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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
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 :