Valorisation des granulats de caoutchouc dans le béton …€¦ · Mes recherches se focalisent sur la caractérisation d’un nouveau béton autoplaçant incorporant des granulats

professeur technologue à l’Institut supérieur des études technologiques de Sfax, Tunisie, membre du laboratoire de génie civil (LGC) à l’université Tunis El Manar. J’ai obtenu la maitrise en Génie civil en 1987, le certificat des études supérieures spécialisées, l’agrégation et le doctorat en génie civil. Mes recherches se focalisent sur la caractérisation d’un nouveau béton autoplaçant incorporant des granulats de caoutchouc issus du broyage des pneus usagés non réutilisables.

Le développement de l’économie, caractérisé par une importante industrialisation, a porté un accroissement sensible aux déchets solides notamment des pneus usagés. Chaque année plus de trois millions (3.000.000) de pneus sont rejetés, arrivent en fin de vie, il s’agit d’un déchet encombrant et visuellement polluant. Ces déchets peuvent être restitués à l’environnement sous une forme autre que les abandonner dans la nature. Il convient de valoriser ces déchets dans des matériaux de construction notamment dans le béton pour préserver l’environnement et bénéficier des avantages que peut apporter le nouveau composite.Dans cet article on s’intéresse à la formulation et à la caractérisation d’un béton autoplaçant utilisant des matériaux locaux et incorporant des granulats de caoutchouc avec différents pourcentages de substitution. Les propriétés thermo- physiques de ce composite sont mesurées et interprétées. Les variations des propriétés mécaniques du béton autoplaçant caoutchouté (résistance à la compression, résistance à la traction) sont déterminées et analysées. Mots clé : valorisation, granulats de caoutchouc, béton autoplaçant, propriétés thermo-phy-siques, propriétés mécaniques

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14ème SessionDu O8 au 11 Mars 2O17, SFAX - TUNISIE

M. Ahmed Gargouri

Valorisation des granulats de caoutchouc dans le béton autoplaçantAhmed Gargouri , Atef Daoud

Conf 6 :Valorisation des déchets de pneus dans le béton

(1 ): Université de Tunis El Manar, Ecole Nationale d’ingénieurs de Tunis, Laboratoire Génie Civil, LR03ES05, 1002, Laboratoire de Génie Civil, BP37, 1002 Tunis, Tunisie ;

(2) : Université de Sfax, Ecole Nationale d’ingénieurs de Sfax, 6029, Gabes, Tunisie ;(3) : Institut supérieur des études technologiques de Sfax, 3099, Sfax, Tunisie ;

Résumé



Chaque année plus de trois millions (3.000.000) de pneus sont rejetés, arrivent en fin de vie, il s’agit d’un déchet encombrant et polluant qui déstabilise l’écologie environnementale [1]. L’utilisation de ses déchets dans les matériaux de construction peut répondre d’une part à un souci d’économie des ressources naturelles en granulats surtout que le pays peut courir un manque important en granulat et de préserver l’environnement en limitant la mise en décharge de ses déchets ultimes d’autre part [2].Le développement technologique dans la fabrication des bétons par la création de nouveaux additifs, a permis de formuler des bétons plus sophistiqués notamment le béton autoplacant. Ce matériau est caractérisé par sa fluidité, sa facilité de mise en œuvre et sa capacité à remplir les coffrages fortement armés.La possibilité de concevoir un béton autoplaçant avec des granulats de caoutchouc parait particulièrement intéressante dans la mesure où ce matériau réunit les propriétés d’un BAP (fluidité, absence de ségrégation…) et celle d’un matériau issu de la valorisation des déchets industriels ce qui permet de donner un composite plus avantageux [3] [5].Dans ce papier on s’intéresse à la formulation d’un béton autoplaçant utilisant des matériaux locaux et incorporant des granulats de caoutchouc avec différents pourcentages de substitu-tion. Les propriétés thermo-physiques des bétons autoplaçants à base de granulats de caout-chouc sont déterminées et comparées à celles d’un béton autoplaçant de référence. Les évolutions des propriétés mécaniques (résistance à la compression, résistance à la traction) sont déterminées et interprétées.

