Étude du comportement de bétons de coproduits coquilliers pour une utilisation en récifs artificiels

ÉTUDE EXPÉRIMENTALE SUR MORTIERS DE CIMENT

Le premier chapitre a mis en évidence des perturbations dans les matériaux cimentaires dues à l’incorporation des coquilles concassées. L’une des plus évidentes est l’augmentation de la quantité d’air occlus, avec des conséquences sur les propriétés à l’état frais et à l’état durci de ces matériaux. Afin d’identifier quelle est l’origine de cette augmentation, une étude sur mortiers de ciment a été effectuée. 

Formulation

Les constituants des mortiers de ciment élaborés sont du ciment Portland type CEM I 52,5 N PM, du sable roulé Sr2 et des coquilles de pétoncle concassées P2. Les formulations ont été établies pour évaluer : Chapitre 2 : Étude des granulats incorporant des coquilles concassées pour matériaux cimentaires Héctor CUADRADO RICA, 2016 59  l’effet de la substitution des granulats naturels Sr2 par des coquilles concassées P2,  l’effet des substances organiques solubles des coquilles. Un mortier sans coquilles M-0 de composition normalisée a servi comme base de formulation pour établir la composition des autres mortiers (Tableau 2-10) :  une première série de mortiers incorpore des coquilles concassées P2 en remplacement du sable roulé Sr2. Pour pallier aux coefficients d’absorption supérieurs de P2 par rapport à Sr2, la quantité d’eau totale ajoutée a été calculée pour assurer une quantité d’eau efficace constante. Trois taux de substitution massiques ont été choisis, 20, 40 et 60 %, respectivement pour les mortiers M-20, M-40 et M-60. L’incorporation de coquilles concassées a été effectuée par le remplacement du volume de Sr2 par le volume de P2 plus l’eau absorbée afin que la proportion volumique de pâte efficace soit constante dans tous les mortiers ;  une deuxième série de mortiers a été préparée en utilisant les éluates obtenus de la lixiviation des coquilles concassées comme eau de gâchage des mortiers. Ces trois mortiers ont été préparés avec les solutions S20, S40 et S60 (trois premières colonnes du Tableau 2-11). Deux gâchées supplémentaires ont été préparées ; une première dont la composition incorpore 40 % des coquilles P2 lavées à une température de 40 °C et une deuxième où les coquilles P2 ont été lavées dans l’eau bouillante à 100 °C (deux dernières colonnes du Tableau 2-11). 

Gâchage et préparation d’éprouvettes

Le gâchage des mortiers a été réalisé selon le protocole défini par la norme NF EN 196-1. Les coquilles concassées ont été incorporées dans le malaxeur avec le sable roulé. Le coulage des éprouvettes a été réalisé dans des moules prismatiques 4x4x16 cm en 2 couches compactées par 60 chocs chacune sur une table à chocs automatisée. Les éprouvettes ont été conservées 24 h dans un moule recouvert d’une plaque en verre et stockées dans des bacs à HR >90 %. Elles ont été ensuite démoulées et conservées dans les bacs. 

Maniabilité

La maniabilité des mortiers a été mesurée selon 2 protocoles : l’essai au maniabilimètre (NF P18- 452) et l’essai avec la table à secousses (NF EN 1015-3). Le premier essai mesure le temps d’écoulement d’un mortier sous l’effet d’une vibration dans un maniabilimètre de type B. Le deuxième essai mesure le diamètre d’étalement du mortier mis en place à l’aide d’un moule tronconique sur le plateau d’une table à chocs qui applique 10 chocs correspondant chacun à une chute de 10 mm. On constate que :  l’incorporation des coquilles concassées brutes (sans lavage) diminue la fluidité du mortier malgré la correction de l’absorption d’eau des coquilles. Étant donné que l’eau efficace est égale ou supérieure dans les formulations incorporant des coquilles, la forme, la taille ou le relargage de substances tensioactives des coquilles paraissent être les causes principales de la perte de maniabilité ;  la maniabilité des mortiers incorporant des éluates ne montre pas de différences significatives. La modification des propriétés de la pâte cimentaire par les substances solubles des coquilles ne semble donc pas être la raison de la perte de fluidité des mortiers incorporant des coquilles concassées ; une légère augmentation de la fluidité des mortiers a été observée avec le lavage des coquilles concassées. Ces résultats mettent en évidence que le paramètre le plus influent sur les propriétés rhéologiques des mortiers est la forme et la taille des coquilles concassées, paramètres liés à la compacité granulaire (voir paragraphe 2.3.1). 2.2.4 Air occlus L’air occlus des mortiers préparés a été calculé à partir de la mesure de la masse volumique des éprouvettes confectionnées selon l’équation suivante : (15) où : ρfr est la masse volumique des mortiers à l’état frais ; vi est la proportion volumique du constituant « i » ; ρa,i est la masse volumique absolue du constituant « i ». La Figure 2-19 contient les valeurs d’air occlus calculées. La teneur en air du mortier sans coquilles est égale à 2,3 %. Les mortiers avec coquilles ont des teneurs en air qui varient entre 4 et 6 %. L’incorporation de coquilles concassées non lavées engendre une forte augmentation d’air occlus avec l’incorporation de 20 % de coquilles concassées tandis que pour des taux d’incorporation supérieurs à 40 %, la teneur en air se stabilise autour de 6 %. Cette stabilisation de l’air occlus peut être occasionnée par la taille des éprouvettes et par la méthode de compactage. Les éprouvettes de mortier ont été intensément compactées par rapport au volume de mortier. L’application d’autant de secousses permet aux bulles d’air d’arriver facilement à la surface libre du mortier et de s’échapper. Ces résultats indiquent que la présence d’air occlus n’est pas seulement due à la forme des granulats car, si c’était le cas, elle devrait augmenter avec le taux d’incorporation de coquilles concassées. Les mortiers de ciment formulés avec les éluates de coquilles ne présentent pas d’augmentation significative de la teneur en air. Il est possible que l’air soit mieux relargué en milieu basique (pâte Chapitre 2 : Étude des granulats incorporant des coquilles concassées pour matériaux cimentaires 62 Héctor CUADRADO RICA, 2016 cimentaire). En effet, les substances organiques solubles des coquilles concassées contiennent des composés acides (Barnaby, 2004 ; Farre et Dauphin, 2009 ; Krauss, 2009) et des réactions acidebase pourraient accélérer le relargage. Figure 2-19 : Air occlus des mortiers de ciment Les mortiers de ciment incorporant des coquilles concassées lavées montrent une diminution de l’air occlus. Pour le cas étudié, avec un taux de remplacement de 40 %, l’extraction des substances solubles des coquilles concassées par lavage permet une réduction supérieure à 25 % de l’air occlus des mortiers de ciment. Ainsi, on n’observe pas de différences significatives entre le mortier contenant des coquilles lavées à 40 °C et contenant des coquilles lavées à 100 °C. 

