Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg : INSA Strasbourg

Institut Universitaire Technologique Robert Schuman : IUT Robert Schuman

Institut mécanique des fluides et des solides : IMFS

Cellule économique du bâtiment et des travaux publics d’Alsace : CEBTP Alsace

VALORISATION DES GRANULATS RECYCLES DE BETON :

ETUDE DES CARACTERISTIQUES PHYSIQUES ET MECANIQUES DES

BETONS DE GRANULATS RECYCLES DE BETON

Annexes Projet de fin d’étude 2011

GRONDIN Aurélie

Tuteurs :

Françoise FEUGEAS Maître de conférences HDR à l’INSA- IMFS

Sandrine BRAYMAND Maître de conférences à l’IUT Robert Schuman - IMFS

Nadia BAHLOULI Maître de conférences HDR - IMFS

Elodie NUSS Chargée d’affaires, tuteur CEBTP

2

Plan des annexes

Annexe 1 : tableau comparatif des propriétés physiques et mécaniques des granulats naturels et recyclés ...................................................................................................................................... 3

Annexe 2 : Définition de la contrainte de cisaillement et de la viscosité ........................................ 5

Annexe 3 : Analyse des rhéogrammes donnés par le viscosimètre.................................................. 6

Annexe 4 : Mise en place du protocole expérimental –description des améliorations apportée ..... 10

Annexe 5 : Détermination expérimentale de la capacité massique thermique des bétons .............. 13

Annexe 6 : Comparaison des résultats expérimentaux, numériques et analytiques pour les bétons

classique, mixte et recyclé ........................................................................................................... 14

3

Annexe 1 : tableau comparatif des propriétés physiques et mécaniques des granulats naturels et recyclés

Granulats

naturels selon la norme XP P 18-540-article 10

Granulats recyclés [Gomez-Soberon, 2002]

Granulats recyclés [Berredjem, 2009]

Granulats recyclés [Padmini, 2008] :

moyenne des résultats

Granulats recyclés [Tam et al, 2008] : moyenne des

résultats

Sable Gravillons Sable Gravillons Graviers

Sable (0/5)

Gravillons (5/12,5)

Graviers (12,5/20)

Graviers (0/10)

Graviers (0/20)

Graviers (0/40)

Sable (0/10)

Graviers (10/20)

Propriétés physiques

Masse volumique absolue (kg/m3)

2500-2600 2170 2260 2280 2575 2321 2393 2410 2503 2540 2180 2190

Absorption d’eau (%) 2,5 à 6 8,160 6,806 5,828 7,09 6,25 5,36 4,8 4,20 2,5 7,02 6.78

Module de finesse 1,8-3,2 - 3,8 6,2 7,2 - - - - - - - -

Equivalent de sable (%)

50-65 93,6 - - 65,4 - - - - - - -

Coefficient d’aplatissement 20-40 - - - - 10,1 - - - - - -

Taux de chlorure (%)

A communiquer si ≥0,02%

- - - - - - - - - 0,022 0,02

Taux de sulfate (%) 0,2-0,3 - - - - - - - - - 0,013

4

Granulats

naturels selon la norme XP P 18-540-article 10

Granulats recyclés [Gomez-Soberon, 2002]

Granulats recyclés [Berredjem, 2009]

Granulats recyclés [Padmini, 2008] :

moyenne des résultats

Granulats recyclés [Tam et

al, 2008] : moyenne des

résultats

Sable Gravillons Sable Gravillons Graviers

Sable (0/5)

Gravillons (5/12,5)

Graviers (12,5/20)

Graviers (0/10)

Graviers (0/20)

Graviers (0/40)

Sable (0/10)

Graviers (10/20)

Propriétés mécaniques

Résistance à la fragmentation (Los Angeles) (%)

30 à 40

- - - - 38,88 36,52 47 35 29 - -

Résistance à l’usure (Micro-Deval) (%)

- - - - - 36,5 38,6 - - - - - -

AIV (aggregate impact values) (%)

- - - - - - - - 34 23 - 31

Annexe 1 : tableau comparatif des propriétés physiques et mécaniques des granulats naturels et recyclés

5

Annexe 2 : Définition de la contrainte de cisaillement et de la viscosité

1. Définition de la contrainte de cisaillement

Au cours d’un écoulement, les éléments fluides peuvent se déplacer les uns par rapport aux

autres, ce qui conduit à l’obtention de vitesses différentes d’un point à un autre. Le mouvement de cisaillement caractérise le déplacement du matériau en différentes

couches planes parallèles entre elles animées de vitesses différentes. La manière la plus simple de définir ce

mouvement de cisaillement est de considérer mouvement d'un échantillon entre deux surfaces planes, l'une immobile, l'autre animée d'un déplacement parallèle à la première.

