. Modèles analytiques
II.7.1.2. Modèles semi-analytiques
II.7.1.3. Modèles thermodynamiques
II.7.1.4. Modèles associés au développement de la microstructure
II.7.2. Choix du modèle
II.8. Conclusion
Chapitre III. Programme expérimental
III.1. Introduction
III.2. Matières premières
III.2.1. Ciment Portland CEM I 52,5 N
III.2.2. Fine recyclée
III.2.2.1. Pâte de ciment d’origine
III.2.2.2. Méthodes de caractérisation de la fine recyclée
III.2.2.3. Propriétés de la fine recyclée (FPO)
III.2.3. Sable
III.3. Compositions des mortiers et de leurs pâtes de ciment équivalentes
III.4. Préparation et cure des échantillons
III.5. Propriétés des mortiers et des pâtes équivalentes
III.5.1. Affaissement au mini-cône
III.5.2. Demande en eau
III.5.3. Hydratation
III.5.3.1. Calorimétrie semi-adiabatique
III.5.3.2. Analyse thermogravimétrique (ATG)
III.5.3.3. Quantification des C-S-H par absorption d’eau
III.5.3.4. Spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF)
III.5.4. Microstructure
III.5.4.1. Porosimétrie à l’eau
III.5.4.2. Isothermes de sorption et de désorption
III.5.4.3. Coefficient de diffusion hydrique
III.5.5. Résistance à la compression
III.5.6. Carbonatation accélérée
III.6. Synthèse du programme expérimental
III.7. Conclusion
Chapitre IV. Résultats et analyses
IV.1. Introduction
IV.2. Rôle des hydrates et du clinker anhydre de FPO
IV.2.1. Influence de FPO sur l’état frais des mortiers
IV.2.2. Cinétiques d’hydratation
IV.2.2.1. Chaleur d’hydratation des mortiers
IV.2.2.2. Quantité de Portlandite par ATG
IV.2.2.3. Quantité de Portlandite par IRTF
IV.2.3. Evolution de la microstructure des mortiers et des pâtes équivalentes
IV.2.3.1. Porosité accessible à l’eau
IV.2.3.2. Isothermes de sorption et de désorption de la vapeur d’eau
IV.2.3.3. Coefficient de diffusion hydrique des pâtes de ciment
IV.2.4. Propriétés mécaniques des mortiers
IV.2.5. Quantité de C-S-H des pâtes de ciment
IV.2.6. Cinétique de carbonatation accélérée des mortiers
IV.3. Synthèse sur le rôle des hydrates et du clinker anhydre
IV.4. Influence de T° et HR ambiantes sur l’hydratation des pâtes de ciment
IV.4.1. Cinétiques d’hydratation
IV.4.1.1. Influence de la température de conservation
IV.4.1.2. Influence de l’humidité relative ambiante
IV.4.1.3. Influence de la composition des pâtes de ciment
IV.4.2. Synthèse sur l’influence de T° et HR sur l’hydratation
IV.5. Conclusion
Conclusion
