Conception d'éco-liants et/ou éco-matériaux à partir de cendres volantes papetières et laitier moulu

Development of the eco-binders and/or eco-materials from paper fly ash and ground granulated blast-furnace slag

• Auteur / Autrice : Sahar Seifi
• Direction : Daniel Levacher
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 23/11/2018
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Morphodynamique continentale et côtière (Caen ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Chateigner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Levacher, François Buyle-Bodin, Miren Etxeberria, Isabelle Moulin, Nathalie Leblanc, Andry Rico Razakamanantsoa, Nassim Sebaïbi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Buyle-Bodin, Miren Etxeberria

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pavage

Laitiers (métallurgie)

Construction -- Matériaux

Déchets -- Valorisation

Recyclage (déchets, etc.)

Cendres volantes

Mortier

Mots clés libres

Cendre volante papetière

Laitier moulu

Activateur

Co-valorisation

Pavé

Mortar

Paper fly ash

Ground granulated blast-furnace slag

Activator

Waste recycling

Co-valorization

Building material

Vement block

Résumé

L'objet des travaux réalisés dans cette thèse concerne la mise en oeuvre d'un éco-liant à base de co-produits industriels : une cendre volante papetière et un laitier moulu, pour la fabrication de mortiers secs. Cet éco-liant a été élaboré pour remplacer partiellement le ciment comme constituant de matériaux traditionnels d'une part, et recycler en grande quantité l'un des deux déchets industriels, la cendre volante papetière tout en intégrant les notions d'économie circulaire et d'éco-conception d'autre part. La littérature fait état de nombreux travaux sur les différents types de cendres et de laitiers mettant en avant les caractéristiques, la minéralogie, la réactivité de ces cendres volantes papetières et des laitiers moulus. Ces deux coproduits avec environ 20% de SiO2 et 50% de CaO (% pondéraux), ont une composition chimique très proche de celle d'un ciment et développent des propriétés pouzzolaniques qui peuvent suppléer celles du ciment. Leur valorisation comme matériau liant est alors envisageable. Une complète connaissance des propriétés physico-chimiques, structurelles et minéralogiques de la cendre volante papetière et du laitier moulu a conduit à une étude exploratoire de formulations. Des mélanges à partir de 72% de cendres volantes papetières et de 28% de laitier moulu ont été étudiés en se référantà la formulation de base d'un mortier pour en optimiser la teneur en eau et le niveau d'énergie de compactage. Un matériel spécifique pour compacter les éprouvettes prismatiques de dimensions 4x4x16cm3 de mortier a été utilisé. L'effet de l'ajout de trois types d'activateurs i.e. chlorure de calciumCaCl2, métasilicate de sodium Na2O3Si et carbonate de sodium Na2CO3, et d'une faible quantité deciment i.e. 5% et 10% a été analysé mettant en relation la résistance mécanique et la microstructure desmélanges. Deux formulations optimales ont fait l'objet d'analyses relatives à la minéralogie, auxrésistances mécaniques à 2, 7 et 28 jours de cure, à la microstructure avec des images MEB,distributions des pores et à la durabilité. Compte-tenu des résultats satisfaisants obtenus, une approcheà l'échelle semi-industrielle de fabrication de blocs 15x15x15 cm3 à partir des deux formulationsretenues a été menée et discutée. Les premiers résultats montrent un grand intérêt pour la fabricationde pavés et de produits dérivés pour l'aménagement de zones piétonnes ou à circulation réduite.

The aim of this thesis is the development of an eco-binder based on industrial co-products : a wastepapery ash and a ground granulated blast-furnace slag, for the manufacture of dry mortars. On the one hand,this eco-binder was developed to replace partially cement as a constituent of traditional materials, andon the other hand to recycle in large quantities one of these two industrial wastes ; wastepaper fly ashwith considering all the notions of circular economy and eco-design. From literature, there are numerousand relevant research works on the different types of ash and slag, highlighting the characteristics, themineralogy, the reactivity of the wastepaper fly ash and ground granulated blast-furnace slags in details.These two co-products with about 20 wt.% SiO2 and 50 wt.% CaO have a chemical composition veryclose to that of a cement and develop pozzolanic properties that can replace those of cement. Theirvalorization as a binder material is then possible. A complete knowledge of the physicochemical, structuraland mineralogical properties of wastepaper fly ash and ground granulated blast-furnace slag led to anexploratory study of formulations for dry mortars. The mixtures containing 72 wt.% of wastepaper fly ashand 28 wt.% of ground granulated blast-furnace slag were investigated with reference to the formulationof a standard mortar to optimize the water content and compaction energy level. A specific equipment forcompacting prismatic specimens with dimensions 4x4x16 cm3 was used. The effect of adding three types ofactivators i.e. calcium chloride CaCl2, sodium metasilicate Na2O3Si and sodium carbonate Na2CO3, anda small amount of cement i.e. 5 wt.% and 10 wt.% was analyzed. The relation between mechanical strengthand the microstructure of the mixtures has been detailed and discussed. Two optimal formulations wereimplemented and, mineralogy, mechanical strength at 2, 7 and 28 days of curing, microstructure withSEM images, pore distributions and durability have been considered and analyzed. Taking into accountthe satisfactory results obtained, a semi-industrial approach to manufacture 15x15x15 cm3 blocks fromthe two selected formulations was conducted and discussed. The first results show a great interest in themanufacture of blocks of pavement and derived products for the construction of pedestrian or reducedtraffic areas.