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Valorisation de déchets de fibres-ciment non amiantés
en substitution du ciment dans des mortiers
1
LEKLOU Nordine
Maître de Conférences- HDR
Université de Nantes
GeM – UMR CNRS 6183
Les Rencontres Recherche et Entreprises de NOVABUILD
16 Octobre 2018 - Nantes
GeM – Institut de Recherche en Génie Civil et
Mécanique. UMR 6183 – CNRS
Research Institute in Civil and Mechanical Engineering (GeM)
2
• Présentation du laboratoire
• Présentation du projet de recherche
• Conclusions
GeM – Institut de Recherche en Génie Civil et
Mécanique. UMR 6183 – CNRS
Research Institute in Civil and Mechanical Engineering (GeM)
3
• Présentation du laboratoire
• Présentation du projet de recherche
• Conclusions
4
‣ Research Institute in Civil and Mechanical Engineering (GeM)
(Université de Nantes, Ecole Centrale de Nantes, UMR- CNRS 6183)
‣ Créé en 2004, classé A+ (2011)
‣ 3 thématiques principales:
• Calcul des structures
• Matériaux et Procédés
• Génie civil
‣ 230 personnes :
• ~ 75 enseignants-chercheurs et chercheurs
• ~ 40 personnels administratifs et techniques
• ~ 100 doctorants
• ~ 15 post-doctorants
‣ Multi-site: Nantes + Saint-Nazaire
• 6 équipes de recherche :
▫ Modélisation et simulation (MS) - Prof. N. MOËS
▫ Procédés et Mécanique des Matériau (PMM)- Prof. C. BINETRUY
▫ Matériaux-Environnement-Ouvrages (MEO) - Prof. A. LOUKILI
▫ État Mécanique et Microstructure des Matériaux(E3M) - Prof. F. JACQUEMIN
▫ ConTRôle de santé, fiabilité et calcUl des Structures (TRUST) - Prof. F. SCHOEFS
▫ Interactions Eau-Geomatériaux (IEG) - Pr. D.MAROT
Organisation
5
Equipe « Interactions Eau-Geomatériaux »
6
Composition
 19 permanents
 4 Prof., 1DR, 11 Ass. Prof.
 2 secrétaires (50% FP),
 2 techniciens (20% ETP), 1 technicien CDD (FP, 20% ETP),
 5 Post doctorants (dont 1 ATER),
 14 doctorants dont 1 en co–encadrement (Tassili, Algérie)
Localisation
Bâtiment de recherche,
site de Heinlex,
Saint-Nazaire
 3 axes de recherche
 Durabilité des ouvrages en terre,
 Durabilité des ouvrages en béton,
 Ecoconstruction
 Moyens mis en œuvre
 Caractérisations expérimentales,
suivant plusieurs échelles
 Modélisations numériques,
suivant différentes approches
7
Equipe « Interactions Eau-Geomatériaux »
GeM – Institut de Recherche en Génie Civil et
Mécanique. UMR 6183 – CNRS
Research Institute in Civil and Mechanical Engineering (GeM)
8
• Présentation du laboratoire
• Présentation du projet de recherche
• Conclusions
9
LES PARTENAIRES
CRI: filiale française de production du groupe ETEX, produits
fibres-ciment, 4 sites, dont un à Rennes/St-Grégoire. Producteur du
déchets et futur centre de transformation en revalorisation
matière.
Eternit Commercial: filiale française de commercialisation des
produits en fibres-ciment, en charge de la mise en place de la filière
de rapatriement des déchets
GeM-UMR CNRS 6183: Laboratoire de recherche, en charge des
travaux de recherches  Master de recherche et Post-doctorant
10
La fibre-ciment est un matériau de construction relativement récent : les premiers
produits en fibres-ciment ont été introduits dans la construction il y a environ 30 ans,
notamment en éléments de toiture.
Chaque année, plusieurs tonnes de déchets sont générées par la découpe de
panneaux en fibres-ciment durant le processus de production.
Aujourd’hui, la valorisation de ces déchets est une alternative économique
envisageable dans différentes applications, mais ils doivent pour cela répondre aux
mêmes exigences en termes de qualité et de performances que les matériaux
traditionnellement utilisés.
