20e Edition des Journées scientifiques du Regroupement Francophone pour la Recherche et la Formation sur le Béton

(RF)2B _____________________________________________________________________________________________________

Services BATir et 4MAT, Université Libre de Bruxelles, Belgique

1 au 3 juillet 2019 INFLUENCE DU RAPPORT EAU/CIMENT ET DU TYPE DE GRANU LATS RECYCLÉS SUR LES DEFORMATIONS ENDOGENES ET DU COEFFICIENT DE DILATATION THERMIQUE AU JEUNE ÂGE DE BETONS RECYCLES B. Delsaute, M. Königsberger, V. Prodan, S. Staquet Laboratoire de génie civil, BATir – Université Libre de Bruxelles, Bruxelles, Belgique RÉSUMÉ : Le but de ce papier est de comprendre et quantifier l’influence du rapport eau-ciment et du type de gravier recyclé sur le développement des déformations endogènes et du coefficient de dilatation thermique de béton depuis le très jeune âge. À cette fin des essais répétés de variation thermique ont été appliqués sur des éprouvettes de béton composées de graviers naturels ou recyclés pour plusieurs rapports eau-ciment. Il est observé que l’effet de cure interne induit par la haute porosité des graviers recyclés réduit significativement le développement des déformations endogènes. Cet effet est d’autant plus marqué pour des rapports eau-ciment élevé et avec des graviers recyclés provenant de béton avec un rapport eau-ciment élevé. Un nouveau modèle est proposé pour considérer cet impact des graviers recyclés sur le développement des déformations endogènes.

1. INTRODUCTION Les déchets de construction et de démolition constituent l'une des quantités de déchets les plus volumineuses générées au monde. En Europe, ils représentent 40% (Klee 2009) de tous les déchets produits et correspondent à environ 1 milliard de tonnes de déchets par an. Ceci, couplé à l’épuisement des ressources naturelles, a incité les gouvernements du monde entier à s'intéresser et à promouvoir de nouvelles normes visant à réduire l'utilisation de ressources primaires et à accroître la réutilisation et le recyclage de différents matériaux (Klee 2009; Limbachiya, Leelawat, and Dhir 2000). Par exemple, la directive européenne 2008/98/EC stipule qu’en 2020 plus de 70% des déchets de construction devront être réutilisés ou recyclés. Une solution partielle à ce problème consiste à remplacer les granulats naturels par des granulats recyclés provenant de structure en béton. Pour des applications structurelles, l’intégration de ces matériaux "verts" dans des matériaux cimentaires nécessite une caractérisation complète des propriétés physiques, mécaniques et chimiques, qui sont assez différentes de celles des bétons classiques. La distribution granulométrique, la forme, la nature, la porosité et la saturation en eau initiale des granulats sont des propriétés importantes qui affectent les performances du béton. Par conséquent, le remplacement des granulats naturels par des granulats recyclés influence les performances à court et à long terme du béton (Marinković et al. 2010). Cependant, les recherches liées aux bétons recyclés se concentrent principalement sur les propriétés long terme. Le but de cette étude est de comprendre et quantifier l’impact des graviers recyclés sur le développement des déformations endogènes et du coefficient de dilatation thermique (CDT) depuis le très jeune âge. Plusieurs études avait déjà été effectuées à l’Université Libre de Bruxelles (Delsaute and Staquet 2017b, 2018a, 2018b, 2019) et à l’École centrale de Nantes (Bendimerad et al. 2016, n.d.; Bendimerad, Roziere, and Loukili 2015) sur le développement des propriétés mécaniques et de retrait de bétons composés partiellement ou totalement de gravier ou sable recyclé. Ils avaient été observés que le remplacement de granulat naturel par des granulats recyclés a pour effet de diminuer les déformations endogènes, le module d’élasticité, la résistance et d’augmenter le coefficient de dilatation thermique et le phénomène de fluage/relaxation au jeune âge. À travers ces résultats, il a été mis en avant que le remplacement de sable et gravier naturel par des éléments recyclés permet de diminuer le risque de fissuration de structure en

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béton induit par l’entrave des déformations libres. Cependant cette étude était limitée à un type de gravier recyclé et à des bétons possédant un rapport eau-ciment élevé (entre 0.72 et 0.85). Cette étude est ici étendue à des bétons avec des rapports eau-ciment plus faibles et possédant différents types de gravier recyclé. Ce papier est structuré en 5 parties (sans compter la présente introduction) qui concernent respectivement : les matériaux (partie 1), les dispositifs de mesure (partie 2), les résultats expérimentaux (partie 3), les discussions des résultats (partie 4) ainsi que les conclusions (partie 5).

