Articles scientifiques et techniques

Le travail présenté ici vise à étudier et prédire numériquement la susceptibilité à la fissuration par déformation libre restreinte (thermique et hydrique) de différents bétons réalisés à l’aide de granulats recyclés, avec différents taux de substitution. Ce travail s’inscrit dans le cadre du Projet National RECYBETON.
Le séchage, l’hydratation, les déformations thermiques et hydriques, de fluage propre et de dessiccation et l’évolution des propriétés en fonction du degré d’hydratation ont été pris en compte dans les simulations réalisées. Le cas d’une restreinte totale et un chantier expérimental de dalles de parking en béton de granulats recyclés ont servi de base d’étude. Cette étude montre la possibilité d’utiliser des granulats recyclés sans risque de fissuration dans le cas d’une application de type de dallage. Il est également montré que le béton présentant le plus fort taux de substitution est le plus susceptible vis-à-vis de la fissuration par restreinte des déformations différées. Néanmoins, il est également montré que le béton de granulat naturel n’est pas le moins susceptible de fissurer par rapport à un béton de granulat recyclé.

La Revue RGRA a édité un numéro spécial (n°937 – Mai/Juin 2016) consacré au Congrès de l’IDRRIM qui s’est déroulé du 14 au 16 juin 2016 à Paris.

Le 3e Congrès de l’IDRRIM était placé cette année sous le thème : « Des infrastructures indispensables, innovantes et engagées pour la transition énergétique ». Le Projet National RECYBETON s’inscrivant dans cette thématique, un article lui a été consacré dans la catégorie “Changement climatique et économie circulaire”. Rédigé par François DE LARRARD (Directeur Scientifique u PN / LafargeHolcim) et Thierry SEDRAN (IFSTTAR), l’article présente les premiers résultats du projet, les résultats préliminaires sur le comportement à la fatigue de bétons routiers contenant des granulats de béton recyclé et les livrables du projet national.

France is currently producing about 20 Mt/year of demolished concrete, most of this material being used in road sub-bases or embankments. However, this flow should increase in the near future, although less and less new roads are to be built. Another 20 Mt of mixed demolition materials, a good part of it being concrete or natural rock, is also available. Therefore there is a duty, both for the society and the planet, to make the best use of this demolished concrete, in order to preserve natural aggregate resources, which are increasingly difficult to obtain, and to eradicate waste material landfills.
Based on this reality, a national project was set in 2012, gathering 47 partners, among which representatives of all construction stakeholders. Partially funded by the French Ministry of Ecology, RECYBETON encompasses five fields of activities:

• Research on material processing.
• Research on recycled materials and structures.
• Research on sustainable development.
• Standards and regulations.
• Communication and Promotion of results, among which demonstration sites.

The paper aims to present the main outputs of the project, which will produce various deliverables: a scientific book, a guide, a number of proposals to adapt standards and regulations, and, last but not least, four experimental constructions (demonstration sites) including an outside parking lot, a bridge, an outdoor space and a public building. Other demonstration sites are in project or near to be launched.

KEYWORDS: Recycled Concrete Aggregate, Recycling Concrete Process, Recycled Concrete Structures, Sustainable Development

L’utilisation de bétons formulés à partir de granulats de bétons recyclés est autorisée par la norme NF EN 206-1/CN dans certaines limites mais le nombre de réalisations avec ce type de matériau reste faible et les retours d’expérience rares, notamment dans les ouvrages d’art. Dans le cadre de sa démarche innovation, et de sa mission de maîtrise d’oeuvre du Contournement ferroviaire de Nîmes Montpellier (CNM), le groupe setec a mis en relation les partenaires du Projet National RECYBETON, avec la société Oc’Via et le groupe Bouygues maître d’ouvrage et pilote du groupement constructeur de l’infrastructure. Ce partenariat a débouché sur le développement et la mise en oeuvre d’un béton à base de granulats recyclés sur un des ouvrages routiers de ce projet, de type véloroute. L’objectif de cette réalisation est de démontrer la faisabilité technique et industrielle d’un tel béton et de mieux appréhender les freins actuels liés au développement de ce type de béton en France. 

This main aim of this research is to promote the preservation of natural resources in particular the non-renewable resources by using demolished concretes as recycled aggregates. Nowadays there has been an increased trend in researches of concretes based on recycled aggregates.