De récents travaux ont été menés sur le recyclage de déchets de fibres-ciment
concassés et utilisés comme granulats de couche de base pour des structures routières
(Müller et al., 2011), mais très peu d’études ont été réalisées sur l’incorporation de ces
déchets dans la formulation de mortiers ou de bétons.
Contexte
11
Contexte
Ce projet s’inscrit dans un contexte global de développement du recyclage des déchets du
BTP.
La Directive cadre relative aux déchets définit en effet un objectif de réemploi, recyclage ou
valorisation matière de 70 % d’ici 2020.
La volonté est ainsi de travailler :
1 - sur le recyclage des déchets de production de Rennes (4000 t/an)
2- les déchets de chantier issus des phases de construction
Eviter la mise en décharge et aller au delà des techniques basiques de granulats de remblai
pour sous couche routière.
Solution envisagée
Economie circulaire: Transformer le déchet en matière première de recyclage
pour une réutilisation dans les ardoises fibres-ciment et fournir un filler
innovant pour l’industrie du béton.
12
Objectifs et présentation de l’étude
Panneaux de fibres-ciment
Rebuts de fibres-
ciment
4000t/an
3 granulométries différentes, inférieure à
80 µm, entre 80 et 100 µm et supérieure à
100 µm
Broyage
80% ciment
10% fibres
10% additions
Compositions de mortiers et de pâtes de ciment
(norme EN 196-1)
Use of asbestos-free fiber-cement waste as a partial substitute of Portland
cement in mortar- Bouharoun et al. –Materials and Structures (2015).
• Objectif : quantifier et évaluer la réactivité des déchets de fibres-ciment pour la formulation
de mortiers.
• Principe : compte tenu du faible dosage en eau utilisé, ces déchets industriels contiennent du
ciment non-hydraté, dont l’activité hydraulique pourrait être (ré)exploitée pour la fabrication
de mortiers ou de bétons.
• Matériaux :
13
Objectifs et présentation de l’étude
• Essais réalisés :
 Mortiers
Retrait total
(NF P 15-433, 1994)
Module d’Young dynamique
(NF P 18-414, 1993)
Résistances mécaniques
(NF EN 196-1,2006)
Maniabilimétre à mortier LCPC
(NF P 18-452, 1988)
 Pâtes de ciment
Microcalorimètre isotherme
Porosité accessible à l’eau
(AFPC - AFREM, 1997)
14
-0.12
-0.10
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0.00
0 20 40 60 80 100
Déformations(%)
Age (jours)
C-100%
FC80-5%
FC100-5%
fc-5%
-0.12
-0.10
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0.00
0 20 40 60 80 100
Déformations(%)
Age (jours)
C-100%
FC80-20%
FC100-20%
FC>100-20%
fc-20%
Retrait total des mortiers
• Augmentation de la période dormante d’hydratation (de 5 à 10%) du liant comparable à
celle observée sur un liant binaire ciment-filler calcaire;
• Augmentation du retrait total des mortiers, cette augmentation pourrait être atténuée en
optimisant par exemple la finesse du produit broyé;
• Réduction de la résistance à la compression à 28 jours des mortiers de 14 à 35%
Les résistances obtenues restent cependant acceptables pour des applications structurelles.
49 49
41
36
43
36
40
32
43
38
0
10
20
30
40
50
60
5% 20%
σCompression(MPa)
Taux de substitution du ciment
C-100% FC80 FC100
FC>100 fc
9 9
10
8
10
88
7
10
9
0
2
4
6
8
10
12
5% 20%
σFlexion(MPa)
Taux de substitution du ciment
C-100% FC80 FC100
FC>100 fc
Résistances mécaniques (28 j)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0
1
2
3
4
0 24 48 72 96 120 144
Fluxdechaleur(mW.g-1deliant)
Age (h)
C-100%
FC80-5%
FC100-5%
fc-5%
Chaleurcumulée(J.g-1deliant)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0
1
2
3
4
0 24 48 72 96 120 144
Fluxdechaleur(mW.g-1deliant)
Age (h)
C-100%
FC80-20%
FC100-20%
FC>100-20%
fc-20%
Chaleurcumulée(J.g-1deliant)
Flux de chaleur et de la
chaleur d’hydratation des
pâtes
GeM – Institut de Recherche en Génie Civil et
Mécanique. UMR 6183 – CNRS
Research Institute in Civil and Mechanical Engineering (GeM)
15
• Présentation du laboratoire
• Présentation du projet de recherche
• Conclusions
16
 Projet collaboratif complet : recherche et industrialisation
 Transformation d’un déchet béton/fibres-ciment en matière première pour le
béton/fibres-ciment
 Multiples intérêts: environnementaux, économiques, techniques, scientifiques,
sociétaux.
