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Développer……des matériaux et structures économes en ressources non renouvelables
Cette orientation thématique concerne les recherches du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées portant sur les économies de ressources non renouvelables en matière de construction, d’entretien et de réparation des structures de génie civil. La réduction de l’emploi des matériaux naturels ou la diminution des besoins en énergie sont ici prioritaires.
THÈSES DEL’ORIENTATION
Étude de l'interfacesol/paroi mouléeNouredine FRIH BENGABBOUCERMES
Micromécaniquedes matériauxalvéolaires à matrice fragile :application à l'optimisation des bétons légersde structureKarim MILEDBCC/LAMI
Chapitre 22e ORIENTATION
Les principales thématiques de recherche portentainsi sur les possibilités d’utilisation de matériauxalternatifs (recyclats, sous-produits industriels,déchets, nouveaux matériaux, …) en génie civil et sur les techniques “basse énergie” d’élaboration de matériaux.
Certaines opérations incluent également le développement de structures innovantes. Les matériaux et techniques, étudiés dans le cadrede cette thématique sont abordés sur la base de critères de performance, environnementaux et économiques et comparés à l’utilisation de techniques plus classiques. Ces recherchess’attachent notamment à développer des méthodespertinentes de vieillissement des matériaux enlaboratoire, représentatives des conditions réellesrencontrées sur ouvrage. L’opération NR2C (New Road Construction Concept),qui englobe la contribution du LCPC et de sespartenaires du RST (Réseau Scientifique et Technique)au projet européen du même nom, constitue l’élémentphare de ces recherches. Cette opération est destinée à dégager une vision desinfrastructures routières à l’horizon 2040 danslaquelle les objectifs d’économie de ressources sontpartie prenante.
Ce programme comporte également une opération sur les “Chaussées urbaines démontables” permettantde faciliter des interventions en sous-œuvre ou derequalifier rapidement des sections de voirie urbaine.
CINQ OPÉRATIONS DE RECHERCHES VALORISÉES :Par ailleurs, l’année 2005 a constitué une année de valorisation pour cinq opérations, permettant la production des rapports finaux et la diffusion des connaissances :
“Durabilité des matériaux géosynthétiques”, utilisésen terrassement ou paroi de tunnels ;“Durabilité des bitumes polymères”, utilisés dans les matériaux routiers ;“Recyclage et l’emploi de matériaux non conventionnels”, dans le domaine des terrassements ;“Comportement des câbles et des systèmes de précontrainte”, face notamment aux problèmesde vieillissement par corrosion ;“Propriétés des granulats influençant le comportement des mélanges granulaires”, quelle que soit l’origine des granulats (roches ou matériaux alternatifs).
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Poutres préfléchies en béton à très hautesperformances
LA TECHNIQUE :Inventée dans les années 50 en Belgique, elle consisteà enrober de béton le talon inférieur d’une poutrellemétallique préalablement fléchie, puis à la relâcherune fois le béton durci.Malgré son coût, elle représente de loin la meilleuresolution pour obtenir des structures très rigides de faible hauteur.
L’ACTION ET L’APPORT DU LCPC :La recherche entreprise au LCPC - en partenariatavec la SNCF, Arcelor, le préfabricant belge Ronveauxet l’université libre de Bruxelles dans le cadre du projet national MIKTI - a pour but d’étendre cettetechnique aux bétons à très hautes performances,en validant la tenue en fatigue, la prise en comptescientifique du fluage et en proposant une méthode de calcul simplifiée par coefficients d’équivalence.
Deux poutres préfléchies de 13 mètres ont étéfabriquées sur la plate-forme d’essai des structures du LCPC à Paris, à partir de profilés fabriqués en usine.Elles y ont ensuite été soumises à des chargespermanentes (4 tonnes réparties par poutre), puis à descharges variables représentatives du trafic ferroviaire(1000 cycles représentant l’effet de convois susceptiblesde passer une fois l’an, puis 1 ou 2 millions de cyclescorrespondant à des convois lourds plus courants).
Pendant 8 mois, de nombreuses mesures dedéformation ont été réalisées ainsi que des essais de caractérisation mécanique, module, fluage et retrait.Enfin les 2 poutres ont été chargées jusqu’à rupturepour atteindre la limite du fonctionnement “mixte” de l’acier et du béton à très hautes performances et valider un dimensionnement selon les Eurocodes.