This study has been carried out in order to determine the physical and mechanical performance of concretes with different substitution rates of recycled aggregates (RA). A concrete based on natural aggregates (NAC) and three recycled aggregates concrete (RAC) mixes have been designed to compare the properties of RAC with NAC. The different amounts of repalcement ratios of AN with RCA are 34%, 55% and 100%. The concrete mixes were adjusted in order to achieve the same consistency S4 and compressive strenght C35/45 classes. The recycled coarse aggregate and fine aggregates were introduced during the mix design at the saturated state.

At the fresh state, the concretes were characterized by rhe measurement of the air content and the workability during a time period od 90 min. At the hardened state, porosity, permeability by gas, density, compressive strenght, splitting tensile strenght and dynamical modulus of elasticity (Ed) tests are conducted at 28 days. Tha analysis of the obtained results shows that the model of Féret can be used to predict Fc 28 days. Moreover, relationships between the water/binder ratio and the air content as well as density are established as a function of the rate of substitution as well as the porosity of aggregates. At the hardened state, correlations between physico-mechanical have been assessed.

This paper presents the results of an experimental campaign which aimed at determining the viability of incorporating recycled aggregates from concrete, in the production of a new concrete, with acceptable earformances for its use in new structures. Nine concrete mixtureswith different recycled aggregates contents and with different water to binder (w/b) ratio were studied. The mean compressive strength for the reference concretesis comprised between 30 and 60 MPa. Tests were performedto measure compressive strength, porosity, chloride diffusion and gas permeability. The results indicatedthat the porosity of recycled aggregatesconcrete strongly depends on recycled aggregates contents. Chloride diffusion and permeability are also modified. For pratical use, it is important to note that these durability properties can be improved by the optimization of the mix, in particularly the w/b ratio of the new concrete.

ABSTRACT

The use of materials coming from recycled concrete has become common in many domains of construction. However, it has been shown that using the recycled sands in the design of concrete is very difficult because of their uncontrollable fine content. This usually leads to a high loss of the workability, a decrease in the mechanical strength, etc… In this issue, the aim of this work is to evaluate the potential of the GRCS (sands from crushed concrete, i.e. grinded recycled concrete sands) to be incorporated into new concretes as supplementary cementing materials. In this paper, the pozzolanic behavior and residual hydraulic reactivity of four recycled sands were studied. Many investigations were carried out on pastes, based on isothermal calorimetry, thermogravimetric analysis (TGA) and chemical analysis (Frattini test). Subsequently, compressive strength tests on mortars were realized in order to determine the short-and long-terms effects of these GRCS on the performances of cement-based materials. The results showed that GRCS had only a poor hydraulic reactivity and a low pozzolanic activity, without a significant effect on compressive strength or hydration of cement, indicating that these materials may be used as filler.

KEYWORDS: Recycled concrete sands; Pozzolanic activity; Hydraulic activity; Supplementary cementing materials.

RESUME

Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet ANR ECOREB et traite les propriétés à l’état durci des bétons de granulats recyclés dont les formules ont été mises au point dans le cadre du PN RECYBETON. Pour la formulation des bétons, des granulats naturels et recyclés fournis en trois coupures, un ciment CEM II/A-L 42.5, des fillers calcaires ainsi qu’un superplastifiant ont été utilisés. En plus, une classe de résistance C25/30 et une classe de consistance S4 ont été imposées par le cahier de charges.
Quatre formulations de la série C25/30 ont été élaborées dans le cadre de ce travail : un béton de granulats naturels, dit de référence, et trois de granulats recyclés avec trois taux de substitution volumique : 30%, 50% et 100%. Des éprouvettes cylindriques 16×32 cm ont été testées à l’âge de 28 jours en compression uniaxiale. Pour estimer l’endommagement des bétons, des essais charges-décharges ont été effectués à déplacement contrôlé en imposant une vitesse du déplacement de vérin de 0,5 mm/min. Les déformations longitudinales ont été mesurées en utilisant un extensomètre constitué d’une couronne équipée de 3 capteurs LVDT. Les résultats expérimentaux montrent que l’introduction des granulats recyclés diminue non seulement les propriétés mécaniques du béton, mais la vitesse de l’endommagement ainsi que la déformation seuil d’endommagement.

