VALORISATION DES GRANULATS RECYCLES DE BETON

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1 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 Mémoire 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
  • détermination expérimentale des modules d'young des bétons étudiés
  • détermination de l'ouvrabilité du mortier de sable rtb
  • mt pour le génie civil
  • fabrication d'ouvrages de travaux publics, de génie civil et de bâtiment
  • proximité des chantiers de construction
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  • bâtiment
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Publié le : mardi 27 mars 2012
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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

Mémoire 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

1
Remerciements

Je tiens à adresser mes remerciements aux différentes personnes qui ont contribué à la
réussite de ce projet :
À la CEBTP et en particulier Mademoiselle NUSS, chargée d’études, pour leur accueil et leur
participation à ce projet.
À Madame Françoise FEUGEAS, Maître de conférence-HdR au laboratoire du génie de la
conception à l’INSA de Strasbourg, pour m’avoir guidé dans mes recherches et aidé à la rédaction de
ce rapport.
À Madame Sandrine BRAYMAND, Maître de conférence à l’IUT Robert Schuman d’Illkirch,
pour m’avoir fait partager ses connaissances et ses compétences.
À Madame Nadia BAHLOULI, Maître de conférence-HdR, pour son suivi, son aide et sa qualité
d’écoute.
Je vous remercie pour votre encadrement et vos conseils qui m’ont permis de comprendre le
sujet de recherche et m’améliorer dans les différentes tâches qui m’ont été attribuées.

Je tiens également à remercier l’ensemble des enseignants avec lesquels j’ai eu le plaisir de
travailler :
-Monsieur Christophe FOND, pour l’élaboration de la modélisation du dispositif expérimental
permettant la mesure de la conductivité thermique
-Monsieur Jean-David GRANDGEORGE, pour son aide dans la compréhension du
comportement thermique des bétons
-Monsieur Pierre FRANCOIS, pour m’avoir apporté ses connaissances sur le comportement
rhéologique des fluides, pour sa disponibilité et son aide dans la réalisation de mes essais.

Je remercie tout particulièrement Monsieur Patrick WOLFF, assistant ingénieur, pour m’avoir
conseillé pour la mise au point des protocoles expérimentaux et son investissement quotidien pour la
réalisation des essais.
J’associe également à mes remerciements l’ensemble de l’équipe de chercheurs de l’équipe
Mécanique et environnement du laboratoire IMFS, TINARD Violaine, LIN Jian, KOPP Jean Benoit et
NGUYEN Quang Tam, et à Nicolas BUR, thésard à l’INSA de Strasbourg pour leur accueil chaleureux et
pour avoir contribué à mon intégration au sein de cette équipe.


Merci à tous


2
Sommaire

Remerciements ............................................................................................................................ 2
Introduction ................................. 6

Chapitre I : Etude technologique : Production, consommation et utilisation des granulats naturels
et recyclés en France .................................................................................................................... 8
I. Production de granulats en France ............................. 8
1.1. Qu’est-ce qu’un granulat ? .......................................................... 8
1.2. Domaines d’utilisation des granulats en France ................................................................ 9
1.3. Production et consommation de granulats en France ................ 9
1.4. Production et consommation de granulats en Alsace ............................................................................... 12
II. Production de matériaux issus de démolitions ......... 14
2.1. Production en France et en Alsace ............................................ 14
2.2. Règlements normatifs et utilisation .......................................................................... 15
Conclusion ................................................................. 18


Chapitre II : La problématique des granulats recyclés de béton – valorisation en béton de granulats
recyclés de béton ....................................................................................................................... 19
I. Contexte : la classification des déchets ..................... 19
II. Composition et propriétés physiques des granulats recyclés de béton (GRB) ............................ 21
III. Ouvrabilité des bétons de GRB ............................................................................................... 22
3.1. Absorption des granulats recyclés ............................................. 22
3.2. Problème des fines du sable recyclé .......... 22
IV. Propriétés physiques et mécaniques des bétons de GRB ......................................................... 23
4.1. Porosité des GRB et des bétons de GRB .................................................................... 23
4.2. Influence de la porosité des bétons recyclés sur leurs propriétés mécaniques et physiques ................... 24
V. Mécanisme d’action des superplastifiants ............................................................................... 25
5.1. Définitions .................................................................................. 25
5.2. Mécanisme d’action .................................................................. 26
VI. Axes d’études à développer ................................... 29