 L’objectif est de se donner les moyens de créer une filière et de mettre en place
un investissement sur l’usine de Rennes
 Filière qui pourra être répliquée autour d’autres sites en France ou en Europe
17
Les intérêts
 Scientifique:
• Caractérisation du matériau. Etude de la répartition surfacique des phases hydratés et
non hydratés. Développement de la réactivité.
• Formulations de produits bétons préfabriqués et fibres ciment avec cette nouvelle
matière première.
 Environnemental:
• Eviter la mise en décharge et baisse du volume transporté par camion
• Economie de la ressource minérale et économie circulaire
• Baisse de l’impact carbone des produits béton (remplacement partiel de ciment)
 Economique:
• Baisse du prix de revient de produits fibres-ciment et bétons
• Préparation d’un investissement industriel
 Sociétal:
• Projet exemplaire dans le développement de la société de recyclage
18
Autres projets
Valorisation des granulats recyclés
• Objectif : Etudier l’impact des sulfates solubles dans l’eau apporté par les Granulats de
Bétons Recyclés (GBR) sur la formation ou non d’ettringite secondaire et de thaumasite
sur les nouveaux bétons confectionnés avec les GBR.
Elaboration et caractérisation de bétons à base de fibres végétales
• Objectif : Formuler et caractériser des bétons à base de fibre végétale (Alfa) en
comparaison avec des bétons composés de fibre synthétique (polypropylène).
Is alfa a vegetal fiber suitable for making green reinforced structure concrete? - Khelifa et al. –European Journal of Environmental and Civil
Engineering (2016).
Effect of Recycled Concrete Aggregates on the formation Ettringite and Thaumasite in concrete- Leklou et al. – Recybéton, Taylors & Francis Eds,
2017. (accepté, en cours de parution).
Réalisation du premier habitat social par impression 3D robotisée avec la technologie
Batiprint3D TM
• Objectif : Réalisation d’un habitat par impression 3D
19
Contacts
nordine.leklou@univ-nantes.fr
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Rencontres Recherche et Entreprise - NOVABUILD 2018 : Nordine LEKLOU, GeM

  • 1. Valorisation de déchets de fibres-ciment non amiantés en substitution du ciment dans des mortiers 1 LEKLOU Nordine Maître de Conférences- HDR Université de Nantes GeM – UMR CNRS 6183 Les Rencontres Recherche et Entreprises de NOVABUILD 16 Octobre 2018 - Nantes
  • 2. GeM – Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique. UMR 6183 – CNRS Research Institute in Civil and Mechanical Engineering (GeM) 2 • Présentation du laboratoire • Présentation du projet de recherche • Conclusions
  • 3. GeM – Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique. UMR 6183 – CNRS Research Institute in Civil and Mechanical Engineering (GeM) 3 • Présentation du laboratoire • Présentation du projet de recherche • Conclusions
  • 4. 4 ‣ Research Institute in Civil and Mechanical Engineering (GeM) (Université de Nantes, Ecole Centrale de Nantes, UMR- CNRS 6183) ‣ Créé en 2004, classé A+ (2011) ‣ 3 thématiques principales: • Calcul des structures • Matériaux et Procédés • Génie civil ‣ 230 personnes : • ~ 75 enseignants-chercheurs et chercheurs • ~ 40 personnels administratifs et techniques • ~ 100 doctorants • ~ 15 post-doctorants ‣ Multi-site: Nantes + Saint-Nazaire