ABSTRACT

This works belongs to the project ANR ECOREB and traits the mechanical properties of recycled aggregate concretes whose mix proportions were proposed in the framework of the national project RECYBETON.. For concrete mixtures natural and recycled aggregates supplied in three classes, CEM II / AL 42.5 cement, limestone fillers and a superplasticizer were used. C25/30 class of compressive strength and a S4 class of workability were imposed by the specifications
Four formulations of the series C25 / 30 have been developed and studied in this work: a concrete with natural aggregates, called reference, and three recycled aggregate concretes with three volumetric replacement ratios: 30%, 50% and 100%.
16×32 cm cylindrical specimens were manufactured and tested at 28 days under uniaxial compression. Mechanical tests were conducted using a press SCHENK with a capacity of 3500 KN by performing loading-unloading cycles up to failure with a controlled displacement rate of 0.5 mm / min. Axial strains were measured using an extensometer with 3 LVDTs. Experimental results show that the introduction of recycled aggregates decreases not only the mechanical properties of concrete, but also the damage rate and the damage threshold.

RESUME

Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet ANR VBD 2013 « ECOREB » en relation étroite avec le PN RECYBETON et vise à étudier, à travers une caractérisation complète des granulats, l’influence de la substitution partielle ou totale des granulats naturels par des recyclés sur les propriétés physiques et mécaniques de deux séries de bétons. Quatre formulations pour chaque série de béton ont été élaborées : un béton de granulats naturels, dit de référence, et trois bétons
de granulats recyclés avec trois taux de substitution des granulats naturels par des granulats recyclés.
On montre que les granulats recyclés, GR, présentent une forte porosité comparés aux naturels, GN. Il s’en suit un coefficient de LA plus important. Ce coefficient augmente avec le WA24 et diminue avec la masse volumique réelle. Sur la base des résultats de cette étude et en introduisant des données issues de la littérature (une dizaine de granulats différents), on montre que la loi des mélanges permet de prédire en toute confiance le coefficient LA, la masse volumique réelle et le WA24 des mélanges granulaires (naturels+recyclés).
Les résultats issus des expériences réalisées sur les bétons montrent une augmentation de l’air occlus et de la porosité ainsi qu’une diminution de la masse volumique quand le taux de substitution des GN par les GR dans les bétons augmente. Des corrélations entre l’évolution des propriétés physico-mécaniques des granulats et celles des bétons ont été établies. Ainsi la porosité évolue linéairement en fonction du coefficient LA des mélanges granulaires quel que soit la classe de résistance du béton. Par ailleurs, la contrainte à la compression est directement liée au coefficient LA des mélanges granulaires. Cette corrélation a été établie sur la base de nos résultats et ceux issus de la littérature.

ABSTRACT

This study is a part of ANR VBD 2013 « ECOREB » project in collaboration with PN RECYBETON. It aims to study, through a complete characterization of aggregates, the influence of the partial or total substitution of natural aggregates, NA, by recycled ones, RA, on the physical and mechanical properties of two series of concretes. Four mixtures for each set of concrete were developed: a concrete based on NA, called reference concrete, and three mixtures with different
percentage of substitution.
For aggregates, it has been revealed that, the RA has higher porosity and higher LA coefficient than that of NA. In addition these parameters increase with WA24 and decrease with the density. It has been established on the basis on the experimental data and those provided from literature that the mix law well predict LA coefficient, density and WA24 of the NA and RA.
The experimental tests on concretes have shown an increase in the air content and porosity, on the other hand, a decrease of density when the substitution rate increases. The relationships between physical and mechanical properties of aggregates and concrete were established. In particular relationships between concrete porosity and LA coefficient of aggregates have been determined. Moreover, it has been found that the compressive strength is directly related to the LA coefficient of gravels. This correlation has been established on the basis of our experimental results and those from the literature.

RESUME

Les comportements mécaniques à la rupture de bétons constitués de granulats recyclés (BGR) et de sables recyclés (BSR) ont été étudiés en utilisant une analyse synchronisée d’essais en flexion trois points avec la technique de corrélation d’images. Les profils d’ouverture de fissure et les zones de localisation des déformations (ZLD) ont été calculés pour analyser et comparer la zone de traitement de la fissure pour chaque formulation à des niveaux de chargement importants. Le BGR et le BSR semblent se comporter de la même manière que le béton de granulats naturels (BGN), mais on observe que les fissures pour le BGR apparaissent plus tôt et se développent plus rapidement par rapport au BGN. Les gravillons recyclés aident à générer une zone de traitement de la fissure plus longue et plus large, ainsi qu’une valeur de déformation plus élevée, alors que le sable recyclé conduit à une ZLD plus large.