2. MATERIAUX Les essais ont été réalisés sur 8 compositions pour lesquelles les proportions sont présentées dans le Tableau 1. Pour chaque composition, les fractions volumiques de gravier, de sable et de liant sont les mêmes. Seules les teneurs en eau et en ciment ainsi que le type de gravier (naturel ou recyclé) varient. Le rapport eau-ciment varie entre 0.3 et 0.6. Le ciment utilisé est de type CEM I 52.5 N. 4 compositions sont des bétons de référence pour lesquels seuls des granulats naturels sont utilisés et les rapports eau-ciment sont de 0.3, 0.4, 0.5 et 0.6. Ces compositions sont référencées N’X’ où ‘X’ est le rapport eau-ciment. 4 autres compositions sont des bétons composés de graviers recyclés pour lesquels deux types de gravier recyclé sont utilisés et les rapports eau-ciment sont de 0.4 et 0.6. Ces compositions sont référencées OC’Y’NC’Z’ où ‘Y’ et ‘Z’ sont respectivement le type de gravier recyclé et le rapport eau-ciment. Pour les compositions avec un faible rapport eau effective-ciment, du superplastifiant a été ajouté afin d’assurer une même ouvrabilité que la composition N04.

Tableau 1 - Compositions en kg/m³

Composants N03 N04 N05 N06 OC04NC04 OC04NC06 OC06NC04 OC06NC06

CEMI 52.5 N 502 432 379 338 432 338 432 338

Sable 0/4 853 853 853 853 853 853 853 853

Gravier naturel 6/10 210 210 210 210 - - - -

Gravier naturel 10/14 873 873 873 873 - - - -

Gravier rec. 04 6/10 - - - - 186 186 - -

Gravier rec. 04 10/14 - - - - 781 781 - -

Gravier rec. 06 6/10 - - - - - - 188 188

Gravier rec. 06 10/14 - - - - - - 797 797

Eau totale 151 173 190 203 173 203 173 203

Superplastifiant 4.7 - - - 4.2 - 5.8 -

Eau effective 119 151 167 179 103 136 100 134

Eeff/C 0.24 0.35 0.44 0.53 0.24 0.40 0.23 0.40

Densité 2590 2541 2505 2477 2426 2361 2445 2379 Deux types de granulat recyclé ont été utilisés dans le cadre de cette étude. Ces granulats ont été obtenus sur base des bétons de référence N04 et N06 composé de gravier naturel uniquement. La nature, le type, la densité, la porosité, le degré de saturation maximum ainsi que la fraction volumique de pâte de ciment ont été définis pour chacun des graviers et sable (Tableau 2). Un facteur 5 est observé entre la porosité des graviers naturels et celle des graviers recyclés. Inversement, la densité des graviers recyclés est 10% plus faible que celle des graviers naturels. La porosité des graviers recyclés provenant de la composition N06 est 20% plus élevée que celle des graviers recyclés provenant de la composition N04. La fraction volumique en ciment dépend du calibre des graviers recyclés. Pour un calibre 6/10, la fraction volumique de ciment est de 30%, alors que pour un calibre 10/14 une fraction volumique en ciment de 18% est obtenue. En conséquence, comme les graviers recyclés sont utilisés en condition saturé-surface-sèche, l’eau totale absorbée par les graviers est différente pour chacune des compositions. Ceci signifie que les bétons composés de graviers recyclés auront une partie importante de

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leur eau totale qui se trouve dans les graviers en comparaison des bétons composés de gravier naturel. Plus de détails concernant les compositions des bétons composés de gravier naturel se trouvent dans les références (Delsaute 2016; Königsberger et al. 2017).

