Béton à faible impact environnemental pour la valorisation de coquilles d'huitres perlières Pinctada de Polynésie Française.

Use of French Polynesia Pinctada pearl oyster shells for environmental-friendly concrete.

• Auteur / Autrice : Tematuanui a tehei Hantz
• Direction : David Gregoire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 17/12/2024
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des fluides complexes et de leurs réservoirs (Pau)
• Jury : Président / Présidente : Sofiane Amziane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Gregoire, Karim Ati-Mokhtar, Eric Garcia-Diaz, Alexandra Bourdot, Céline Perlot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karim Ati-Mokhtar, Eric Garcia-Diaz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Et la Polynésie française

Huîtres perlières

Éco-béton

Mots clés libres

Matériaux bio-Hybrides

Béton à faible impact envionnemental

Nacre naturelle

Biohybrid materials

Environmental-Friendly concrete

Natural nacre

Résumé

Les atolls de la Polynésie française, en manque de ressources terrestres, génèrent des ressources économiques grâce à la perliculture. Cette activité produit plus d’un millier de tonnes de déchets annuels sous forme de coquilles d’huîtres perlières (Pinctada Margaritifera et Pinctada Maculata). Ces co-produits nacrés, présentant des performances mécaniques liées à leur microstructure, pourraient, une fois broyés, combler la carence en sable et granulats de construction des archipels producteurs de perles. L’objectif de cette thèse est de formuler un béton à faible impact environnemental, dont le squelette est composé de co-produits de la perliculture locale pour les habitants de Polynésie.Ces coquilles, souvent exposées à la météo tropicale, présentent des états de dégradation variés. La comparaison des performances des nacres fraîches et dégradées montre que l’absence de matière organique dans leur matrice entraîne une diminution de leur résistance à la traction et de leur élongation à la rupture. Toutefois, même dégradée, la nacre conserve des performances élevées parmi les matériaux synthétisés par les mollusques.Par ailleurs, une comparaison des mortiers composés à 100% de granulats issus de coquilles broyées (Pinctada Margaritifera, Pinctada Maculata, mais aussi Crassostrea Gigas et Pecten Maximus) a démontré que le matériau le plus performant n'est pas nécessairement celui réalisé avec les coquilles les plus solides, mais avec les granulats à la géométrie la plus complexe. De plus, la forme plate des granulats réduit la compacité du squelette granulaire, ce qui peut affecter les propriétés du béton. Pour limiter les vides entre les grains, les paramètres de broyage ont été optimisés afin d’obtenir un mélange de deux classes granulaires à faible porosité.Même optimisés, les squelettes granulaires composés à 100% de broyats de coquilles présentent encore une porosité intergranulaire supérieure à 45%. Cela nécessite l’ajout d’une quantité importante d’addition inerte pour conserver une quantité de ciment acceptable tout en comblant les vides. Cet ajout entraîne un asséchement de la pâte, nécessitant un ajustement de la quantité d’eau, en fonction de la porosité de l’addition inerte. Cette méthodologie a permis d’améliorer les formulations de béton, dont la résistance à la compression est passée de 2-5 MPa à plus de 20 MPa.Pour la suite du projet en Polynésie, un transfert des connaissances acquises en laboratoire a été amorcé vers les acteurs socio-économiques à partir de formulations utilisant des co-produits de coquilles d’huîtres d’Arcachon (Crassostrea Gigas), abondantes en Nouvelle-Aquitaine, où l’essentiel des travaux a été mené. L’impact de l’environnement sur des corps morts en béton de broyats de coquilles, placés à l’Île de Ré dans des conditions réelles, a d’abord été étudié dans le but d'y installer des mouillages de bateaux. Ensuite, un démonstrateur non structurel, composé d’un cheminement piéton et d’emmarchements, a été mis en place au pied de la Dune du Pilat dans le cadre de la rénovation du Village des Cabanes, centre d’accueil de ce site classé. En plus de prouver l'implémentation d’un processus innovant, ces chantiers ont démontré que les bétons de broyats de coquilles sont mécaniquement durables et que les formulations peuvent s’adapter à des squelettes non optimisés.

The atolls of French Polynesia, despite lacking terrestrial resources, generate economic resources through pearl farming. This activity produces over a thousand tons of waste annually in the form of pearl oyster shells (Pinctada Margaritifera and Pinctada Maculata). These nacre co-products, with mechanical properties linked to their microstructure, could, once crushed, help address the shortage of sand and construction aggregates in the remote pearl-producing archipelagos. The goal of this thesis is to formulate an environmentally friendly concrete for the people of Polynesia, with a skeleton entirely composed of local pearl farming co-products.These shells, often exposed to tropical weather, can present varying levels of degradation. A comparison of the performances of fresh and degraded nacre revealed that the absence of organic matter in their matrix leads to reduced tensile strength and elongation at break. However, even in this state, nacre retains high performance among mollusk-synthesized materials.In addition, a comparison of mortars composed of 100% granular skeletons made from crushed shells (Pinctada Margaritifera, Pinctada Maculata, but also Crassostrea Gigas and Pecten Maximus) showed that the most efficient material is not necessarily the one made from the strongest shells, but rather from those with the most complex geometry. Moreover, the generally flat shape of crushed shells leads to a significant decrease in the compactness of the granular skeleton, which can negatively impact the concrete's properties. To reduce the void volume between grains, grinding parameters were optimized to achieve a blend of two granular classes with the lowest possible porosity.Even when optimized, granular skeletons composed of 100% crushed shells still exhibit intergranular porosity above 45%. Under these conditions, it is necessary to add a substantial amount of inert filler to maintain an acceptable cement quantity while filling all the intergranular voids. This addition, which dries out the filler paste, required a significant adjustment in the water quantity, depending on the porosity of the inert filler used. This methodology allowed the transition from unoptimized shell concrete, with very low compressive strength (2-5 MPa), to a much more efficient concrete with compressive strength exceeding 20 MPa.Looking ahead to the continuation of the project, which will take place in Polynesia beyond this thesis, knowledge transfer from the laboratory to socio-economic actors has begun using formulations incorporating co-products of oyster shells from Arcachon (Crassostrea Gigas), abundant in Nouvelle-Aquitaine, where most of the thesis work was conducted. The environmental impact on concrete structures made from crushed oyster shells, placed on the Île de Ré under real-world conditions with the aim of installing future boat moorings, was first studied. Next, a non-structural industrial demonstrator, consisting of a pedestrian walkway and steps, was implemented at the base of the Dune of Pilat as part of the renovation of the Village des Cabanes, a visitor center for this major classified site. In addition to proving the possible implementation of an innovative process in a complex societal and industrial chain, these projects have demonstrated that crushed shell concrete is mechanically durable and that it is even possible to adapt the formulations to non-optimized skeletons.