Outre l’équipe et les moyens de la plate-formed’essais des structures, le projet a mobilisé l’équipede formulation et mise en œuvre des bétons de ladivision BCC (fabrication d’un béton autoplaçant derésistance moyenne 105 MPa et essais decaractérisation du retrait et du fluage), ainsi que leservice métrologie et instrumentation (mise au pointde l’acquisition de données, réalisation de deuxcontraintemètres miniatures)
Contact : [email protected]
Essai de rupture par déversement
Poutre mixte préfléchie après rupture
Contraintemètre miniature, prototype
après autopsie
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Développer……des matériaux et structures économes en ressources non renouvelables
Chapitre 22e ORIENTATION
Comportement des sols fins compactésà l’humidification
LE SUJET ÉTUDIÉ :Les déformations des sols fins dues aux variationsd’état hydrique causent de nombreux dommages aux structures et ouvrages du génie civil, et on peut en outre déplorer un déficit méthodologiquepermettant leur prévision. Dans le cadre desrecherches visant à optimiser l’emploi de ces sols finsdans les remblais routiers et ferroviaires, l’étude duLCPC a eu pour objectif de proposer une méthodologied’étude destinée à évaluer l’influence de la nature et de l’état initial des sols compactés sur les risquesde désordres par humidification.
L’ACTION ET L’APPORT DU LCPC :Pour aborder cette question, a été défini un modèle demicrostructure reposant sur l’organisation de la fractionargileuse en agrégats. Grâce aux développementstechnologiques récents en microscopie électronique à balayage et en porosimétrie par intrusion de mercure,les paramètres du modèle ont pu être formulésuniquement sur la base de paramètres géotechniquesconventionnels (teneur en eau, masse volumique sèche,masse volumique des particules).
Ce modèle quantitatif de microstructure a été utilisépour décrire le gonflement libre et les déformationspar humidification sous contrainte, en étudiantl’influence du volume des vides inter-agrégats initial.L’approche a permis de décrire quantitativement les évolutions de la microstructure causées par l’humidification, et de mettre au point uneméthodologie d’étude des sols compactés dans la perspective de leur réutilisation dans des remblaisen contexte délicat (zone inondable, remblais degrande hauteur,…). Celle-ci sera confrontée en 2006aux observations récoltées lors de l’inondation d’unremblai expérimental au Centre d’ExpérimentationRoutière de Rouen (CETE Normandie-Centre).
Enfin, cette approche semble pouvoir être étendue à d’autres phénomènes, et notamment au phénomènedu retrait. Ceci devrait permettre, sur la base d’étudesultérieures, d’évaluer le potentiel intrinsèque deretrait-gonflement en s’affranchissant de l’influencede l’état initial, et ainsi de décrire l’ensemble de la sensibilité aux variations d’état hydrique.
Contact : [email protected]
Les variations d’état hydrique
provoquent des déformations
Photo de microstructure
argile prise au MEB
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Quelle fin de vie pour les bétons fibrésultra-performants ?
LE THÈME ÉTUDIÉ : Les Bétons Fibrés Ultra Performants - BFUP -représentent une nouvelle génération de bétons. Ils sont encore peu utilisés mais leurs applicationsse multiplient (éléments architecturaux, structuraux,sanitaires, mobiliers…) et de nombreuses entreprisess’y intéressent fortement et investissent dans ce domaine qui fait présager l’émergence d’unenouvelle filière. Leur recyclage présente toutefoisdeux difficultés : la résistance élevée (supérieure à 150 Mpa) pose le problème de sa démolition, et la présence de fibres métalliques, celui du tri.Constat qui a amené le LCPC à évaluer la possibilitéde leur recyclage.
L’ACTION ET L’APPORT DU LCPC : Sollicité depuis la fin de 2001 par la Société Eiffage TPet en partenariat avec Sika, Hursks Béton et TU Delft,le LCPC a travaillé, dans le cadre d’un projet européenEurêka, sur le recyclage d’un BFUP particulier :l’Innoconcrete.La première phase de l’étude a montré la possibilitéde concasser ce matériau à l’échelle semi-industrielleet de le transformer ensuite en un mélange de sableet de fibres, séparés alors par l’utilisation d’un aimant.De bonnes performances en terme de fluidité et derésistance ont été obtenues lorsque ces constituantsont été recyclés dans différents types de béton (bétonautoplaçant ou Innoconcrete).