  • 5. • 6 équipes de recherche : ▫ Modélisation et simulation (MS) - Prof. N. MOËS ▫ Procédés et Mécanique des Matériau (PMM)- Prof. C. BINETRUY ▫ Matériaux-Environnement-Ouvrages (MEO) - Prof. A. LOUKILI ▫ État Mécanique et Microstructure des Matériaux(E3M) - Prof. F. JACQUEMIN ▫ ConTRôle de santé, fiabilité et calcUl des Structures (TRUST) - Prof. F. SCHOEFS ▫ Interactions Eau-Geomatériaux (IEG) - Pr. D.MAROT Organisation 5
  • 6. Equipe « Interactions Eau-Geomatériaux » 6 Composition  19 permanents  4 Prof., 1DR, 11 Ass. Prof.  2 secrétaires (50% FP),  2 techniciens (20% ETP), 1 technicien CDD (FP, 20% ETP),  5 Post doctorants (dont 1 ATER),  14 doctorants dont 1 en co–encadrement (Tassili, Algérie) Localisation Bâtiment de recherche, site de Heinlex, Saint-Nazaire
  • 7.  3 axes de recherche  Durabilité des ouvrages en terre,  Durabilité des ouvrages en béton,  Ecoconstruction  Moyens mis en œuvre  Caractérisations expérimentales, suivant plusieurs échelles  Modélisations numériques, suivant différentes approches 7 Equipe « Interactions Eau-Geomatériaux »
  • 8. GeM – Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique. UMR 6183 – CNRS Research Institute in Civil and Mechanical Engineering (GeM) 8 • Présentation du laboratoire • Présentation du projet de recherche • Conclusions
  • 9. 9 LES PARTENAIRES CRI: filiale française de production du groupe ETEX, produits fibres-ciment, 4 sites, dont un à Rennes/St-Grégoire. Producteur du déchets et futur centre de transformation en revalorisation matière. Eternit Commercial: filiale française de commercialisation des produits en fibres-ciment, en charge de la mise en place de la filière de rapatriement des déchets GeM-UMR CNRS 6183: Laboratoire de recherche, en charge des travaux de recherches  Master de recherche et Post-doctorant
  • 10. 10 La fibre-ciment est un matériau de construction relativement récent : les premiers produits en fibres-ciment ont été introduits dans la construction il y a environ 30 ans, notamment en éléments de toiture. Chaque année, plusieurs tonnes de déchets sont générées par la découpe de panneaux en fibres-ciment durant le processus de production. Aujourd’hui, la valorisation de ces déchets est une alternative économique envisageable dans différentes applications, mais ils doivent pour cela répondre aux mêmes exigences en termes de qualité et de performances que les matériaux traditionnellement utilisés. De récents travaux ont été menés sur le recyclage de déchets de fibres-ciment concassés et utilisés comme granulats de couche de base pour des structures routières (Müller et al., 2011), mais très peu d’études ont été réalisées sur l’incorporation de ces déchets dans la formulation de mortiers ou de bétons. Contexte
  • 11. 11 Contexte Ce projet s’inscrit dans un contexte global de développement du recyclage des déchets du BTP. La Directive cadre relative aux déchets définit en effet un objectif de réemploi, recyclage ou valorisation matière de 70 % d’ici 2020. La volonté est ainsi de travailler : 1 - sur le recyclage des déchets de production de Rennes (4000 t/an) 2- les déchets de chantier issus des phases de construction Eviter la mise en décharge et aller au delà des techniques basiques de granulats de remblai pour sous couche routière. Solution envisagée Economie circulaire: Transformer le déchet en matière première de recyclage pour une réutilisation dans les ardoises fibres-ciment et fournir un filler innovant pour l’industrie du béton.