3
Chapitre III: Etude sur l’adjuvantation des mortiers de sable RTB 0/6,3 ........................................ 30
Objectifs .................................................................................................... 30
Paragraphe 1: Etude préliminaire sur les granulats ....... 31

I. Matériaux et méthodes ........................................................................................................... 31
1.1. Matériaux .................................................. 31
1.2. Matériels de mesure .................................................................. 31
II. Résultats et premières analyses .............................................................. 32
2.1. Masses volumiques absolue et apparente du sable et de fractions de sable RTB 0/6,3 ........................... 32
2.2. Analyse granulométrique .......................................................................................... 32
2.3. Module de finesse du sable RTB 0/6,3 ...................................... 33
2.4. Essai de perméabilité de Blaine ................................................................................. 33

Paragraphe 2: Adjuvantation des mortiers de sable RTB 0/6,3 ...................................................... 35
I. Détermination de l’ouvrabilité du mortier de sable RTB 0/6,3 : essais au mini cône ................... 34
1.1. Matériaux .................................................................................................................. 34
1.2. Méthodes : mesure à la table d’affaissement et d’étalement .................................................................. 35
1.3. Compositions ............. 35
1.4. Résultats et discussions ............................................................................................. 36
II. Détermination du comportement rhéologique du mortier de sable RTB 0/6,3 : mesure au
viscosimètre ............................................................................................................................... 46
2.1. Comportement rhéologique des bétons, mortiers et pâtes de ciment ..................................................... 46
2.2. Matériaux .................. 48
2.3. Matériel de mesure et méthodes .............................................................................................................. 48
2.4. Détermination des compositions de référence mesurable par l’appareil ................. 51
2.5. Résultats et discussions ............................................................................................................................. 51

Chapitre IV: Etude des propriétés physiques et mécaniques des bétons de granulats recyclés de
béton. ........................................................................................................................................ 56

Paragraphe 1: Analyse des propriétés thermiques des bétons de granulats recyclés de béton ....... 56
I. Principe de la mesure .............................................................................................................. 57
II. Présentation du système de mesure ....................... 58
2.1. Matériaux : composition des bétons et fabrication des échantillons ........................ 58
2.2. Présentation de la manipulation ............................................................................................................... 58


4
III. Mise au point du protocole expérimental ............................................................................... 61
3.1. Homogénéité de la température de surface ............................. 61
3.2. Contrôle del’épaisseur de béton ............................................................................... 61
3.3. Contrôle des effets de bords et déperditions négligées ............................................ 62

IV. Résultats et conclusions ........................................................................................................ 65
4.1. Validation numérique du dispositif expérimental ..................... 65
4.2. Résultats expérimentaux et analyses ........................................................................ 71
4.3. Améliorations et perspectives ................................................... 71

Paragraphe 2: Analyse des propriétés mécaniques des bétons de granulats recyclés de béton ...... 74
I. Matériaux et méthodes ........................................................................................................... 74
1.1. Matériaux .................................................. 74
1.2. Description du dispositif de mesure .......................................................................... 74
II. Résultats et commentaires ..................................................................... 75

Paragraphe 3: Détermination de la porosité des bétons de granulats recyclés de béton ................ 77
I. Matériaux et méthodes ........................................................................................................... 76
1.1. Matériaux .................................................. 76
1.2. Principe de mesure : détermination de la porosité ouverte par la méthode de la triple pesée ............... 76
II. Résulats et discussions ........................................................................................................... 77

Conclusion ................................................................................................................................. 79




5
Introduction

Le cadre de la présente étude concerne la gestion optimisée des granulats recyclés de béton.
La France a consommé 379 millions de tonnes de granulats en 2009 (3 millions importés)
dont 300 Mt pour le génie civil (79%) et 79 Mt pour le bâtiment (21 %). Cette consommation qui est
en baisse ces dernières années en raison de la baisse de production de béton, se révèle être moins
affectée par cette diminution en Alsace. Par ailleurs, une étude de l’UNICEM et de l’UNPG montrent
néanmoins une production de granulats recyclés de démolition en 2009 identique à celle de l’année
précédente.