La vitesse varie de manière continue entre

la plaque inférieure fixe et la plaque supérieure mobile.

Le cisaillement est caractérisé par deux grandeurs :

-la vitesse de cisaillement ou encore appelé le gradient de vitesse . Elle représente la

variation de la vitesse entre les couches.

-la contrainte de cisaillement . Des forces de frottement entre les couches s’exercent

tangentiellement à la surface de ces couches. Celles-ci génèrent donc des contraintes.

2. Viscosité d’un fluide

La viscosité de cisaillement peut être vue comme la résistance à l'écoulement des différentes

couches de fluides les unes sur les autres. Elle représente une des grandeurs physiques essentielle en rhéologie. Elle permet de définir le comportement d’un fluide

La viscosité dynamique µ correspond à la contrainte de cisaillement qui accompagne

l'existence d'un gradient de vitesse d'écoulement dans la matière.

Figure 2-6 : Schéma du mouvement de cisaillement

6

Annexe 3 : analyse des rhéogrammes donnés par le viscosimètre.

1. Analyse de la composition du mortier de référence

Détermination expérimentale de la loi de comportement :

Expérimentalement, on a la relation suivante qui lie la contrainte de cisaillement au gradient

de vitesse :

En entrefer étroit, l’expression utilisée est simplifiée

Détermination de la loi de comportement par une loi mathématique :

Les pâtes de ciment et de mortier sont des fluides plastiques en non newtoniens. Le modèle

mathématique qui décrit le mieux leur comportement est la loi Herschel Bulkley.

Avec k : la consistance

On a également

On obtient donc l’expression suivante :

7

Dans le cas suivant, La contrainte de cisaillement varie linéairement, n vaut donc 1 et k

devient alors η, la viscosité plastique.

Lorsque , on a

Or , on obtient alors

Donc par intégration de la loi Herschel Bulkley :

Par méthode simplifiée :

Contrainte de seuil Pa

Par méthode simplifiée 73,22

Par intégration de la loi Herschel Bulkley

66,02

8

La simplification précédemment explicitée engendre une erreur sur la valeur de la contrainte

de seuil. L’écart entre les deux contraintes de seuil calculées : 9,83%.

2. Analyse des compositions de mortier adjuvantées :

Détermination expérimentale de la loi de comportement :

Expérimentalement, on a la relation suivante qui lie la contrainte de cisaillement au gradient

de vitesse

Par la même analyse effectuée précédemment, on obtient

Avec Optima 203 Avec Premia 150 Avec glenium

Contrainte de seuil par méthode simplifiée (Pa)

13,07 6,52 6,31

Contrainte de seuil par intégration de la loi

Herschel Bulkley (Pa) 11,78 5,88 5,69

Ecart relatif % 9,87 9,82 9,83

9

3. Analyse du coulis de référence et les coulis de ciment adjuvantés

La même étude est effectuée, néanmoins l’interpolation par la loi Herschel Bulkley d’ordre 1

est plus grossière que celle établie pour les compositions de mortiers.

Par la même analyse effectuée précédemment, on obtient

Avec Optima 203 Avec Premia 150 Avec glenium Contrainte de seuil par

méthode simplifiée 36,16 17,00 17,00

Contrainte de seuil par intégration de la loi Herschel

Bulkley (Pa) (cf.Annexe3) 32,60 15,33 15,33

Ecart relatif % 9,85 9,82 9,82

10

Annexe 4 : Mise en place du protocole expérimental –description des améliorations apportées

1. Description du protocole initial

Matériau pour les essais thermiques :

Procédure d’essai :

L’éprouvette de béton contient de l’eau que l’on chauffe à l’aide d’une résistance de 6 Ω. Celle-ci

est alimentée en 12 V à l’aide d’un générateur de tension continue. L’intensité délivrée est de 2 A. La

puissance de chauffe est donc constante et vaut 24 W. Un agitateur est placé en dessous de

l’éprouvette pour garantir une homogénéisation de la température de chauffe. Un système de

ventilation conduit à la mise en place d’une convection forcée.