ABSTRACT

The mechanical behaviors of recycled aggregate concrete and recycled sand concrete beams under three-point bending test were investigated using synchronized analysis of fracture behavior with Digital Image Correlation technique. The crack opening profiles and strain localization zones were calculated to analyze and compare the fracture process zone of each concrete mixture beam at important loading stages. Although the global mechanical response of both recycled aggregate concrete and recycled sand concrete is similar compared to natural aggregate concrete, the fracture growth is distinctive for each concrete type. Cracking in recycled aggregate concrete initiates earlier and develops faster compared to natural aggregate concrete. The recycled coarse aggregates cause the formation of a longer and wider fracture process zone and a higher strain value. The recycled sand also leads to a wider strain localization zone.

ABSTRACT

The demolition of concrete structures generates large amounts of wastes that could be recycled into concrete as aggregates. The presence of porous adherent paste in the recycled concrete aggregates (RCA) leads to a greater water absorption that must be taken into account in the formulation of concrete. Depending on the saturation state of RCA, the microstructure of the Interfacial Transition Zone (ITZ) between old paste adhering to RCA and new cement paste differs and influences the mechanical properties of concrete containing RCA. In this work, we characterize the ITZ between the old and the new cement paste for two moisture conditions of aggregate (dry and over-saturated). Two mortars, one based on natural aggregates and the other on RCA, were manufactured with the same volume of dry aggregates and the same effective water to cement ratio. The ITZ after 2 and 28 days of hydration is characterized by scanning electron microscopy. From the image analysis, we calculate the proportion of anhydrous phase, hydrated phase and porosity of ITZ. For mortars based on RCA, after two days of hydration, the average porosity in the ITZ of mortar with over-saturated aggregate is higher than that with dry aggregate. But the saturation state of aggregate has a significant influence on the distribution of porosity in the ITZ. The porosity in the ITZ of mortars containing RCA is larger than that of mortars made with natural aggregates. This difference can be explained by a higher effective water to cement ratio in the mortar based on RCA. This excess may be due to a lower value of absorption of RCA than that provided by the absorption estimated on RCA.

L’utilisation de bétons formulés à partir de granulats de bétons recyclés est autorisée par la norme NF EN 206-1/CN dans certaines limites mais le nombre de réalisations avec ce type de matériau reste faible et les retours d’expérience rares, notamment dans les ouvrages d’art. Dans le cadre de sa démarche innovation, et de sa mission de maîtrise d’oeuvre du Contournement ferroviaire de Nîmes Montpellier (CNM), le groupe setec a mis en relation les partenaires du Projet National RECYBETON, avec la société Oc’Via et le groupe Bouygues maître d’ouvrage et pilote du groupement constructeur de l’infrastructure. Ce partenariat a débouché sur le développement et la mise en oeuvre d’un béton à base de granulats recyclés sur un des ouvrages routiers de ce projet, de type véloroute. L’objectif de cette réalisation est de démontrer la faisabilité technique et industrielle d’un tel béton et de mieux appréhender les freins actuels liés au développement de ce type de béton en France. La présentation s’attachera à détailler le contexte de l’opération et les modalités d’implication des divers intervenants ; les caractéristiques des granulats recyclés mis en oeuvre et des bétons formulés notamment d’un point de vue de leur performance mécanique et de leur durabilité. Les opérations de mise en oeuvre et les observations réalisées lors du coulage de l’ouvrage au début de l’été 2014 seront présentées ainsi que les premiers résultats du suivi de durabilité.

L’utilisation de granulats recyclés (GR) provenant de la déconstruction dans de nouvelles structures en béton peut permettre de valoriser ces déchets. En France, le projet national RECYBETON impliquant 43
partenaires pour un budget de 4,8 M€ et le projet ANR ECOREB s’intéressent à lever les verrous technologiques concernant ce type de granulat afin de mieux maitriser leur utilisation et de les introduire encore d’avantage dans le contexte normatif. Plusieurs travaux ont été réalisés pour étudier l’utilisation des GR en remplacement partiel ou total des granulats naturels (GN) dans la fabrication de nouveaux bétons [1,2]. La faible densité et le taux d’absorption d’eau élevé des GR sont les facteurs influençant le plus les propriétés des bétons de GR. De nombreux auteurs attribuent ces différences aux propriétés du mortier d’origine contenu dans les granulats recyclés [3,4]. D’autres études montrent que le béton à base de GR grossiers découlant du recyclage peut avoir des propriétés mécaniques similaires à celles des bétons classiques [5]. Cet article propose une nouvelle approche permettant d’améliorer les propriétés des bétons de GR (la résistance à la compression, la porosité, la diffusion des chlorures et la perméabilité au gaz), en optimisant la formulation des bétons (le rapport E/L et la quantité de superplastifiant).

