Modélisation des phénomènes de carbonatation dans les bétons à base de granulats recyclés

Abstract

Le béton est actuellement le matériau de construction le plus utilisé dans l'industrie, avec une production estimée à environ un milliard de tonnes pour l'Union Européenne seule. L'un des principaux constituants du béton sont les granulats naturels et le sable, dont la production atteignait 2,5 milliards de tonnes par an en Europe en 2021. Il en résulte que cette ressource devient rare, et assurer sa disponibilité dans le futur apparaît comme un défi important. En parallèle, d'autres problématiques environnementales, découlant en partie du secteur de la construction, ont reçu une attention croissante. Cela inclut les émissions de CO2 et la production de déchets par le secteur de la construction et de la démolition.

Pour répondre à ces nouveaux défis, le secteur de la construction recherche de nouveaux processus permettant la réutilisation et le recyclage des déchets de construction et de démolition dans les nouvelles constructions. Une des solutions étudiées est le remplacement des granulats naturels par des granulats provenant du broyage des déchets de construction ou de démolition en béton. Les granulats de béton recyclés sont composés de granulats naturels entourés de résidus de pâte de ciment, ce qui affecte négativement les propriétés du granulat recyclé. La substitution des granulats naturels par ces granulats recyclés dans le béton entraîne une augmentation de sa porosité et donc potentiellement une diminution de sa durabilité.

L'objectif de ce travail est d'étudier l'influence des granulats recyclés sur la carbonatation du béton en prenant en compte les courbes de rétention d'eau, la perméabilité et la porosité. Cela permettra de déterminer l'influence relative de ces différents paramètres sur la carbonatation et, surtout, l'effet général de la substitution par des granulats de béton recyclés sur la carbonatation. L'étude de la carbonatation est un préalable à celle du processus de corrosion, qui est l'un des principaux processus de dégradation des bétons.

Dans ce travail, un modèle numérique a été développé sur la base de divers modèles provenant de la littérature. Pour obtenir les informations nécessaires aux modèles numériques, des essais de sorption et de désorption statique ont été réalisés sur des échantillons de béton de différents types qui ont été carbonatés au préalable. Ces échantillons présentent des compositions différentes : un premier béton à base de granulats naturels, un second béton à base de granulats de béton recyclé de la même courbe granulométrique, et un mortier sans granulat. Les deux bétons disposent du même type de pâte de ciment ainsi que de la même teneur en pâte. Il est ainsi possible d'analyser l'effet du changement de granulat uniquement. La modélisation a été implémentée dans le logiciel de calcul par éléments finis non linéaires développé à l'Université de Liège. Les différents résultats expérimentaux ont ensuite été utilisés dans le modèle numérique.

Concrete is currently the most widely used construction material in the industry, with an estimated production of around one billion tons for the European Union alone. One of the main components of concrete is natural aggregates and sand, whose production reached 2.5 billion tons per year in Europe in 2021. As a result, this resource is becoming scarce, and ensuring its availability in the future appears to be a significant challenge. At the same time, other environmental issues, partly stemming from the construction sector, have received increasing attention. This includes CO2 emissions and the production of waste by the construction and demolition sector.

To address these new challenges, the construction sector is seeking new processes that enable the reuse and recycling of construction and demolition waste in new constructions. One of the solutions being studied is the replacement of natural aggregates with aggregates derived from the crushing of construction or demolition concrete waste. Recycled concrete aggregates consist of natural aggregates surrounded by cement paste residues, which negatively affect the properties of the recycled aggregate. Substituting natural aggregates with these recycled aggregates in concrete leads to an increase in its porosity and thus potentially a decrease in its durability.

The objective of this work is to study the influence of recycled aggregates on the carbonation of concrete by taking into account water retention curves, permeability, and porosity. This will determine the relative influence of these different parameters on carbonation and, more importantly, the overall effect of substituting natural aggregates with recycled concrete aggregates on carbonation. The study of carbonation is a prerequisite for understanding the corrosion process, which is one of the main degradation processes of concrete.

In this work, a numerical model has been developed based on various models from the literature. To obtain the necessary information for the numerical models, static sorption and desorption tests have been conducted on different types of concrete samples that had been carbonated beforehand. These samples have different compositions: a first concrete with natural aggregates, a second concrete with recycled concrete aggregates of the same gradation curve, and a mortar without aggregate. Both concretes have the same type of cement paste and the same paste content. It is thus possible to analyze the effect of the aggregate change alone. The modeling has been implemented in the nonlinear finite element analysis software developed at the University of Liège. The different experimental results have then been used in the numerical model.