Un couvercle en carton a été placé sur le haut de l’éprouvette dans un premier temps. Celui-ci

est remplacé par un couvercle en polystyrène.

Deux thermocouples permettent de mesurer les températures des parois extérieure et intérieure

de béton. Ces températures sont relevées après atteinte du régime permanent.

Eprouvette en béton

Agitateur magnétique

Grille

Ventilateur

Thermocouples

Résistance de 6 Ω et système

d’isolation

Épaisseur de béton

Carton imperméable

11

2. Améliorations apportées pendant la période de stage

2.1. Circuit électrique

Le générateur de tension continue a été remplacé par un

rhéostat pouvant délivrer un courant alternatif au circuit. Un

ampèremètre permet de relever la tension du circuit et un voltmètre

mesure la tension aux bornes de la résistance.

La résistance de 6Ω se détériore après plusieurs cycles de chauffe. Elle

est donc remplacée par une résistance chauffante de 170Ω.

Le système d’isolation est également modifié afin d’empêcher

les déperditions vers la partie supérieure de l’éprouvette

Rhéostat : régulation de puissance d’entrée

Eprouvette en béton

Agitateur magnétique

Grille

Ventilateur

Ampèremètre Voltmètre

Résistance de 6 Ω et système

d’isolation

12

2.2. Modification de l’étanchéité du carton

Suite à une répétition d’essais, le carton, à l’origine imperméable, s’est détérioré. Des fuites

sont observées au niveau des joints de collage du carton.

Afin de constater les fuites, des essais sont réalisés sur des échantillons de

carton non utilisés. L’éprouvette est remplie d’eau à température

ambiante, sans agitation. Au bout de 30 minutes, l’eau s’infiltre. Ce

problème d’infiltration fausse les mesures de températures des parois de

béton. Il est donc nécessaire d’améliorer l’étanchéité du carton. Pour ce

faire, un produit SIKA pour traitement d’infiltration dans les fondations

est appliqué sur la surface intérieure du carton.

Le même essai précédemment décrit est réalisé sur un nouvel échantillon

comportant une couche d’imperméabilisant. La durée de l’essai est de 8

heures. Aucune fuite n’est observée.

Afin de valider ce nouveau dispositif, on réalise un cycle de chauffe à haute température

(température de l’eau à 50°C) pour voir l’influence de la chaleur sur le produit SIKA. Au cours de

l’essai, l’eau ne s’infiltre pas dans le carton.

2.3. Acquisition des mesures de températures

Dans le système initial, seules deux températures sont relevées : température de la paroi

intérieure de béton et température de la paroi extérieure de béton.

Ces deux valeurs étaient relevées manuellement et le régime permanent établi n’est déterminé que

approximativement.

Afin d’avoir des relevés plus précis, un système d’acquisition est installé afin d’avoir un relevé des

températures toute les minutes. Ainsi l’évolution des différentes températures au cours du temps

sera contrôlée.

De plus, des thermocouples sont rajoutés afin d’obtenir les températures de chauffe et ambiante. La

stabilisation des températures et ainsi l’établissement du régime permanent.

Système d’acquisition

4 Thermocouples :

- température ambiante

- température de l’eau

- température paroi intérieure du béton

- température paroi extérieure du béton

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Annexe 5 : Détermination expérimentale de la capacité thermique massique des trois bétons

On utilise un calorimètre dont la capacité thermique C est connue (C=140 J. K-1.kg-1).

Introduire V d'eau à la température ambiante dans le calorimètre. Attendre l'équilibre thermique et noter la température θ1.

Placer environ une masse m en g de béton dans une étuve à 100°C. Laisser le solide dans l'étuve une dizaine de minutes puis ouvrir la trappe afin

d'introduire rapidement le béton dans le calorimètre. Agiter et observer l'élévation de température de l'eau du calorimètre et noter la

température d'équilibre θF. Ecrire l'équation calorimétrique :

En déduire la capacité thermique massique cp du béton.

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Annexe 6 : Comparaison des résultats expérimentaux, numériques et analytiques pour les bétons classique, mixte et recyclé

Béton classique :

Béton mixte :

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Béton recyclé :