  • 12. 12 Objectifs et présentation de l’étude Panneaux de fibres-ciment Rebuts de fibres- ciment 4000t/an 3 granulométries différentes, inférieure à 80 µm, entre 80 et 100 µm et supérieure à 100 µm Broyage 80% ciment 10% fibres 10% additions Compositions de mortiers et de pâtes de ciment (norme EN 196-1) Use of asbestos-free fiber-cement waste as a partial substitute of Portland cement in mortar- Bouharoun et al. –Materials and Structures (2015). • Objectif : quantifier et évaluer la réactivité des déchets de fibres-ciment pour la formulation de mortiers. • Principe : compte tenu du faible dosage en eau utilisé, ces déchets industriels contiennent du ciment non-hydraté, dont l’activité hydraulique pourrait être (ré)exploitée pour la fabrication de mortiers ou de bétons. • Matériaux :
  • 13. 13 Objectifs et présentation de l’étude • Essais réalisés :  Mortiers Retrait total (NF P 15-433, 1994) Module d’Young dynamique (NF P 18-414, 1993) Résistances mécaniques (NF EN 196-1,2006) Maniabilimétre à mortier LCPC (NF P 18-452, 1988)  Pâtes de ciment Microcalorimètre isotherme Porosité accessible à l’eau (AFPC - AFREM, 1997)
  • 14. 14 -0.12 -0.10 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0 20 40 60 80 100 Déformations(%) Age (jours) C-100% FC80-5% FC100-5% fc-5% -0.12 -0.10 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0 20 40 60 80 100 Déformations(%) Age (jours) C-100% FC80-20% FC100-20% FC>100-20% fc-20% Retrait total des mortiers • Augmentation de la période dormante d’hydratation (de 5 à 10%) du liant comparable à celle observée sur un liant binaire ciment-filler calcaire; • Augmentation du retrait total des mortiers, cette augmentation pourrait être atténuée en optimisant par exemple la finesse du produit broyé; • Réduction de la résistance à la compression à 28 jours des mortiers de 14 à 35% Les résistances obtenues restent cependant acceptables pour des applications structurelles. 49 49 41 36 43 36 40 32 43 38 0 10 20 30 40 50 60 5% 20% σCompression(MPa) Taux de substitution du ciment C-100% FC80 FC100 FC>100 fc 9 9 10 8 10 88 7 10 9 0 2 4 6 8 10 12 5% 20% σFlexion(MPa) Taux de substitution du ciment C-100% FC80 FC100 FC>100 fc Résistances mécaniques (28 j) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 1 2 3 4 0 24 48 72 96 120 144 Fluxdechaleur(mW.g-1deliant) Age (h) C-100% FC80-5% FC100-5% fc-5% Chaleurcumulée(J.g-1deliant) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 1 2 3 4 0 24 48 72 96 120 144 Fluxdechaleur(mW.g-1deliant) Age (h) C-100% FC80-20% FC100-20% FC>100-20% fc-20% Chaleurcumulée(J.g-1deliant) Flux de chaleur et de la chaleur d’hydratation des pâtes
  • 15. GeM – Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique. UMR 6183 – CNRS Research Institute in Civil and Mechanical Engineering (GeM) 15 • Présentation du laboratoire • Présentation du projet de recherche • Conclusions
  • 16. 16  Projet collaboratif complet : recherche et industrialisation  Transformation d’un déchet béton/fibres-ciment en matière première pour le béton/fibres-ciment  Multiples intérêts: environnementaux, économiques, techniques, scientifiques, sociétaux.  L’objectif est de se donner les moyens de créer une filière et de mettre en place un investissement sur l’usine de Rennes  Filière qui pourra être répliquée autour d’autres sites en France ou en Europe
  • 17. 17 Les intérêts  Scientifique: • Caractérisation du matériau. Etude de la répartition surfacique des phases hydratés et non hydratés. Développement de la réactivité. • Formulations de produits bétons préfabriqués et fibres ciment avec cette nouvelle matière première.  Environnemental: • Eviter la mise en décharge et baisse du volume transporté par camion • Economie de la ressource minérale et économie circulaire • Baisse de l’impact carbone des produits béton (remplacement partiel de ciment)  Economique: • Baisse du prix de revient de produits fibres-ciment et bétons • Préparation d’un investissement industriel  Sociétal: • Projet exemplaire dans le développement de la société de recyclage
  • 18. 18 Autres projets Valorisation des granulats recyclés • Objectif : Etudier l’impact des sulfates solubles dans l’eau apporté par les Granulats de Bétons Recyclés (GBR) sur la formation ou non d’ettringite secondaire et de thaumasite sur les nouveaux bétons confectionnés avec les GBR. Elaboration et caractérisation de bétons à base de fibres végétales • Objectif : Formuler et caractériser des bétons à base de fibre végétale (Alfa) en comparaison avec des bétons composés de fibre synthétique (polypropylène). Is alfa a vegetal fiber suitable for making green reinforced structure concrete? - Khelifa et al. –European Journal of Environmental and Civil Engineering (2016). Effect of Recycled Concrete Aggregates on the formation Ettringite and Thaumasite in concrete- Leklou et al. – Recybéton, Taylors & Francis Eds, 2017. (accepté, en cours de parution). Réalisation du premier habitat social par impression 3D robotisée avec la technologie Batiprint3D TM • Objectif : Réalisation d’un habitat par impression 3D