Ciment phosphatique de calcium incorporant de granulats en caoutchouc et des fibres : formulation et caractérisation

Calcium phosphate cement incorporating recycled rubber aggregates and fibres : design and characterization

• Auteur / Autrice : Chinedu azubuike Ajoku
• Direction : Anaclet Turatsinze, Ariane Abou-Chakra
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 05/07/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• 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 : Président / Présidente : Rashid Hameed
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : George Wardeh, Aron Gabor

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résistance des matériaux

Composites de ciment

Phosphates de calcium

Mots clés libres

Composites à base de ciment phosphatique de calcium

Granulats en caoutchouc et renfort par des fibres

Propriétés à la rupture

Durabilité

Réhabilitation structurelle

Rechargement mince adhérent

Calcium phosphate cement composites

Rubber aggregates and fibre-reinforcements

Fracture properties

Durability

Structural rehabilitation

Thin-bonded overlay

Résumé

Cette étude porte sur formulation et la caractérisation des composites à base ciment phosphatique de calcium (CPC) pour la réparation structurelle, la modernisation ou le renforcement d'infrastructures de grande valeur en béton ordinaire à base de ciment Portland (OPC). Aujourd'hui, nombre de ces infrastructures sont défaillantes en raison d'un environnement agressif. Le CPC, un ciment léger, à faible empreinte carbone et à durcissement rapide, apparaît comme une solution pour rénover durablement ces infrastructures vitales. Cependant, le CPC est fragile et se fissure rapidement. La première étape du développement de composites CPC aux propriétés améliorées consiste à simplifier le processus de production et à identifier les facteurs susceptibles d'affecter son comportement. Une procédure de malaxage plus simple, conforme à la norme NF EN 196-1, permettrait de fabriquer des CPC structurels légers sans recourir à des malaxeurs coûteux. Le rapport liquide/poudre (L/P), le type de moule et la durée de cure affectent les caractéristiques du CPC. Un rapport L/P de 1.00, qui nécessite moins d'acide phosphorique qu'un rapport de 1.25, produit un CPC aux meilleures caractéristiques. Couler le CPC dans un moule non étanche à l'air plutôt que dans un moule étanche à l'air diminue la vitesse d'hydratation du ciment et donne des produits plus stables. Puis au fur et à mesure que ce CPC vieillit, sa microstructure devient de plus en plus compacte. Des inclusions inertes telles que des fibres résistantes à la corrosion (macro-polypropylène-Fpp, métalliques amorphes-Fam et fibres de carbone recyclées-Fcf) et des granulats de caoutchouc recyclé sont ajoutés à la matrice du CPC pour limiter la fissuration précoce et améliorer le comportement à la rupture du composite. Les CPC incorporant du caoutchouc, renforcés par des fibres, ou comportant ces deux additions en même temps ont une capacité de déformation et une énergie de rupture plus élevées que les CPC ordinaires. Le CPC frais ayant un pH faible, ces inclusions ont été choisies pour leur stabilité à dans ce milieu. Le renforcement par des fibres a rendu le CPC plus résistant que les granulats de caoutchouc. Les composites de ciment avec des granulats de caoutchouc et des matrices avec des fibres ont montré des tendances synergiques positives et négatives. Les composites CPC destinés à la réhabilitation structurelle d'infrastructures de grande valeur limitent la propagation des fissures dans le matériau de rechargement et le décollement de cette couche de son support. Ces additions inertes peuvent affecter la durabilité et la fonctionnalité du CPC. Les granulats en caoutchouc réduisent la conductivité thermique du CPC, tandis que les fibres l'augmentent. La faible conductivité thermique des composites peut alors être une alternative pour économiser de l'énergie. Les effets des additifs inertes sur la résistance du CPC aux conditions agressives peuvent être négatifs, neutres ou favorables. Les inclusions d'agrégats en caoutchouc et de fibres réduisent la résistance aux hautes températures mais ces ajouts améliorent la stabilité au gel-dégel des CPC. Les composites à base de CPC sont stables dans les environnements marins et acides. Ces composites sont adhérents à un support en béton ordinaire notamment lorsque ce substrat est saturé mais sa surface est sèche. Cependant ces additifs inertes provoquent des défauts d'adhérence entre le substrat et la couche de rechargement, ce qui impacte la résistance de l'adhérence. Accessoirement, ces additifs inertes étant issus du recyclage de sous-produits industriels, ils favorisent l'économie circulaire dans le BTP.

This study focuses on the design and characterization of calcium phosphate cement (CPC) composites for structural repair, retrofitting, or strengthening of high-value infrastructures constructed with ordinary Portland cement (OPC) based-concrete. Due to their exposure to aggressive environments, many of these infrastructures do not attain their intended service life in today’s world. CPC, a low carbon rapid hardening lightweight cement, has been identified as a potential sustainable solution for the renovation of these deteriorating OPC-built critical infrastructures. However, CPC tends to develop cracks at early age and solidifies into brittle cement with low fracture properties. The first step in developing CPC composites with improved properties is to simplify the production process and identify the factors that could affect its behaviour. Using a simplified mixing method based on NF EN 196-1 to produce structural lightweight CPC would eliminate the need for specialized expensive mixers. Meanwhile, the liquid-to-powder (L/P) ratio, mould type, and curing age affect CPC properties. An L/P ratio of 1.00, which requires less phosphoric acid than an L/P ratio of 1.25, appeared to be more relevant to produce CPC with enhanced properties. Placing molten CPC into a non-airtight mould as opposed to an airtight mould reduces the rate of cement hydration and the products formed are structurally more stable. As CPC continues to age, its microstructure is continuously refined, forming a more compact internal structure. To control early cracking and enhance the fracture behaviour of CPC materials, inert inclusions such as corrosion resistant fibres (i.e., macro polypropylene-Fpp, amorphous metallic-Fam, and recycled carbon fibres-Fcf) and recycled rubber aggregates are incorporated into the cement matrix. This yields rubberised CPC, fibre-reinforced CPC, and rubberised fibre-reinforced CPC with greater strain capacity and fracture energy than the plain CPC. These inclusions were selected based on their stability in acid, as the pH of fresh CPC is low. While the rubber aggregates decreased the strength of the CPC, the fibre reinforcements increased this property. Both positive and negative synergistic behaviours were observed in cement composites having a hybrid of rubber aggregates and fibres in their matrices. The Fam and Fcf are more likely than the Fpp to produce negative synergy with rubber aggregates. Overall, the use of CPC composites for structural rehabilitation of high-value infrastructures would slowdown both crack propagation in the overlay material and debonding initiation of the thin-bonded overlay, resulting in sustainable application. In addition to changes in the mechanical properties of CPC, the inert additives may impact its functional and durability behaviours. Rubber aggregates reduce the thermal conductivity of plain CPC, while the fibres increase this functional property. Due to their low thermal conductivity, CPC composites produced may be beneficial for energy savings in structural components. Based on the ability of CPC to resist severe conditions, the effects of the inert additives can be grouped as negative, neutral or positive contributions. Rubber aggregate and fibre inclusions have a detrimental effect on the high-temperature resistance of CPC. In contrast, these inert additives contribute positively to the freeze-thaw stability of the CPC-based composite. The mechanical stability of CPC composites was maintained under marine and acidic conditions. The bonding of these composites to old OPC concrete substrate was determined. CPC composites bonded strongly to saturated surface dry OPC concrete. Also, inert additives induce bond defects at the substrate-overlays interface, resulting in lower bond strength. Additionally, this research promotes a circular economy in the built environment by using rubber aggregates and carbon fibres from end-of-life products as inert additives.