Les matériaux de recyclage abordés dans cette étude proviennent de la déconstruction de
bâtiments et de routes ou de déchets de chantier de construction. On distingue actuellement trois
types de granulats recyclés :

 Les granulats recyclés de béton désignés par RTB : recyclé tout béton
 Les granulats recyclés comportant de l’enrobé, désignés par RE ou REB : recyclé enrobé
ou recyclé enrobé/béton.
 Les granulats mixtes comportant des matériaux de construction variables non triés
(béton, brique, carrelage…) désignés par RTV : recyclé tout venant

L’étude présentée ici porte sur l’analyse des caractéristiques et le réemploi des granulats recyclés
de béton (RTB). Valoriser ces granulats issus des bétons de démolition pour la fabrication d’un béton
hydraulique peut étendre leur domaine d’utilisation actuel. En effet, les granulats issus du recyclage
sont essentiellement utilisés dans le domaine routier en tant que grave traitée ou non aux liants
hydrauliques ou comme remblai. Malgré plusieurs études de recherche pour une éventuelle
utilisation avec des liants hydrauliques pour la construction d’ouvrages ou de bâtiments, les
granulats recyclés trouvent peu d’application en France en tant que granulats de béton. Néanmoins
des Pays voisins comme la Suisse ou encore le Danemark ont adopté des normes pour la fabrication
de béton de granulats recyclés.

Cette valorisation présente un intérêt d’ordre économique. En effet, le réemploi des matériaux
de démolition pourrait être envisagé directement sur site ou sur les plateformes de recyclage
chargées du traitement. Ces plateformes pourraient alors s’occuper de la fabrication de béton à base
de ces granulats recyclés. La diminution des coûts de transports des granulats et des déchets de
démolition constitue l’enjeu économique principal de ce projet, les granulats n’étant pas toujours
disponibles à proximité des chantiers de construction.
Par ailleurs, ces granulats recyclés pouvant se substituer aux granulats naturels, ceci diminuerait
l’épuisement des ressources naturelles.
En outre, le code de l’environnement (modifié par ordonnance le 17 décembre 2010) précise
que « tout producteur ou détenteur de déchets est responsable de la gestion de ces déchets jusqu’à
leur élimination ou valorisation ». De ce fait, le recyclage et le réemploi des déchets inertes du BTP
représentent des solutions intéressantes et s’intègrent au concept de développement durable.


6
Ainsi l’un des objectifs de ce projet est d’effectuer une étude sur la
production/consommation de granulats en France afin d’en extraire les enjeux d’une valorisation des
granulats recyclés dans la réalisation de béton. Par la suite, une étude scientifique sur la
caractérisation des propriétés physico-chimiques des granulats recyclés de béton et des
performances mécaniques et thermiques des bétons de granulats recyclés sera l’un des points forts
développé dans cette étude. La compréhension de la rhéologie des bétons de granulats recyclés de
béton sera l’autre aspect très important de ce travail.

Pour ce faire, il est nécessaire de définir préalablement les différents axes d’études abordés
prioritairement au cours de ce projet de recherche.
Dans un premier temps, une étude bibliographique technique est menée afin de déterminer
la production et la consommation de granulats recyclés en France et plus particulièrement en Alsace.
Cette étude permet de comprendre l’enjeu national mais également régional (Alsace) que représente
la valorisation des granulats recyclés pour la fabrication de béton.
Dans un second chapitre, la problématique de cette valorisation est présentée. Cette étude
bibliographie consiste à définir les caractéristiques des matériaux étudiés : les granulats recyclés de
béton et les bétons de granulats recyclés de béton. L’analyse de travaux précédemment réalisés
permet d’identifier et de comprendre les lignes directives à développer tout au long de ce
programme de recherche.