Masse volumique apparente et porosité accessible à l’eau

Des mesures de la porosité accessible à l’eau (ε) et de la masse volumique sèche (ρd) par pesée hydrostatique ont été effectuées conformément à la norme NF P18-459. Celles-ci ont été effectuées après conservation des éprouvettes de mortier à 20 °C et HR ≥ 90 % pendant 28 jours. Les résultats de la porosité accessible à l’eau des mortiers sont représentés à la Figure 2-20. Le mortier sans coquilles possède une porosité de 17,8±0,2 %. La porosité croît linéairement de 17,8 à 22,2 % avec l’augmentation de l’incorporation de coquilles concassées. L’augmentation de la quantité totale d’eau introduite avec l’incorporation de coquilles concassées conduit inévitablement à l’augmentation de la porosité à l’état durci. Les mortiers fabriqués avec les éluates montrent une très légère augmentation de la porosité. Les mortiers incorporant des coquilles lavées ont une porosité plus élevée avec l’augmentation de la température de lavage. La teneur en air occlus de ceux-ci étant inférieure avec les coquilles lavées, l’augmentation de la porosité accessible à l’eau peut être liée à une réduction de la teneur en substances solubles lors du lavage. Ces substances de nature hydrophile pourraient générer la formation des pores imperméables à l’eau. La teneur en air occlus n’est pas reflétée dans la porosité accessible à l’eau des mortiers avec coquilles concassées non lavées.  La masse volumique des mortiers est cohérente avec la porosité. Par ailleurs, la masse volumique des mortiers incorporant des coquilles concassées lavées est liée aux teneurs en air occlus. Ceci confirme l’hypothèse sur l’imperméabilisation des bulles d’air entraîné par les substances organiques solubles des coquilles. Figure 2-20 : Porosité accessible à l’eau (ε) et masse volumique apparente sèche (ρd) des mortiers de cimen

Propriétés mécaniques : compression et flexion

Les essais mécaniques pour déterminer la résistance des mortiers en flexion et en compression ont été réalisés conformément à la norme NF EN 196-1. Les éprouvettes, conservées à 20 °C et HR ≥ 90 %, ont été testées à l’âge de 28 jours. Les résistances en flexion et en compression sont représentées sur la Figure 2-21. Globalement, les tendances observées en compression se retrouvent pour la flexion : l’analyse des deux propriétés se fera en commun. Figure 2-21 : Résistance en flexion et en compression des mortiers de ciment L’incorporation de coquilles concassées, brutes ou lavées, dans le mortier de ciment réduit sa résistance de 18 à 20 %. Le taux d’incorporation et la porosité accessible à l’eau n’affectent pas la baisse de résistances ; c’est la teneur en air occlus qui est liée fortement aux propriétés 1950 1980 2010 2040 2070 2100 2130 17 18 19 20 21 22 23 ρd (kg.m-3) ε (%) 30 35 40 45 50 55 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 Rc (MPa) Rfl(MPa) Chapitre 2 : Étude des granulats incorporant des coquilles concassées pour matériaux cimentaires 64 Héctor CUADRADO RICA, 2016 mécaniques des mortiers. Concernant les mortiers préparés avec les éluates, les propriétés mécaniques sont semblables au mortier sans coquilles. Ceux préparés avec les coquilles lavées ne montrent pas d’amélioration de résistances par rapport aux mortiers avec des coquilles non lavées.

Conclusions de l’étude

L’incorporation de coquilles concassées dans le mortier de ciment en remplacement du sable roulé de granulométrie équivalente diminue significativement sa maniabilité et ses propriétés mécaniques. Les conclusions principales de cette étude expérimentale sont les suivantes :  la perte de fluidité semble être provoquée par la forme aplatie des coquilles concassées ;  la perte des propriétés mécaniques est liée principalement à la teneur en air occlus des mortiers à l’état frais. La forme et les substances organiques solubles des coquilles concassées sont responsables de l’entraînement d’air. Néanmoins, il semble possible de réduire la teneur en air occlus si les coquilles concassées sont lavées ;  la porosité accessible à l’eau est considérée comme étant le paramètre qui dicte les propriétés mécaniques des matériaux cimentaires. Ce n’est pas le cas ici, en présence de coquilles. Les bulles d’air générées par la présence de substances organiques solubles des coquilles sont moins accessibles à l’eau. La porosité accessible à l’eau n’est donc pas liée aux teneurs en air occlus des mortiers incorporant des coquilles concassées.