1P-035 GHERNOUTI Y. def - asmatec.asso-web.com fileINVACO2: Séminaire International, INNOVATION & VALORISATION EN GENIE CIVIL & MATERIAUX DE CONSTRUCTION N° : 1O-035

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RRaabbaatt –– MM aarr oocc // 2233--2255 NNoovveemmbbrr ee 22001111

Béton à base des granulats de déchets des sacs en plastique renforcé de fibres métalliques

Ghernouti youcef et Rabehi Bahia

Université de Mascara, laboratoire des sciences et technique de l’eau (LSTE), Mascara, Algérie.

Résumé Notre étude porte sur une contribution a la valorisation d’un déchet qui est nuisible en raison de son caractère encombrant et inesthétique, il s’agit de déchets des sacs en plastique rejetés comme agrégat de substitution dans le béton, donc par ce travail nous allons voir l’effet conjugué des deux additions sur les performances du béton, le déchet par sa grande déformabilité et les fibres métalliques par leur effet bénéfique sur la résistance et la fissurabilité. Les échantillons élaborés vont subir une série d’essais expérimentaux : résistance a la compression, vitesse de son, retrait empêché,….etc. Les résultats obtenus montrent que la présence de granulats de déchet de plastique et les fibres métalliques dans la matrice cimentaire peuvent donc se cumuler et améliorer le comportement du béton et retarder la localisation de la microfissure. Mots clés : Béton, valorisation, déchet, fibres, fissuration, Résistance.

1. INTRODUCTION La valorisation des déchets dans le génie civil est un secteur important dans la mesure où les produits que l’on souhaite obtenir ne sont pas soumis à des critères de qualité trop rigoureux. La récupération des déchets touche deux impacts très importants, l’impact environnemental qui est résout par l’évacuation de ces déchets et l’impact économique qui est l’utilisation de ces derniers dans l’industrie ou dans le domaine de la construction, ces déchets ont l’avantage d’être disponibles en grande quantité et avec de faible valeur marchande [1, 2].

Les matériaux cimentaires, par leur performance en termes de résistance mécanique et de durabilité dominent le marché des matériaux de construction. Ils restent pourtant perfectibles: leur capacité de déformation très limitée ainsi que leur faible résistance à la traction les rendent sensibles à la fissuration, notamment la fissuration de retrait empêché. A titre d’exemple, les dallages, les chaussées et plus généralement les éléments mis en place en grande surface se fissurent sous l’effet du retrait. L’amélioration de la capacité de déformation des matériaux cimentaires est donc un enjeu majeur : c’est le challenge de notre travail et cet article porte sur les résultats obtenus. Pour atteindre l’objectif visé, nous avons envisagé d’incorporer des granulats déformables dans la matrice cimentaire.

Concrètement, nous avons utilisé des granulats plastiques issus du concassage de déchets des sacs en plastiques usagés et rejeté dans la nature et de trouver de nouvelles voies de valorisation dans le domaine de construction. L’étude que nous entreprenons, consiste a l’élaboration de mortiers et de bétons avec cet ajout, il s’agit de substituer une partie du sable avec 20% de déchet de plastique sous forme granulaire, sur la base de résultats d’étude antérieur, et de renforcer la structure avec des pourcentages variables de fibres métalliques allant de 0.5 à 2%, dans le but d’améliorer les performances de béton tels que les résistances du composite en compression, en traction par flexion et la résistance à la fissuration de retrait.

--------------------------------------- Auteur correspondant: [email protected]



2. MATERIAUX UTILISES 2. 1. Le ciment Le ciment utilisé est un CEM II 32.5 (cimenterie de ZAHANA) de résistance réelle 450 bars. 2.2. Les granulats Les granulats utilisés, sable concassé et graviers de classe 3/8 et 8/15 provenant de la carrière de TIZI (MASCARA) dont les caractéristiques physico mécaniques sont montré dans le tableau suivant:

Tableau 1. Propriétés physico mécaniques des granulats

Propriétés Sable 0/5 Gravier 3/8 Gravier 8/15

La masse volumique apparente (g/cm3) 1.76 1.4 1.4 La masse volumique absolue (g/cm3) 2.5 2.63 2.63 Equivalant de sable visuel (%) 80 / / Module de finesse 2.53 / / Los Angles (%) 20 20 Micro- Deval (%) 18 18 Coefficient d’aplatissement (%) 20 20

