Formulation et caractérisation physique d'un béton léger de mousse et à base d'argile : valorisation des sédiments fins de dragage

Mix design method and physics characterization of lightweight air-foam concrete using clay : valorization for dredged thin sediments

• Auteur / Autrice : Agnès Zambon
• Direction : Nadia Saiyouri, Zoubir Mehdi Sbartaï
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 06/12/2018
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Mahdia Hattab
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadia Saiyouri, Zoubir Mehdi Sbartaï, Mahdia Hattab, Nor-Edine Abriak, Pierre Breul, Hélène Carre, Philippe Gotteland, Hervé Duplaine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nor-Edine Abriak, Pierre Breul

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lixiviation

Détérioration

Déblais de dragage

Argile

Propriétés mécaniques

Béton de mousse

Mots clés libres

Valorisation

Sédiments de dragage

Béton leger de mousse

Argile

Performance mécanique

Durabilité

Valorization

Dredged sediments

Lightweight air-foam concrete

Clay

Mechanical performance

Durability

Résumé

Une réutilisation des sédiments issus du dragage en tant que matière première dans la fabrication d’un béton directement sur le site du dragage est une voie de valorisation économique et écologique. La présente étude a pour but de valoriser la partie fine des sédiments qui ne trouve pas de solutions de valorisation efficaces. En effet la structure en feuillet de l’argile la rend sensible aux conditions hydriques et lui confère une importante capacité de rétention des polluants. Afin d’optimiser les volumes à valoriser, le béton est envisagé en substitution totale des granulats par la fraction fine des sédiments. Les résultats apportés par la littérature tendent à privilégier une application en remblai tels que le remplissage entre deux rideaux de palplanches, un remblaiement géotechnique ou de carrières. Un procédé d’incorporation d’une mousse à base de protéine animale lors de la fabrication du béton est utilisé dans le cadre de cette étude pour alléger le matériau (densité comprise entre 1,1 et 1,3). Ce type de matériau fait donc partie de la catégorie des bétons légers de mousse plus communément appelée LWFC (LightWeight Foamed Concrete). Dans cette étude le matériau est désigné par le sigle BAMS (Béton Allégé par l’incorporation d’une Mousse et à base de Sédiments). L’étude a été réalisée sur un sol modèle constitué de 80% de bentonite et de 20% de sable correcteur de diamètre 0,125mm. La méthode de formulation est basée sur la limite de liquidité du sol afin de prendre en compte l’absorption de l’eau. La caractérisation du BAMS se scinde en trois parties ; La première partie correspond à la caractérisation à l’état frais du BAMS. Elle met en exergue une optimisation de l’abaissement de la densité à partir d’une certaine quantité d’eau apportée par rapport à la limite de liquidité du sol. L’allégement du matériau par l’incorporation d’une mousse modifie les propriétés du matériau à l’état frais ; elle améliore la fluidité et retarde la prise du ciment. La deuxième partie correspond à la caractérisation mécanique du BAMS ; l’eau apportée pour optimiser l’allégement du matériau impacte la résistance mécanique qui est jugée acceptable à partir de 0,5MPa. Celle-ci peut être améliorée en augmentant la quantité de ciment qui doit cependant rester faible pour rentabiliser la voie de valorisation. Il y a donc un compromis inévitable entre résistance mécanique et densité. Les combinaisons (densité ; résistance mécanique) possibles et les paramètres de formulations permettant de les atteindre ont été étudiés. Des essais non-destructifs sont effectués afin de contrôler la résistance mécanique in situ. L‘étude du retrait linéaire indique une variation dimensionnelle importante du BAMS de l’ordre du cm/m qui peut être divisé par 100 avec une cure humide. La troisième partie correspond à la durabilité par l’étude des propriétés de transfert du BAMS dont les résultats mettent en avant une accessibilité partielle du réseau poreux crée par la mousse incorporée.Le relargage des polluants dans les sédiments est évalué par un essai de lixiviation effectué sur un sol modèle pollué artificiellement (cas non-immergeable). Cet essai permet de valider l’efficacité de leur inertage par le traitement au ciment et l’utilisation du matériau sans impact environnemental selon le critère PH14.

A re-use of dredged sediments as raw material in the process of making of concrete directly onthe site of the dredging is an interesting valorization as regards economy and environment.The present study aims at valuing the thin particles of sediments because they create aproblem in the valorization of dredged sediments. Indeed, the layer structure of the claymakes it prone to react to humidity conditions and confers it an important capacity to retainpolluting agents. To optimize the valued volumes, a total substitution of aggregates in theconcrete by the thin particles of sediments is envisaged. The results from the literature tend tofavor an application in embankment such as the filling between two sheet pile walls, a geotechnical embankment, a quarry embankment. An incorporation of an air-foam made ofanimal protein during the making of the concrete is used to reduce the density of the material(density between 1.1 and 1.3). This material is classified in the category of lightweight foam concrete called by the English abbreviation LWFC (LightWeight Foamed Concrete). In thisstudy the material is named BAMS acronym for “Béton Allégé par l’incorporation d’uneMousse et à base de Sédiments”. The study was realized with a model soil composed of 80%of bentonite clay and 20% of calibrated sand (diameter 0.125mm). The mix design method isbased on the liquidity limit of the soil considering its swelling. The characterization of theBAMS is split into three parts. The first part corresponds to the characterization of the freshstate of the BAMS. It highlights the optimization of the reduction of the density from aquantity of added water with regard to the liquidity limit of the soil. The incorporation of airfoam modifies the characteristics of the fresh state of the material. It improves the workability and delays the setting of cement. The second part corresponds to the mechanical characterization of the BAMS. The added water which optimizes the reduction of the density impacts the mechanical resistance which has to be over 0.5MPa. There is thus an inevitablecompromise between mechanical resistance and density. The possible combinations and themix design to get them have been studied. Non-destructive tests are done to simply check the mechanical performances on construction site. The study of the linear shrinkage highlights an important variation of the dimension of the BAMS. This can be limited by a wet cure. The third part corresponds to the durability by the study of the transfer properties of the BAMS.The results highlight a limited accessibility of the porous network. The release of polluting agents in sediments is estimated by a lixiviation test realized on BAMS made with a model soilartificially polluted (non immersible case). From the results we can conclude on the efficiency of the inerting of polluting agents by the cement treatment and therefore the use of the material is allowed without having an impact on environment (PH14).