Cette étude, achevée en septembre 2004, a doncpermis de vérifier que le BFUP Innoconcrete étaitrecyclable en un sable et des fibres de bonne qualité,aptes à être réutilisés dans des bétons à haute valeurajoutée. La démarche adoptée, basée notamment surle logiciel BétonlabPro pourrait être généralisée àd’autres BFUP.
Contact : [email protected]
Le matériau est d’abord concassé
au giratoire…
… puis l’utilisation d’un
aimant permet de séparer les fibres et le mélange de sable.
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Développer……des matériaux et structures économes en ressources non renouvelables
Chapitre 22e ORIENTATION
Recyclage des matérieuxbitumineux dans les bétons de ciment
LE THÈME TRAITÉ :Sur environ 6 millions de tonnes de déchets en provenance des chantiers (fraisats et croûtesd’enrobés), environ 80 % font l’objet de valorisation,mais seulement 10 % dans des enrobés bitumineux à chaud, ce qui justifie de rechercher d’autres champsde valorisation au sein de matériaux nobles, comme le recyclage dans les bétons de ciment.
L’ACTION ET L’APPORT DU LCPC :En partenariat avec l’Association Technique de l’Industrie des Liants Hydrauliques (ATILH) et le Syndicat Professionnel des Entrepreneurs de Chaussées en Béton et Équipements Annexes(SPECBEA), le LCPC, utilisant notamment lesmoyens du centre de Nantes et du LRPC de Lille, a étudié et modélisé les propriétés mécaniquesstatiques du béton de fraisats : résistance encompression, en fendage et module élastique. Le matériau obtenu conserve un comportement
proche du béton hydraulique classique et notammentune faible visco-élasticité tout en étant davantage“thermosusceptible”. Le béton de fraisats a ensuite été étudié sous l’aspect de la conception des chaussées : comportement en fatigue et susceptibilité à la fissuration par retrait empêché. La prise en compte du fraisat dans les modèles de formulation a permis de réaliser ledimensionnement de diverses chaussées incorporantce matériau et de conclure que l’introduction des fraisats dans les bétons routiers apparaîtéconomiquement attractive. Au-delà du LCPC, c’est maintenant à la profession qu’il appartient de mettre en œuvre cette innovation,comme cela a été le cas par exemple sur le chantierexpérimental de l’aire des Châtaigners sur l’autoroute A6 en juin 2003.
Contact : [email protected]
Aspect du béton de fraisats
Banc de retrait instrumenté
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Durabilité des géosynthétiquesLE THÈME TRAITÉ :La présence de matériaux polymères commegéosynthétiques dans les ouvrages de génie civil,prévus pour durer environ 120 ans, pose la questionde leur propre durée de vie qui devrait être au moinssimilaire, ce qu’il est aujourd’hui, compte tenu de leur utilisation récente, difficile de garantir auxmaîtres d’ouvrage.
L’ACTION ET L’APPORT DU LCPC :Le LCPC a étudié la question dans le cadre d’une thèse sur le vieillissement thermo-oxydant du polypropylène, en partenariat avec le laboratoired’Ingénierie des Matériaux de l’École NationaleSupérieure des Arts et Métiers. L’étude a porté sur l’influence de la température, de la pressiond’oxygène et du milieu - sec ou aqueux - sur lacinétique de dégradation des polymères. Ont éténotamment examinés le rôle et le comportement des additifs (stabilisants, antioxydants) présents dans les polypropylènes industriels sous lesdifférentes contraintes environnementales. Ces études ont ainsi permis de mettre en évidencel’effet des températures trop élevées, de la pressiond’oxygène en milieu sec ou de l’accélération de la dégradation sous cette même pression en milieuaqueux. La méthode de vieillissement accéléré enlaboratoire sur les polyéthylènes téréphtalates a étéde même améliorée. L’ensemble des résultats obtenus par le LCPC dans ce domaine sera valorisé en 2006 et sera utilisé dansle projet de guide ISO/CD 20432 concernant l’usage depolypropylènes et des polyesters pour le renforcementdes sols.
Contact : [email protected] et [email protected]
Observation par microscopie
électronique à balayage de réseau de fibres de polyester
utilisé pour des applications géotextiles
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