2.3. Le déchet de plastique Le déchet de plastique utilisé est issu de concassage d’un sous produits des sacs en plastique rejetés, il présente les propriétés physiques suivantes :

- La masse volumique apparente ……………………….Mvapp=0.53 g/cm3 - La masse volumique absolue ………………………… Mvabs=0.87 g/cm3

Le déchet des sacs en plastique est obtenu selon la chaîne technologique suivante :

Figure 1. Etapes d’obtention de déchet des sacs en plastiques 2.4. Les fibres métalliques MEDAFAC Les fibres métalliques utilisées nommées MEDAFAC proviennent de l’entreprise Granitex d’Alger. C’est un produit en acier tréfilé, sa géométrie et ses caractéristiques techniques lui permettent d’offrir au béton une ténacité importante et d’augmenter les résistances mécaniques surtout en flexion. Sa masse volumique absolue est de l’ordre de 7.06 g/cm3.



3. PROGRAMME EXPERIMENTAL 3.1. Formulation des mortiers et bétons Nous utiliserons des mortiers normaux, selon la norme (NFP 15-403), ceci correspond donc à un rapport sable/ciment égal à 3. Le déchet de plastique a été introduit par substitution d’un pourcentage variable de sable égale à 20%. Les fibres métalliques sont ajoutées au cours du malaxage avec les différents pourcentages qui varient de 0.5, 1, 1.5 et 2 % par rapport au volume total. Les différents mortiers étudiés et leurs notations sont les suivants :

• MR : mortier de référence. • MDF0: mortier avec 20% de déchet de plastique. • MDF1, MDF2, MDF3 et MDF4 : mortier contenant 20% de déchet de plastique & 0.5, 1, 1.5 et

2% de fibres métalliques respectivement. • MF5, MF6, MF7 et MF8: mortier avec 0.5, 1, 1.5 et 2% de fibres métalliques

Les différentes compositions de béton sont obtenues a l’aide de la méthode de Dreux Gorisse, dix (10) compositions de béton ont été élaborées dont la notation est la même que le mortier sauf qu’a la place de la lettre M on met la lettre B. 4. RESULTATS ET INTERPRETATIONS 4.1. Retrait empêché L’essai consiste à déterminer l’échéance et la nature de la fissuration d’une éprouvette annulaire coulée autour d’un cœur en acier suffisamment rigide pour empêcher la déformation du mortier renforcé par le déchet de plastique et les fibres métalliques, afin d’étudier la sensibilité des mortiers vis-à-vis de la fissuration. Ainsi des contraintes de traction se développent dans le matériau qui se fissure si sa résistance en traction est dépassée [3 - 7]. L’observation de la fissuration est faite à partir des images prises par appareille photo numérique. Les photographies du tableau 2, représentent l’état de la fissuration observée sur les anneaux de mortiers soumis au retrait empêché.

Tableau 2. Examen visuel de l’essai du retrait empêché



Après quelque jour de conservation des échantillons à l’air libre, des fissures apparaissent sur la surface des anneaux. Ces fissurations sont dues au développement des contraintes de traction dans les mortiers. On remarque que La première fissure, unique et franche sur toute la hauteur de l’éprouvette, a été mise en évidence, à l’âge de 7 jours dans le mortier de référence, tandis que dans le mortier avec 20% de déchet la fissure est apparue juste après 9 jours mais son ouverture est plus limitée. Tous les mortiers avec déchets de plastique et fibres métalliques ne présentent aucune fissure après un âge de 28jours et possèdent une forte résistance aux contraintes de traction. Cela est dû à la présence des fibres métalliques dont le rôle est de coudre les microfissures et limiter la formation d’autres fissures en renforçant la matrice cimentaire. 4.2. Béton à l’état frais Les principaux essais effectués sur les bétons frais sont les suivants :

• L’ouvrabilité (l’affaissement au cône d’ABRAMS) • La masse volumique

Les résultats de ces essais représentés dans le tableau suivant :

Tableau 3. Ouvrabilité et masse volumique de béton frais Propriétés BR BDF0 BDF1 BDF2 BDF3 BDF4 BF5 BF6 BF7

Aff (cm) 11 13 10 8 8 7 9 7 7

Mv (kg/m3) 2420 2363 2337 2337 2477 2515 2465 2458 2484

L’ouvrabilité du béton avec ajout de déchet de plastique est supérieure au béton de référence, cette augmentation est due à :

• La substitution d’une partie du sable par le déchet de plastique, ayant une granulométrie supérieure, qui conduit à une diminution de la surface spécifique donc la quantité d’eau de gâchage est largement suffisante pour mouiller cette surface.

