Approche couplée expérimentation - modélisation multi-échelle pour la détermination du comportement mécanique des graves routières traitées aux liants : Application à la valorisation des Mâchefers d'Incinération de Déchêts Non Dangereux

Experiment-based modelling for determination of the mechanical behavior of non-hazardous waste incineration bottom ashes treated by binders : Application to Non-Hazardous Waste incineration bottom ash

• Auteur / Autrice : Libasse Sow
• Direction : Fabrice Bernard, Cheikh Mouhamed Fadel Kebe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 06/04/2018
• Etablissement(s) : Rennes, INSA en cotutelle avec Université Cheikh Anta Diop (Dakar, Sénégal ; 1957-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'ingénieur (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Comue : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie civil et génie mécanique (LGCGM) - Laboratoire de Génie Civil et Génie Mécanique / LGCGM
• Jury : Président / Présidente : Nor-Edine Abriak
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Bernard, Cheikh Mouhamed Fadel Kebe, Nor-Edine Abriak, Ibrahima Cissé, Christophe Petit, Siham Kamali
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nor-Edine Abriak, Ibrahima Cissé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie électronique à balayage

Indentation des matériaux

Viscoélasticité

Revêtements (voirie)

Ciment

Revêtements bitumineux

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

MIOM-MIDND

CDPM

Indentation

Abaqus

Loi WLF

Série de Prony

Scanning electron microscopy

Computer simulation

Pavements, Bituminous

Cement

Viscoelasticity

Résumé

Dans ce travail, il est question d'étudier la faisabilité d'une valorisation en techniques routières de granulats de Mâchefers d'Incinération des Dèchets Non Dangereux (MIDND). Cette étude se base en premier lieu sur une analyse expérimentale ayant permis d'obtenir leurs propriétés élastiques. Ces propriétés servent de données d'entrée à une modélisation multi-échelle hiérarchique développée pour étudier le comportement mécanique de graves base de MIDND traitées aux liants (ciment et bitume). La campagne expérimentale originale sur des particules de mâchefers a permis de les cartographier au Microscope Electronique à Balayage (MEB Pour ces particules, des modules d'élasticité moyens réduits variant de 15 à 68 GPa ont été trouvés par le biais de tests d'indentation en appliquant méthode de «Olivier and Pharr ». Les analyses chimiques ponctuelles qualitatives (EDS) effectuées ont permis d'obtenir la composition chimique des granulats de mâchefers. Partant d'une granulométrie de particules de MIDND 0/25 qui a fait l'objet d'une étude expérimentale [BEC 07], nous avons mis en place des modèles numériques 3D de grave routière traitée aux liants dans des Volumes Elémentaires Représentatifs (VER). Ces modèles sont basés sur une stratégie de modélisation dite « multi-échelles » hiérarchique. Deux types de liant sont étudiés : le ciment CEM 1 42,5 R et le bitume de [NGU 08). Pour les deux types de liant, les agrégats traités ont été décomposés en deux VER : sub-mesoscopique (0/6) et mesoscopique (6/25). Une application à valorisation des MIDND en techniques routières est faite dans les deux cas. Avec un traitement à 3% de ciment, une campagne de simulations numériques ''Laboratoire virtuel'' a été menée. A l'échelle sub-mesoscopique, des simulations multiaxiales menées sur le VER, ont conduit à l'obtention des paramètres permettant d'alimenter un modèle d'endommagement plastique utilisé à l'échelle mesoscopique pour différents degrés d'hydratation. A l'échelle mesoscopique, les caractéristiques mécaniques de la grave routière traitée au ciment, habituellement déterminées par le biais d'expérimentations, ont été retrouvées. La modélisation développée a ensuite été validée e comparant nos résultats numériques et quelques résultats expérimentaux de [BEC 07]. Avec un traitement à 5% de bitume, des tests de relaxation de contraintes ont été effectués aux deux échelles ct ont permis d'obtenir les propriétés thermo-rhéologiques de la grave de mâchefers traités au bitume : les modules de relaxation sont exprimés sous la forme de séries de Prony à une température de référence de 0 °C ; par ailleurs, les constantes de la loi Williams-Landel-Ferry (WLF) pour décrire le comportement thermo- rhéologiquement simple sont identifiées. Les séries de Prony sont obtenues par l'intermédiaire des modules élastiques normalisés. Les constantes de 1 WLF obtenues sont C 1 = 20 °C-1 ct C2 = 130 °C. La validation des paramètres identifiés a été faite en comparant les réponses du matériau hétérogène de grave-bitume et celles d'un matériau homogène à qui nous avons donné les propriétés identifiées tirées du matériau hétérogène.

In this work, the feasibility of a valorisation in road engineering of non-hazardous waste incineration bottom ash aggregates (NHWI) is investigated. This study is first based on an experimental determination of the elastic properties of the bottom ash particles. These properties serve as input data for hierarchical multi-scale modelling developed to study the mechanical behaviour of aggregates treated with binders (cement and bitumen). The original experimental campaign on the bottom ash particles allowed them to be mapped to the Scanning Electron Microscope (SEM). For the particles, a mean reduced modulus of elasticity in between 15 and 68 GPa was found by means of indentation tests and applying the ''Olivier and Phan method. The chemical analysis of the aggregates was obtained using qualitative point chemical analyzes (OHS). Based on a 0/25 particle size distribution of NHWI, which was the subject of an experimental study [BEC 07] , we have implemented two 30 models < road materials treated with binders in Representative Elementary Volumes (REV). These models are based on a hierarchical multi-scale modelling strategy. Two types of binder are studied: cement CEM I 42.5 R and bitumen of [NGU 08]. For both types of binder, the treated aggregates we divided into two REV, at respectively the sub-mesoscale (0/6 mm) and the mesoscale (6/25 mm). An application to the valorisation of NHWI bottom ashes in road engineering is studied in both cases. With a 3% cement treatment, a numerical simulation campaign ''Virtual Laboratory'' was conducted. At the sub-mesoscale, the input parameters for the Concrete Damaged Plasticity Model used at the mesoscale are determined. At the mesoscale, the mechanical characteristics of the road materials usually determined through experiments have been found. The developed simulation strategy has been validated by comparing our numerical results and son experimental results of [BEC 07]. With a 5% bitumen treatment, stress relaxation tests carried out at the two scales enable one to obtain the thermo-rheological properties of the Bitumen Bound Gravel. These properties are the Prony series at a reference temperature of 0°C and the Williams-Landei- Ferry (WLF) law constants. Prony series are obtained by means of standardized elastic moduli. The obtained WLF law constants are Cl = 20 °C-1 and C2 = 130 °C. The numeric simulations have been validated by comparing the responses of heterogeneous and corresponding homogeneous materials.