Tableau 2 – Propriétés du sable et des graviers

Nature et type Densité

[/] Porosité

[%]

Degré de saturation max. [%]

Fraction volumique de

ciment [%]

Sable 0/4 Sable marin - semi-concassé

2.63 7.6 2.89 -

Gravier naturel 6/10 Amphibole - concassé 2.9 2.3 0.81 - Gravier naturel 10/14 Amphibole - concassé 2.93 1.8 0.63 - Gravier rec. 04 6/10 Granulat concassé

provenant du béton N04 2.62 12.1 4.9 30.4

Gravier rec. 04 10/14 2.74 10.8 4.2 18.1 Gravier rec. 06 6/10 Granulat concassé

provenant du béton N06 2.57 14.9 5.9 29.4

Gravier rec. 06 10/14 2.71 12.9 4.2 17.5

3. METHODES

3.1 Temps équivalent Pour considérer le durcissement des bétons et les principaux effets de la température, les propriétés des bétons sont exprimés en temps équivalent. Le temps équivalent est basé sur la loi d’Arrhenius (Équation 1) et est fonction de l’âge du béton �, de l’évolution de la température du béton � (°C), d’une température de référence �� (généralement 20°C), de la constante des gaz parfaits � (=8.314 J/mol/K) et de l’énergie d’activation apparente �� (J/mol). L’énergie d’activation apparente a été définie sur base de résultats de résistance en compression présentés dans la référence (Carette and Staquet 2016) et vaut 38 kJ/mol.

����, �� � exp ���� ∙ � 1273 � ��� � 1273 � ���� ∙ ���� 1

Figure 1 – Dispositif BTJADE (Delsaute and Staquet 2017a) – Cuve contrôlée en température comportant trois bâtis (a), bâti métallique avec un moule vertical ondulé en PVC (b) et protocole d’essai (c).

3.2 Suivi des déformations endogènes et du CDT Le suivi des déformations libres est réalisé depuis la mise en place du béton avec le dispositif BTJADE (‘BéTon au Jeune Age, Déformation Endogène’) conçu à l’IFSTTAR (Boulay 2012). Le dispositif est composé d’un moule vertical ondulé en PVC disposé sur un bâti métallique (Figure 1b). L’entièreté du

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dispositif est placée dans une cuve contrôlée en température et permet de caser 3 bâtis (Figure 1a). La température est mesurée au centre des éprouvettes (thermocouple), dans la cuve, au-dessus du couvercle du réservoir et dans l’air ambiant (PT100). Le déplacement vertical de chaque bâti est mesuré à l’aide d’un capteur Solartron LE12. Les déplacements du béton sont mesurés sur une base de 225 mm. Durant l’essai, des cycles de température de ± 3°C sont appliqués à l’échantillon afin de déterminer le coefficient de dilatation thermique (Figure 1c). Une description complète du dispositif ainsi que de la méthodologie d’essai est donnée dans les références (Boulay 2012; Delsaute and Staquet 2017a).

Figure 2 – Développement du coefficient de dilatation thermique

4. RESULTATS

4.1 Coefficient de dilatation thermique Les résultats du CDT sont donnés sur la Figure 2 en fonction du temps équivalent. Pendant la prise, une importante diminution du CDT a lieu pour chacune des compositions durant un même intervalle de temps. Ensuite, une faible diminution du CDT est observée pour chaque composition jusqu’à une valeur minimale variant entre 7 et 10 µm/m/° C. Pour les compositions possédant un rapport eau-ciment élevé, la valeur du CDT est globalement plus faible. Durant cette période, l’évolution du CDT est principalement liée à la contribution de l’eau et à la faible rigidité de la pâte de ciment. La substitution de graviers naturels par des graviers recyclés augmente la valeur du CDT au très jeune âge. Cet effet est plus prononcé avec des graviers recyclés provenant de la composition N06. Ceci s’explique par la plus forte porosité de ces derniers. Après ce minimum, le CDT augmente jusqu’à une valeur seuil variant entre 10.5 et 12.5 µm/m/°C. Cette hausse du CDT est induite par la réduction de l’humidité relative au sein de la pâte de ciment qui est elle-même liée à l’hydratation de la pâte de ciment (Sellevold and Bjøntegaard 2006). Pour un rapport eau-ciment de 0.4, la présence de gravier recyclé n’induit aucun changement significatif dans l’augmentation du CDT. Alors que pour un rapport eau-ciment de 0.6, la présence de graviers recyclés dans le béton permet de limiter la hausse du CDT par un facteur 2. Pour un tel rapport eau-ciment, la grande quantité d’eau présente dans les graviers recyclés est transférée partiellement à la pâte de ciment pour re-remplir les pores capillaires. Ce phénomène, appelé cure interne, réduit ou évite le phénomène d’auto-dessiccation de la pâte de ciment. Cet effet de cure interne avait déjà été observé auparavant sur des bétons composés de granulats allégés (Maruyama and Teramoto 2012) ou des pâtes de ciment composées de polymère super absorbant (Staquet et al. 2019).