 La première phase de ce projet est orientée vers l’élaboration d’une formulation de béton
dans le but de déterminer les adjuvants adaptés aux granulats recyclés. Cette partie mettra
en évidence les caractéristiques du béton frais de granulats recyclés, notamment l’ouvrabilité
de ce béton directement fonction des propriétés des granulats recyclés.
En effet, l’analyse bibliographique permet de conclure sur le problème que
représentent les parties fines des granulats recyclés de béton. L’étude est donc ciblée sur
l’adjuvantation de ces parties fines par l’analyse de l’ouvrabilité et la caractérisation du
comportement rhéologique des mortiers de sable recyclé.

 La deuxième phase consiste à identifier les propriétés physiques et notamment thermiques
du béton de granulats recyclés de béton. Un protocole d’essai élaboré au laboratoire est
étudié afin de déterminer expérimentalement le comportement thermique des bétons de
granulats recyclés de béton. Les paramètres expérimentaux seront validés à l’aide d’une
modélisation numérique du dispositif de mesure.

L’ensemble de ces essais permet ainsi de caractériser les propriétés thermiques des
bétons de granulats recyclés de béton qui semblent être meilleures que celles d’un béton à
base de granulats naturels. Une analyse de la porosité sera effectuée afin de comprendre ces
différences de propriétés. Ainsi il sera possible de déterminer l’influence de la porosité sur
les propriétés de transfert dans le béton par l’étude des propriétés thermiques du béton.
 Enfin, la dernière phase de ce projet caractérisera le comportement mécanique des bétons
de granulats recyclés. Au cours de l’étude sera effectuée une détermination expérimentale
des modules d’Young des bétons étudiés.

7
Chapitre I : Etude technologique : Production, consommation
et utilisation des granulats naturels et recyclés en France
NB : Les principales sources d’informations sont datées de 2009
I. Production de granulats en France

1.1. Qu’est-ce qu’un granulat ?

Le granulat est un fragment de roche destiné à la fabrication d'ouvrages de travaux publics,
de génie civil et de bâtiment. Leur nature et leur forme dépendent de leur provenance et des
techniques de production. Leur taille est comprise entre 0 et 125 mm.
Les granulats représentent, après l’eau et l’air, la matière première la plus importante utilisée
dans un pays.
Trois grandes familles de granulats sont définies en fonction de leur origine:

Les granulats alluvionnaires ou de carrière. Leurs gisements sont des matériaux meubles,
non consolidés. Ils proviennent de lits ou anciens lits de rivière, les fonds de lacs ou certains
fonds marins. L’extraction des granulats alluvionnaires se fait « à sec » ou « dans l’eau », à
l’aide de pelles hydrauliques ou de draglines. La technique d’exploitation varie en fonction
de la situation du gisement par rapport à la hauteur du cours d'eau ou de la nappe
phréatique. Ces granulats peuvent être traités suite à leur extraction. Ils sont concassés si
leur granulométrie est trop importante. Cette opération est suivie d’un criblage, d’un lavage
et d’un calibrage.

Les granulats de roches massives. L’exploitation de ces roches représente la principale filière
granulaire dans une grande majorité des régions françaises, sauf en Alsace. Cette matière
première est présente dans différentes situations géologiques: couches plus ou moins
massives de roches sédimentaires, massifs de granit, anciennes coulées volcaniques, roches
métamorphiques... Leur extraction se fait généralement à l’explosif. Les roches sont ensuite
concassées, lavées et criblées

Les granulats de recyclage et artificiels. Des granulats sont produits en concassant et en
recyclant des matériaux de chantiers de démolition comme les bétons ou en recyclant des
sous-produits de l’industrie tels les laitiers de hauts fourneaux ou les mâchefers.
Après concassage, lavage et criblage, leur usage reste souvent réservé à des emplois
spécifiques compte tenu de leur qualité particulière et de la réglementation en cours.