Les matériaux utilisés dans ce travail sont des matériaux locaux à savoir :Les inclusions en caoutchouc utilisées sont obtenues par broyage de pneus usagés non réutilisables et la dimension du grain est comprise entre 2 et 8 mm sous deux coupures 2/4 et 4/8. Elles ont une densité de 1.2 et la mesure de leur coefficient d’absorption d’eau a conduit à une valeur négligeable.

I. INTRODUCTION

II. MATÉRIAUX UTILISES


Fig 1 : Granulats de caoutchouc de diamètres différents



- Comme liant, nous avons utilisé un ciment Portland de type CEMI 42.5 N conforme à la norme NT 47.01. Pour limiter le dosage en ciment, sachant que le volume de pâte requis dans un BAP est toujours plus important en comparaison avec un béton classique vibré, nous avons utilisé un complément en filler calcaire (CaCO3 > 99%) comme additif minéral.- Un sable local (0-4 mm) et un gravier en deux coupures (4-8 mm) et (8-16mm) en calcaire concassé ont aussi été utilisés comme granulats. Ils ont une densité de 2,608 ; 2.737 et 2.76 respectivement.Pour atteindre les propriétés d’un BAP à l’état frais, et suite à une campagne d’essais, l’adjuvant retenu est un superplastifiant / haut réducteur d’eau polyvalent de nouvelle génération non chloré à base de copolymère acrylique contenant un agent colloïdale.

Les méthodes de formulation des BAP sont très variées, celle adoptée se base sur le remplissage des vides inter-granulaires par la pâte liante garantissant un comportement rhéologique autoplaçant des bétons. Le rapport (G/S) est égal environ à 1, le dosage de ciment est de C = 350 kg/m3.L’empilement optimal du sable et du gravier 4/8 est déterminé par le Modèle d’Empilement Compressible en utilisant la méthode de la densité. Les proportions volumiques des granulats de caoutchouc sont de 10,20 et 30%.Les quantités de superplastifiant ont été variées de façon à garantir les propriétés rhéologiques d’un béton autoplaçant.Suite à une compagne d’essais d’ouvrabilité, de mobilité en milieu confiné et non confiné, les formulations retenues des BAPs, sont présentées dans le tableau1.Les essais de caractérisation à l’état frais réalisés sont l’étalement au cône d’Abrams fig. (1a) ; la boite en L fig. (1b) et la stabilité au tamis fig. (1c). Les résultats des essais à l’état frais sont récapitulés dans le tableau 2.

III. FORMULATION DES BAPs


Fig(2) Essais de caractérisation à l’état frais : (a) étalement au cône d’Abrams ;(b) Boite en L ;(c) stabilité au tamis




FORMULATION BAP0C BAP10C BAP20C BAP30C FORMULATIONS : QUANTITE DES MATERIAUX (en Kg)

CIMENT 350 350 350 350

GRAVIER 4/8 540 486 432 258,2

GRAVIER 8/16 360 360 360 360

SABLE 0/4 900 810 720 746,2

FILLAIRE 100 100 100 100

EAU 194,25 194,25 194,25 194,25

ADJUVANT 7,7 7,7 8,75 9,5

CAOUTCHOUC 0/4 0 41,4 82,6 70,8

CAOUTCHOUC 4/8 0 23,6 47,4 123,6

CAOUTCHOUC 0 65 130 194,4

Tableau 1 : Formulations des BAPs

Tableau 2 : Résultats des essais rhéologiques

FORMULATION BAP0C BAP10C BAP20C BAP30C

VALEURS DES ESSAIS A L'ETAT FRAIS

ETALEMENT 66-67 67-72 67-70 65-70

BOITE EN L 0,84 0,82 0,86 0,84

SATBILITE AU TAMIS 7,48 1,01 2,37 5,76

AIR OCCLU 1,9 2,35 2,48 3,2

MASSE VOLUMIQUE 2402 2296 2181 2061

IV. PROPRIETES THERMO-PHYSIQUES DU BETON AUTOPLACANT CAOUTCHOUTE

1. Effet du pourcentage des granulats de caoutchouc sur la conductivité thermique des BAPs

La figure (Fig.3) illustre la variation de la conductivité thermique en fonction du pourcentage de caoutchouc. Les résultats montrent que l’ajout des granulats de caoutchouc réduit considéra-blement la conductivité thermique des différents mélanges de 1.3 à 0.76 W/m.K pour une teneur de caoutchouc allant de 0 à 30% respectivement. Cette diminution peut être expliquée par la faible compacité et la faible densité des bétons incorporant des granulats de caoutchouc (Fig. 4), la faible conductivité thermique des granulats de caoutchouc (0.17W/m.K contre 2.00 W/m.K pour les granulats calcaires) et le pourcentage d’air occlus important.