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4.2 Déformations endogènes Les résultats des déformations endogènes sont présentés à la Figure 3 en fonction du temps équivalent. Pour chaque composition, les essais ont été réalisés sur deux échantillons provenant du même lot de fabrication afin d’assurer la répétabilité des résultats. Les résultats présentés correspondent à la moyenne des deux échantillons. Les déformations endogènes sont mises à zéro à la fin de prise t!". Trois étapes sont observées dans les résultats : (i) à la fin de prise, un gonflement du béton a lieu jusqu'à une valeur maximale pour les compositions avec un rapport eau-ciment élevé. Ce gonflement est d’autant plus élevé que le rapport eau-ciment est élevé pour un même type de gravier. La présence de graviers recyclés réduit ou annule ce gonflement en comparaison au béton composé de granulat naturel pour un même rapport eau-ciment. Cette réduction est plus prononcée avec les graviers recyclés provenant du béton N04. Le gonflement peut être induit par la réabsorption d'eau (aucun ressuage n'a été observé ici pendant la mise en place du béton et à la fin du test) ou par les pressions de cristallisation générées en raison de la formation d'une phase solide (Carette et al. 2018); (ii) pour chacune des compositions, le béton se contracte suite au phénomène d'auto-dessiccation de la pâte de ciment. Ce phénomène est plus élevé pour les bétons possédant un rapport eau-ciment faible; (iii) les bétons composés de graviers recyclés et dont le rapport eau-ciment est de 0.6 exposent une deuxième phase de gonflement. L’origine de ce gonflement est lié à la haute porosité des granulats recyclés et l’effet de cure interne qui réduit ou annule le phénomène d’auto-dessiccation. Cet effet de cure interne est plus prononcé avec les graviers recyclés provenant du béton N06.

Figure 3 – Développement des déformations endogènes

5. DISCUSSIONS La quantité d’eau disponible pour l’hydratation du ciment, appelée eau effective, diffère entre chacune des compositions. L’origine de cette différence provient de la haute porosité des graviers recyclés en comparaison avec celle des graviers naturels. Pour comprendre l’impact des graviers recyclés sur le développement des déformations endogènes, il est nécessaire que chacune des compositions soit comparée avec une composition possédant une même quantité d’eau effective pour l’hydratation du ciment. À cette fin, le développement des déformations endogènes doit être extrapolé depuis la prise pour différent rapport eau effective-ciment à partir des résultats obtenus sur les bétons composés de graviers naturels. Une manière d’extrapoler ces résultats consiste à modéliser les déformations endogènes et à identifier comment chacun des paramètres du modèle se comporte en fonction du rapport eau effective-ciment.

