Evaluation des propriétés du béton à l’état frais et l’état durci composé des granulats concassés sans sable naturel

Assessment of fresh and hardened properties of concrete made of crushed aggregates containing no natural sand

• Auteur / Autrice : Faten Abi Farraj
• Direction : Gilles Escadeillas, Fadi Hage Chehade, Fadi Hage Chehade, Thierry Vidal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 05/05/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3 en cotutelle avec Université Libanaise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire matériaux et durabilité des constructions (Toulouse ; 1999-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maher El Barrak, Fadi Georges Comair, André Lecomte
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ghassan Chehab, Evelyne Toussaint

Mots clés

Mots clés contrôlés

Béton -- Additifs

Granulats concassés

Propriétés mécaniques

Béton

Mots clés libres

Sable naturel siliceux

Sable concassé calcaire

Fines

Propriétés à l'état frais

Adjuvant

Résistances mécaniques

Retrait

Durabilité

Microstructure

Zone d'interface

Étude de faisabilité

Économie

Environnement

Natural siliceous sand

Crushed limestone sand

Fines

Fresh properties

Admixture

Mechanical resistances

Shrinkage

Durability

Concrete microstructure

Interfacial transition zone

Feasibility study

Economy

Environment

Résumé

La détérioration de la qualité du sable naturel siliceux au Liban et les restrictions imposées par l'Etat à son utilisation, suite aux effets néfastes de son exploitation, affectent le secteur de la construction libanais à travers le coût et la qualité du béton. Actuellement, ce sable trop fin pour être utilisé seul dans le béton selon la norme ASTM C33, en vigueur au Liban, est toujours mélangé avec un pourcentage approprié d'un sable calcaire concassé de carrière. Une alternative à ce sable naturel doit être trouvée pour remédier aux problèmes environnementaux et économiques et limiter la dépendance actuelle du secteur de la construction libanais que son utilisation induit. Après avoir dressé un état de l'art des alternatives existantes à travers le Monde, il apparaît que le remplacement du sable naturel par le sable calcaire concassé local pourrait être une solution adaptée au contexte Libanais grâce à l'abondance et à la bonne qualité de ce sable. Ainsi, cette étude est la première menée au Liban visant à démontrer scientifiquement la pertinence de cette solution avant de la mettre en pratique. Elle a pour objectif d'évaluer les effets de la substitution totale du sable naturel siliceux par du sable calcaire concassé, sur les performances des bétons. Pour répondre à l'objectif de l'étude, les bétons contenant des sables concassés normalisés sans sable naturel sont comparés à des bétons de référence constitués de la combinaison conventionnelle du sable naturel et du sable concassé, pour vérifier si leurs performances peuvent être maintenues, pour trois formulations de bétons ordinaires et une formulation de béton à hautes performances. Comme la granulométrie du sable concassé des carrières libanaises ne respecte actuellement pas la norme ASTM C33, un travail de construction de deux types de sable concassé calcaire dont la granulométrie est conforme à cette norme a été préalablement réalisé. Les propriétés à l'état frais, le comportement mécanique, et les propriétés de durabilité sont étudiés pour chaque type de sable. Les effets de la minéralogie, de la morphologie, et des distributions granulométriques des sables sont ainsi évalués. Cette étude est complétée par une analyse microstructurale visant à détecter les variations de l'état des interfaces entre la pâte de ciment et les grains de sable et à tenter d'expliquer les éventuelles différences qui peuvent survenir à l'échelle macrostructurale entre les différents types de béton. En outre, étant donné que la limitation du pourcentage des fines lors de la production du sable concassé normalisé induit des contraintes industrielles et économiques, une étude complémentaire du comportement de deux formulations d'un béton ordinaire et d'un béton à hautes performances a été menée selon une approche performantielle afin d'évaluer l'influence de l'incorporation du sable concassé ayant un pourcentage de fines (< 75 µm) dépassant la limite imposée par la norme ASTM C33 (7%). Les résultats obtenus permettent de conclure que, pour des mêmes rapports eau efficace sur ciment, dosages en ciment et proportions des gravillons, ainsi que pour un dosage de superplastifiant adapté de manière à atteindre le même affaissement au cône d'Abrams, les performances de ces bétons peuvent être maintenues lors d'une substitution totale du sable naturel par du sable concassé calcaire, que sa granulométrie ou que son pourcentage de fines soient conformes ou non à la norme. Du point de vue économique et environnemental, le sable concassé calcaire peut ainsi être considéré comme une solution alternative pertinente à l'utilisation du sable naturel siliceux.

In Lebanon, good quality natural siliceous sand becomes rarely available, and for environmental reasons, its extraction is subjected to governmental restrictions. This problem affects the construction sector through the cost and the quality of concrete. Moreover, this sand is too fine to be used alone as fine aggregate in concrete mixes. Therefore, to meet the grading requirement of the ASTM C33, the standard applied in Lebanon, this sand is currently mixed with an appropriate proportion of a coarser crushed limestone sand which compensates the fineness of the natural sand. Accordingly, finding an alternative to natural sand in concrete becomes essential to reduce its economic and environmental problems and to avoid the dependency of the construction field on its quality and availability in the Lebanese market. After a literature review of existing alternatives around the world, it seems that the replacement of natural sand by the local crushed limestone sand could be an appropriate solution in the Lebanese context due to the abundance and good quality of this sand. Hence, the current study is the first in this country that aims to give scientific evidence of this solution before being applied in the Lebanese market. Its objective is to assess the effect on the concrete performance of the total replacement of natural siliceous sand by crushed limestone sand. In order to respond to the objective of the study, the behaviors of concrete mixes incorporating normalized crushed sands without natural sand are compared to those of reference concrete containing the conventional combination of natural sand and crushed sand, to verify that their performances could be maintained, for three normal strength concrete mixes and one high strength concrete. Since the crushed sand, provided currently from the limestone quarries, is too coarse to directly replace the natural sand, the first step consists of constructing two types of normalized crushed sand conforming to the standard grading requirements. For each type of fine aggregate, the fresh concrete properties, mechanical behavior, and durability are investigated. The effects of the mineralogy, morphology, and particle size distribution of fine aggregates on these various properties are then evaluated. A microstructural analysis is also conducted to depict the variations at the interface between the cement paste and the different types of sand grains and to try to explain the differences that could exist at the macro scale between the different types of concrete. Furthermore, since the production of the normalized crushed limestone sand could impose many industrial and economic constraints to limit the high percentage of fines, the performance of normal and high strength concretes, incorporating crushed sand with a percentage of fines (< 75 µm sieve) exceeding the limit imposed by ASTM C33 (7%), is evaluated following a performance-based approach. For fixed water to cement ratio, cement content, and coarse aggregates proportions, and for different dosages of admixture to reach the same slump value, the results prove that the concrete performance could be maintained when using the normalized crushed limestone sand conforming to the standard grading requirements or the fine crushed limestone sand with a high percentage of fines. Additionally, the overview on the economic and environmental impacts on the Lebanese context verifies the feasibility of the use of crushed limestone sand as the only fine aggregate.