• La surface lisse des grains de déchets de plastique qui facilite la mobilité du béton. On constate aussi que l’augmentation de dosage en fibres métalliques fait chuter l’ouvrabilité du béton. Cela peut s’expliquer par le fait qu’il existe pour des pourcentages avec des taux élevés de fibres une sorte de verrouillage du gravier, ce qui empêche toute mobilité de la matrice Concernant la masse volumique, elle est notamment faible pour les bétons avec déchets en plastique. Cela peut être expliqué par la faible masse volumique présentée par ce déchet par rapport au sable donc une masse moins importante. Cette masse volumique augmente avec l’augmentation de dosage en fibres, ce qui explique le rôle de remplissage de la matrice par les fibres. En effet, ces derniers possèdent des grandes masses volumiques et sont aussi ajoutés en plus dans la matrice de béton. 4.3. Béton à l’état durci Les essais effectués sur les bétons durcis sont : la résistance mécanique à la compression et à la flexion Les résistances à la compression moyennes et leurs déplacements correspondats des différentes compositions du béton sont déterminées à l’aide d’une machine de compression CONTROLAB de capacité 600 KN (Fig 2), les résulatats obtenus sont représentés par la figure 4.

Figure 2. Machine de compression ’CONTROLAB’ de capacité 600 KN.



Les résistances à la flexion moyennes et leurs deplacements correspondants des différentes compositions du béton sont déterminées à l’aide d’une machine de compression CONTROLAB de capacité 160 KN (Fig 3), les résulatats sont représentés par la figure 5.

Figure 3 Machine de flexion ‘CONTROLAB’ de capacité 160KN

Figure 4. Résistance à la compression de béton Figure 5. Résistance à la flexion de béton

Nous remarquons une diminution des résistances mécaniques à la compression et à la flexion et l’augmentation du déplacement en fonction du pourcentage de déchet de plastique dans la composition. Ces dernier sont dues a :

• La forme des grains qui augmente le taux de vide se qui va réduire la compacité. • La diminution du pouvoir liant, la pâte de mortier devient incapable d’enrober tous les granulats,

donc une cohésion moins importante entre les grains. • La faible rugosité du déchet, qui minimise l’adhérence pâte granulat.

Par contre les résistances mécaniques augmentent systématiquement avec l’augmentation du pourcentage des fibres métalliques. Il apparaît clairement que l’ajout des fibres avec un pourcentage de 1,5%, celui du BF7 augmente la résistance à la compression mesurée à 28 jours, cette augmentation est de l’ordre de 35% par rapport au béton témoin. Cela peut s’expliquer par la bonne liaison entre les fibres métalliques et la matrice. De plus, les contraintes locales de fendage sont reprises par les fibres métalliques. Dans ce cas, les fibres métalliques interviennent au niveau de microfissures obliques et verticales [8]. Pour le béton BF8, on constate une légère diminution de la résistance de compression par rapport au béton témoin, cette diminution et de l’ordre de 9.3%. Cela peut s’expliquer par la faible compacité qui due au phénomène de ségrégation de béton qui provoque l’apparition des vides dans la matrice béton [9]. La résistance à la traction par flexion augmente par l’augmentation du dosage des fibres. Nous remarquons un taux d’amélioration de la résistance à la traction par flexion à 28 jours qui atteint jusqu’à 23 % (BF8) par rapport au béton témoin. Ceci est expliqué par la présence importante des fibres dont le rôle est de coudre les microfissures et limiter la formation d’autres fissures en renforçant la matrice cimentaire. Les courbes force-déplacement des différentes compositions de béton sont représentés comme suit :



Figure 6. Courbe force-déplacement du béton

Typiquement, toutes les courbes présentent une pente initiale qui suit celle du béton témoin jusqu'à un point d'inflexion, suivie d'une zone de grande déformation plastique. Selon la composition de béton, le niveau de contrainte, la zone plastique varie considérablement d'une variante à une autre. Nous constatons que toutes les colonnes ont subis une loi de comportement qui se décompose en trois phases [10]: 1) une phase pratiquement linéaire avant microfissuration du béton (similaire au béton témoin) jusqu'à environ 50% de la charge de rupture, donc le module d'élasticité est peu sensible à la présence de fibres. 2) une phase courbée de la partie ascendante au cours de la quelle le béton se microfissure et les fibres se mettent en tension. 3) une phase descendante au cours de la quelle l'effort est repris par les fibres qui assemblent le béton fissuré. Les bétons contenants les granulats de déchet de plastique et les fibres métalliques présentent un déplacement élevé par rapport au béton de référence, cela est dû à l’effet combiné des fibres et déchets qui participent à l’augmentation de la déformabilité de béton.