L’article présente le premier chantier expérimental du Projet National RECYBETON. Il concerne un parking d’environ 2100 m2, divisé en 6 zones, chacune construite avec un béton recyclé. Les bétons présentent des taux de substitution des granulats naturels (gravillons et/ou sables) par des recyclés, variant de 0 à 100% selon les zones. La fabrication, le transport et la mise en œuvre se sont déroulés en décembre 2013 sans modification des pratiques habituelles.

The assessment of maximum water absorption and absorption rate are necessary in order to design concrete mixtures from relatively porous aggregates, such as recycled aggregates. The experimental research presented in this paper investigates and improves the existing procedures for determining water absorption rates. New equations and experimental procedures are proposed to correct the existing procedures. Three types of aggregates were studied. Natural aggregates with two gradations 4–10 and 6.3–20 mm, natural limestone aggregates with gradation 4–20 mm and recycled aggregates with two gradations 4–10 and 10–20 mm. For each granular type, two tests were conducted, the first with oven-dried aggregates and the second with aggregates having initial moisture. Effects of initial moisture state were deduced from the first part of the experimental program. Then existing procedures were combined in order to design new procedures. Finally a method was developed for testing the volume variation of aggregates by hydrostatic weighing; the detailed testing procedure and equations of the new method are illustrated using the natural and recycled aggregates. Results from pycnometer method and hydrostatic weighing showed very good correlation.

RÉSUMÉ

La détermination de la cinétique d’absorption et l’absorption maximale sont nécessaires pour la formulation de bétons à base de granulats poreux, tels que les granulats recyclés (GR). L’approche expérimentale présentée dans cet article a été conçue dans le but d’étudier et d’améliorer les procédures existantes pour la détermination de la cinétique d’absorption. De nouvelles équations et procédures ont été proposées afin de corriger les procédures existantes. L’étude a été réalisée sur trois types de granulats : des granulats naturels 4-10 mm et 6,3-20 mm, des granulats naturels (calcaire tendre) 4-20 mm, et des granulats recyclés (4-10 mm et 10-20 mm). Les procédures ont été mises en œuvre de manière simultanée. Les résultats des essais au pycnomètre et de la pesée hydrostatique ont montré une bonne corrélation. Enfin l’effet du taux de saturation initial des granulats recyclés sur le retrait plastique a été étudié.

ABSTRACT

The assessment of maximum water absorption and its kinetics are necessary in order to design concrete mixtures from relatively porous aggregates, such as recycled aggregates (RA). The experimental research presented in this paper is performed in order to investigate and improve the existing procedures for determining water absorption kinetics. New equations and experimental procedures were proposed to correct these procedures. Three types of aggregates were studied. Natural aggregates (NA) with two grading 4-10 mm and 6.3-20 mm, natural limestone aggregates (NLA) with grading 4-20 mm and RA with two grading 4-10 mm and 10-20 mm. Existing procedures were combined in order to design new procedures. Results from pycnometer method and hydrostatic weighing showed very good correlation. The effect of water saturation of recycled aggregates on plastic shrinkage is investigated.

MOTS-CLÉS : Taux de saturation, absorption, granulats recyclés, formulation

KEYWORDS: Water saturation, absorption, recycled aggregates, mix design

RÉSUMÉ

Les granulats recyclés peuvent présenter des caractéristiques un peu moins bonnes que les granulats naturels en termes de porosité, friabilité et variabilité. Il n’existe à ce jour aucune norme spécifique pour la mesure d’absorption d’eau des granulats recyclés. A travers cette étude réalisée dans le cadre du PN RECYBETON, sont évaluées d’une part l’applicabilité de la norme actuelle à l’étude des granulats recyclés et d’autre part leur cinétique d’absorption sur les 10 premières minutes et sur la durée d’un mois.

ABSTRACT

Recycled aggregates show slightly lower qualities than natural aggregates in term of porosity, friability and variability. There is currently no specific norm dealing with the measure of volumic mass and water absorption coefficient of recycled aggregates. Through this study, the current norm applicability, as well as the absorption kinetics of recycled aggregates are studied.

MOTS-CLÉS : granulats recyclés, cinétique d’absorption, masse volumique

KEYWORDS: recycled aggregates, absorption kinetics, volumic mass