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Plusieurs modèles ont été développés pour représenter l'évolution du retrait endogène (Benboudjema and Torrenti 2008; fib 2013; Liu and Hansen 2016; Wendner, Hubler, and Bažant 2013). Une expression mathématique globale est utilisée et est liée à l'auto-dessiccation de la pâte de ciment. Ces modèles ne peuvent donc pas prendre en compte simultanément le gonflement (dû à l’hydratation de la pâte de ciment ou à l’effet de la cure interne des granulats recyclés) et le retrait de la pâte de ciment. Afin de considérer ces deux phénomènes, Darquennes et al. (Darquennes and Benboudjema 2012) ont développé un modèle pour des bétons composés de CEM III/A. Ce dernier prend en compte le gonflement et l'auto-dessiccation de la pâte de ciment en utilisant une seule équation. Récemment, Delsaute et al. (Delsaute and Staquet 2017a) et Carette et al. (Carette et al. 2018) ont développé un nouveau modèle composé de deux termes permettant de reproduire le développement des déformations endogènes depuis la prise. Le premier terme est lié au gonflement initial du matériau tandis que le second terme est associé au retrait induit par le phénomène d'auto-dessiccation. Le modèle développé par Delsaute et al. (Delsaute and Staquet 2017a) est présenté à l’Équation 2.

#�$%���& � '() . +,- ��� -()��� � �.(��/0� � '(1 . +,- 2�� -(1��� � �.(�3 2

où t45 et t!" sont exprimés en heure, -(), -(1 et 6() sont des paramètres de cinétique, '() et '(1 sont des paramètres d’amplitude. Les indices ‘sw’ et ‘sd’ sont en référence au terme de gonflement (‘swelling’ en anglais) et d’auto-dessiccation (‘self-desiccation’ en anglais) des déformations endogènes. Les valeurs des paramètres de l’Équation 2 sont données au Tableau 3 pour chacun des bétons composés de graviers naturels. Les résultats de la modélisation sont présentés à la Figure 4. Une très bonne correspondance est obtenue pour chacune des compositions. Tableau 3 – Coefficient de l’Équation 2 N03 N04 N05 N06 '() , µm/m 7 15 30 71 -() , h 4.3 4.4 4.4 4.3 6(), / 5.8 4.7 3.3 2.1 '(1 , µm/m -160 -127.6 -100 -91.2 -(1 , h 25 27 22 17

�.(, h 3.0 4.1 5.2 5.5

Figure 4 – Développement des déformations endogènes des bétons composés de gravier naturel. Les lignes pointillées correspondent au modèle présenté à l’Équation 2.

Les effets du rapport eau effective-ciment sur les paramètres de l’Équation 2 sont mis en avant à la Figure 5. Une relation de type exponentielle est observée entre le paramètre d’amplitude de gonflement '() et le rapport eau effective-ciment. Le paramètre de cinétique -() semble indépendant du rapport eau effective-ciment alors que le deuxième paramètre de cinétique lié au gonflement 6() diminue linéairement avec une augmentation du rapport eau effective-ciment. Une relation de type logarithmique est observée entre le paramètre d’amplitude de retrait '(1 et le rapport eau effective-ciment. Le paramètre de cinétique -(1 diminue linéairement avec une augmentation du rapport eau effective-ciment. Cependant cette linéarité n’est pas respecté pour la composition N03 (Eeff/C=0.24) pour laquelle un superplastifiant a été utilisé. Ce paramètre semble dès lors sensible à la présence de superplastifiant dans le béton. Finalement, le temps de fin de prise �.( évolue de manière logarithmique en fonction du rapport eau effective-ciment.

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Figure 5 – Paramètre de l’Équation 2 en fonction du rapport eau effective-ciment

À la Figure 6, le développement des déformations endogènes des bétons composés de graviers recyclés est comparé aux déformations endogènes des bétons composés de graviers naturels pour un même rapport eau effective-ciment en utilisant l’Équation 2 et les relations entre les paramètres du modèle et le rapport eau effective-ciment indiquée à la Figure 5. Il est généralement observé que les déformations endogènes des bétons composés de graviers recyclés ont une amplitude de retrait moins importante à l’exception de la composition OC04NC04.

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Figure 6 – Comparaison entre les déformations endogènes des bétons composés de gravier recyclé avec des bétons composés de gravier naturel pour un même rapport eau effective-ciment.