BR BDF0

BDF1 BDF2

BDF3 BDF4

BF5 BF6

BF7 BF8



5. CONCLUSION L’ensemble des résultats précédents montre sans équivoque que la présence de granulats de déchet de plastique et les fibres métalliques dans la matrice cimentaire influent sur les propriétés physico mécaniques des mortiers d’une part et sur leur comportement d’autre part : - Les mortiers avec déchets de plastique et fibres métalliques ne présentent aucune fissure après un âge de 28jours, possèdent une forte résistance aux contraintes de traction. Cela est dû à la présence des fibres métalliques dont le rôle est de coudre les microfissures et limiter la formation d’autres fissures. - La résistance des mortiers avec dechets de plastique augmente avec l’augmentation du dosage en fibres métalliques, ces mortiers ont un bon comportement vis-à-vis l’effet de la température jusqu'à 100°C, au dela de cette température les éprouvettes commencent a perdre leur forme consequences du début de ramolissement des grains de déchet. - L’ouvrabilité de béton avec ajout de dechet de plastique et meilleure par rapport au béton de référence. On constate aussi que l’augmentation de dosage en fibres métalliques fait chuter l’ouvrabilité de béton. - Lla résistance mécanique en compression et en fléxion diminuent avec l’augmentation du pourcentage en déchets tandis qu’elle augmente pour les éprouvettes contenant des fibres métalliques a titre indicatif l’ajout de1.5% de fibres, celui du BF7 augmente la résistance à la compression mesurée à 28 jours de l’ordre de 35%, les fibres métalliques interviennent au niveau des microfissures obliques et verticales. - La résistance à la traction par flexion augmente par l’augmentation du dosage en fibres. Un taux d’amélioration de la résistance à la traction par flexion à 28 jours pour le (BF8) atteint jusqu’à 23%. - Un pourcentage en granulats de plastique de 20% et un pourcentage en fibre de 2% permet d’augmenter la capacité de déformation avant localisation de l’endommagement de 0.24 à 0.4 mm. Enfin, les effets bénéfiques et combiné de l’incorporation de granulats de plastique (retard de la localisation de la microfissure) et du renfort par des fibres (capacité portante post-fissuration) peuvent donc se cumuler et améliorer ainsi le comportement de béton. 6. BIBLIOGRAPHIES [1] Chanvillard G and Aitcin. 1990.thin bonded overlays of fiber-reinforced concrete as a method of rehabilitation of concrete roads’, Canadian journal of Civil Engineering, 17[4], 521–527. [2] Abolfazl. H, Hossein G and Amir Abedin M. 2005. Use of plastic waste (poly-ethylene terephthalate) in asphalt concrete mixture as aggregate replacemen. Waste Management & Research: 23: 322–327. [3] Sandra B. 2003. Effet de l.incorporation des granulats caoutchouc sur la résistance à la fissuration des mortiers. XXIemes rencontres universitaires de génie civil. Prix « Rene Houpert ». [4] Shaikh Faiz Uddin A and Hirozo M. 2009. Restrained Shrinkage-Induced Cracking of Light Weight High Performance Fiber Reinforced. Cementitious Composites’American J. of Engineering and Applied Sciences 2 (4): 775-780. [5] Hossain A.B and Weiss J. 2004. Assessing residual stress development and stress relaxation in restrained concrete ring specimens. Cem. Concr. Composit., 26: 531-540. [6] Turcry P., Loukili A., Haidar K., Pijandier-Cabot G and Belarbi A. 2006. Cracking tendency of selfcompacting concrete subjected to restrained shrinkage: Experimental study and modeling. ASCE J. Mater. Civil Eng., 18: 46-54. [7] See, H.T., Attiogbe E.K and Miltenberger M.A. 2003. Shrinkage cracking characteristics of concrete using ring specimens. Mater. J., 100: 239-245. [8] Rossi P., 1988. Les bétons de fibres métalliques. Presses de l’ENPC. [9] Baron J., 1982. Résistance à la propagation des fissures". Béton hydraulique ; presse de l’ENPC, PARIS. [10] Gorisse F., 1978. Essais et contrôle des bétons". Edition Eyrolles.

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