La di�usivité thermique exprime la vitesse à laquelle la chaleur se propage par conduction. La �gure (Fig.5)

présente la variation de la di�usivité thermique en fonction de la quantité de caoutchouc substituée. Cette

variation montre que la di�usivité thermique diminue avec l’augmentation du dosage en caoutchouc. Ceci est

prévisible puisque l’incorporation des granulats de caoutchouc dans le béton autoplaçant augmente la porosité

du mélange et donc freine la propagation de la chaleur. Par exemple, BAP20C a produit une réduction de 35%

de la conductivité thermique et 42% de la di�usivité thermique.

2. Effet du pourcentage des granulats de caoutchouc sur la diffusivité thermique des BAP


Fig.3:Variation de la conductivité thermique en fonction du pourcentage

du caoutchouc du composite

Fig.5:Variation de la diffusivité thermique en fonction de la quantité de caoutchouc substituée

Fig.6:Variation de la chaleur massique en fonction du pourcentage de caoutchouc

Fig.4:Variation de la conductivité thermique en fonction de la masse volumique du composite



3. Effet du pourcentage des granulats de caoutchouc sur la chaleur spécifique des BAP

1. Evolution de la résistance en compression

V. INFLUENCE DES GRANULATS DE CAOUTCHOUC SUR LES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES À L’ÉTAT DURCI


La chaleur massique est la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d'un gramme d'une

substance par un degré Celsius. La chaleur massique des éprouvettes a été déterminée en utilisant les résultats

expérimentaux de la conductivité, de la di�usivité thermiques des composites et de la densité selon l’équation

suivante :

La �gure (Fig.6) présente les variations de la chaleur massique des bétons autoplaçant en fonction du pourcen-

tage de caoutchouc. Nous constatons que la chaleur massique augmente avec l’augmentation du dosage en

granulats de caoutchouc. En e�et, la chaleur massique peut atteindre une valeur de 1141 J/kg.K pour un

pourcentage de 30% contre 870 J/kg.K pour un béton de référence (sans caoutchouc). Ceci est prévisible

puisque la chaleur massique des granulats de caoutchouc est nettement supérieure à celle des granulats

calcaire.

La �gure (Fig.7) donne les variations de la résistance à la compression des di�érents composites à l’âge de 28j.

Elle montre une réduction importante de la résistance à la compression avec l’augmentation du taux

d’incorporation des granulats de caoutchouc dans le mélange. Par exemple, en comparaison avec la résistance à

28 jours du béton de référence, la chute de résistance est de 16% ,42%, et 61% pour une substitution volumique

des granulats de caoutchouc de 10 ; 20 et 30% respectivement. Pour un taux de substitution inférieur à 20%, la

résistance à la compression garantie est de 20MPa.

La �gure (Fig.8) montre l’in�uence des granulats de caoutchouc sur le développement de la résistance à la

compression en fonction du temps. En e�et, si la résistance en compression est a�ectée par la présence des

granulats de caoutchouc cela commence dès les premiers jours, cette tendance se poursuit et se stabilise à partir

du 14ème jour. A titre d’exemple, pour les 14 premiers jours, l’évolution de la résistance est de 2.1 MPa/jour et 0.6

MPa/jour pour le béton de référence et le BAP30C respectivement, et au-delà, la stabilisation de l’évolution est

remarquable, elle est de l’ordre 0.2 à 0.3 MPa/jour pour BAP0C et BAP30C.

Ces résultats montrent bien l’e�et des granulats de caoutchouc à court terme, cependant la présence du

caoutchouc dans le béton freine considérablement l’évolution de la résistance. A long terme, ou au-delà du

14ème jour, l’évolution est presque stable de l’ordre 0.2 MPa pour les di�érents bétons. L’e�et du caoutchouc est

donc presque neutralisé. Plusieurs facteurs peuvent être considérés : la faible rigidité des granulats de

caoutchouc par rapport à celle des granulats naturels, les défauts d’adhérence entre la matrice cimentaire et les

granulats de caoutchouc et la porosité du béton autoplaçant incorporant des granulats en caoutchouc qui paraît

plus élevée que celle du béton autoplaçant de référence.