Comme exprimé à l’Équation 3, l’effet de cure interne des graviers recyclés est estimé sur base de la différence entre le développement des déformations endogènes des bétons à base de graviers recyclés #�7,8 et celles des bétons composés de graviers naturels possédants un même rapport eau effective-ciment #�7,9. Au travers de ces résultats, il est observé que l’utilisation de gravier recyclé provenant de la composition N06 permet d’augmenter fortement l’effet de la cure interne en comparaison au gravier recyclé provenant du béton N04. Pour un rapport eau-ciment de 0.4, une différence de 110 µm/m est observée entre les compositions OC04NC04 et OC06NC04. Alors qu’une différence de 70 µm/m est atteinte entre les compositions OC04NC06 et OC06NC06. Il est aussi constaté que l’effet de cure interne sur les déformations endogènes est plus important sur les compositions ayant un rapport eau-ciment élevé. Pour chaque composition, le développement des déformations induites par l’effet de la cure interne des graviers recyclés #:; suit un même type de cinétique. Une loi de type exponentielle (Équation 3) est utilisée afin de reproduire les résultats expérimentaux (Delsaute and Staquet n.d.). Une très bonne correspondance est observée entre les deux évolutions (Figure 6). Chacun des paramètres de l’Équation 3 a été défini par la méthode des moindres carrés.

#�7,8 � #�7,9 � #:; � ':; ∙ exp �� � -:;��� � �.(��<=� 3

Où -:; et 6:; sont des paramètres de cinétique et ':; est un paramètre d’amplitude. Les valeurs des paramètres de l’Équation 3 sont données au Tableau 4 pour chacune des compositions. Le paramètre d’amplitude ':; est plus important pour des rapports eau-ciment élevé et pour des bétons composés de graviers recyclés provenant du béton N06. Le premier paramètre de cinétique -:; est plus élevé pour des

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compositions comportant des graviers recyclés provenant du béton N04. Le deuxième paramètre de cinétique 6:; est influencé à la fois par le type de granulat recyclé et le rapport eau-ciment, sa valeur augmente pour des graviers recyclés provenant du béton N04 et pour un rapport eau-ciment faible. Tableau 4 – Coefficient de l’Équation 3

OC04NC04 OC06NC04 OC04NC06 OC06NC06

A?@, µm/m -60 70 58 133

p?@, h 100 30 50 40

r?@, / 1.4 1.2 1.2 1 6. CONCLUSIONS Une nouvelle méthodologie expérimentale basée sur l'application répétée de variations thermiques est utilisée pour la caractérisation des déformations endogènes et du coefficient de dilatation thermique depuis le très jeune âge sur des bétons avec différent rapport eau-ciment et composé de deux types de graviers recyclés. Les essais ont été réalisés sur 8 compositions avec des rapports eau-ciment variant entre 0.3 et 0.6. 4 bétons sont des compositions de référence pour lesquels seuls des graviers naturels sont utilisés. Deux types de graviers recyclés provenant de béton avec un rapport eau-ciment de 0.4 et 0.6 sont utilisés dans 4 autres compositions. La porosité des graviers recyclés ont une incidence importante sur le développement du coefficient de dilatation thermique et des déformations endogènes. La substitution de graviers naturels par des graviers recyclés augmente la valeur du CDT au très jeune âge. Cet effet est plus prononcé avec des graviers recyclés provenant de béton avec un rapport eau-ciment élevé. Pour des âges plus élevés, la présence de graviers recyclés n’induit aucun changement significatif dans l’évolution du CDT pour des compositions avec un rapport eau-ciment faible alors que pour des rapports eau-ciment élevés la hausse du CDT est fortement limitée. Il est observé que l’utilisation de gravier recyclé provenant de béton avec un rapport eau-ciment élevé permet d’augmenter fortement l’effet de la cure interne. Il est aussi constaté que l’effet de cure interne sur les déformations endogènes est plus important sur les compositions ayant un rapport eau-ciment élevé. Finalement, l’effet de cure interne des graviers recyclés sur le développement des déformations endogènes est modélisé avec une loi exponentielle.

REMERCIEMENTS Cette étude a été financée par le Fond National de la Recherche Scientifique (FNRS). REFERENCES Benboudjema, F. and J. M. Torrenti. 2008. “Early-Age Behaviour of Concrete Nuclear Containments.”

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