Figure 1-1 : Photographies de granulats _
Source : http://www. www.unicem.fr


8
1.2. Domaines d’utilisation des granulats en France


Les granulats sont employés dans l’industrie du BTP. Ils permettent de réaliser des ouvrages
de génie civil, des bâtiments ou sont utilisés dans les TP.
1.2.1. Les routes et le VRD (Voiries Réseaux Divers)


Les chaussées sont constituées en partie d’une couche d’assise
(couche de fondation et couche de base). Elles sont surmontées
éventuellement d’une couche de liaison pour l’amélioration des
performances, puis d’une couche de roulement adaptée aux trafics
(Classe du trafic définie par la moyenne journalière des poids lourds par
voie de circulation).
Quel que soit le niveau, les granulats sont utilisés dans
l’ensemble de ces couches. Ils doivent répondre à des critères de qualité
liés à la solidité des ouvrages et à la sécurité. Ces exigences sont
spécifiées dans des normes produits françaises (NF) et européennes
(EN).
Les granulats de recyclage peuvent être utilisés dans les couches
de forme et les couches d’assises, ainsi que sur les accotements des
chaussées.
Figure 1-2 : Structure de chaussées, étude de l’UNPG _ Source : http://www. www.unicem.fr


1.2.2. La production de béton

Les granulats sont également utilisés dans l’industrie du béton. Ils apportent au béton la
consistance, le volume et participent à la résistance. Le ciment sert de liant à l’ensemble.
Les bétons peuvent être réalisés avec des granulats de diverses natures : alluvionnaires,
éruptifs, calcaires. Actuellement, les emplois des bétons à base de granulats recyclés de bétons ne
sont pas encore normalisés en France.
Des bétons peuvent aussi être fabriqués avec des granulats concassés ou roulés, selon le
contexte géologique locale (rareté des alluvionnaires), ou selon des raisons purement techniques.

1.2.3. Les réseaux ferrés

Les voies ferrées requièrent de très grandes quantités de granulats pour la réalisation de
structureS des plates-formes, des chaussées, et de ballast des chemins de fer.

1.3. Production et consommation de granulats en France

379 millions de tonnes de granulats ont été consommés en France en 2009, soit 6 tonnes par
habitant. Ils peuvent être utilisés sous sa forme naturelle (sables, gravillons…) ou après
transformation (bétons de ciment, bétons bitumineux…).

Selon les sources de l’UNPG, l’industrie de la production de granulats en France génère un
chiffre d’affaire de 3 628 millions d’euros grâce à l’activité de 1550 entreprises. Néanmoins ce chiffre
connaît une baisse de l’ordre de 11 % par rapport à l’activité développée en 2008.


9
1.3.1. Production par famille de granulats



La production de roches massives
s’avère représenter plus de 50 % de la
production française de granulats, contre
près de 40% pour les roches meubles.

Uniquement 21 millions de tonnes
de granulats de recyclage sont produites sur
le territoire français. 71% d’entre eux sont
des matériaux de démolition. La production
de ce matériau n’a pas subit d’évolution
entre 2008 et 2009, 15 millions de tonnes
sont produits chaque année.

Figure 1- 3 : Tableau statistique sur la production nationale de
granulats, étude de l’UNPG _ Source : http://www. www.unicem.fr



Depuis 1995, la tendance de production de
granulats alluvionnaires et massifs a changé. En effet,
avant 1995, la part de production des roches meubles
était plus importante face à celle des roches massives. La
production des roches massives connaît un essor depuis
ces 15 dernières années.

Plus globalement, la production de granulats
diminue nettement depuis 2007, alors que celle des
granulats recyclés ne cesse d’augmenter.


Figure 1-4 : courbes statistiques sur la production nationale de
granulats, étude de l’UNPG _
Source : http://www. www.unicem.fr


Il faut donc retenir que :

 La production de granulats a enregistré une baisse en 2009 par rapport à celle de 2008. Avec
376 millions de tonnes, elle a perdu 12,8 %. Cette baisse est régulière depuis les 10 dernières
années

 La production de roches meubles a chuté de 14,6 % et celle de roches massives de 11,8 %.

 Les matériaux de recyclage limitent leur baisse à 8,7 %. Ils représentent désormais 6 % de la
production totale.



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