2. Evolution de la résistance à la traction par flexion


La figure (Fig.9) présente la variation de la résistance à la traction en fonction du temps des BAP0C et BAP30C. La résistance à la traction présente une chute considérable en fonction de l’incorporation des granulats de caoutchouc de l’ordre de 41% à 28 jours d’âge.La figure (Fig.10) exprime la force en fonction du déplacement de deux éprouvettes en BAP0C et BAP30C sollicitées à la traction par flexion. Nous observons :- un module d’Young plus faible des BAP30C que celui des BAPs de référence- un déplacement plus important dans la phase post-pic pour le BAP30C offrant un comporte-ment plus ductile à ce composite. La figure (Fig.11) montre la rupture de l’échantillon BAP30C. On peut remarquer que la rupture n’a pas causé de séparation entre les deux parties de l'éprouvette, résultat comparable à celui de Bonnet [4].

Fig.7: Variation de la résistance à la compression en fonction du pourcentage

des granulats de caoutchouc

Fig.8: Variation de la résistance à la compression en fonction

de l’âge des BAP0C et BAP30C

Fig.9: Variation de la résistance à la traction des BAP0C

et BAP30C.

Fig.10- Courbe force-déplacement (traction par flexion) pour BAP0C

et BAP30C

Fig.11- Ecrasement d’un échantillon BAP30C à la traction par flexion



VI. CONCLUSION

VII. REFERENCES


La possibilité de concevoir un béton autoplaçant avec des granulats de caoutchouc parait particulièrement intéressante dans la mesure où ce matériau réunit les propriétés d’un BAP (fluidité, absence de ségrégation…) et celles d’un matériau issu de la valorisation des déchets industriels ce qui permet de donner un composite plus avantageuxQuatre formulations de BAP utilisant des matériaux locaux et incorporant des granulats de caoutchouc ont été développées. Les essais de caractérisation à l’état frais ont montré que le dosage en superplastifiant augmente avec le taux de substitution des granulats naturels par les granulats de caoutchouc.Le BAP incorporant des granulats de caoutchouc a montré des propriétés thermo-physiques intéressantes. En effet, sa faible conductivité thermique, sa faible diffusivité thermique et sa chaleur massique importante lui confère des propriétés d’isolation thermique prometteuses.Même si la résistance à la compression du béton autoplaçant incorporant des granulats de caoutchouc est beaucoup est plus faible que le béton autoplaçant de référence, une augmentation de la ductilité du matériau est observée, ce qui rend ce composite intéressant pour des applications où la résistance aux chocs est demandée.Les particules de caoutchouc réduisent le module de Young du béton autoplaçant, ce qui est avantageux pour les applications telles que les chaussées rigides.Le béton incorporant des granulats de caoutchouc pourra présenter donc une issue promet-teuse de valorisation des déchets de pneus usagés non réutilisables. Son champ d’application pourra s’étendre à une utilisation dans plusieurs ouvrages tels que les surfaces étendues (dallages, parois isolantes, chaussées, et routes en béton.).

[1]ANPEwww.ANPE.TN.COM[2] Toutanji,h.a,« The use of rubber tire particles in concrete to replace mineral aggregates , cement and concrete composites »1995 , vol 18, pp 135-139[3] K.B.Najim,M.R. Hall,« A review of the fresh/hardened properties and applications for plain- (PRC) and self-compacting rubberised concrete (SCRC) , construction and building materials vol24(2010) pp 2041-2051[4] S.Bonnet,A.Turatsinze,J-L.Granju,« Un composite cimentaire résistant à la fissuration :synergie granulats en caoutchouc-renfort par fibres» , Bulletin des laboratoires des ponts et chaussées 250-251ref 4504 (2004) pp 43-54[5] M.C. Bignozzi, F. Sandrolini,« Tyre rubber waste recycling in self-compacting concrete ,cement and concrete researchvol 24(2006) pp735-739

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