Résumé : Depuis le début du XXe siècle, la production de bétons secs représente une industrie importante pour le développement des infrastructures en bétons compactés au rouleau notamment pour la construction de barrages, de digues, de pavages, et les bétons moulés à sec pour la pré-fabrication de blocs de maçonnerie, de briques, de pierres de pavé, etc. La durabilité de celles-ci peut être améliorée en réduisant leur consommation de ciment Portland et de granulats naturels en utilisant, respectivement, des ajouts cimentaires et des matériaux granulaires alternatifs. D’ailleurs, beaucoup de sous-produits industriels et autres ajouts cimentaires alternatifs ne respectant pas les exigences pour le béton conventionnel ont été utilisés avec succès dans ce type de béton. Les cendres de biomasse sont des sous-produits prometteurs pour les applications de bétons secs. Ces cendres sont obtenues dans une centrale de cogénération de l’industrie des pâtes et papiers suite à la combustion de leurs boues de traitement des eaux usées, de leurs boues de désencrage, et autres résidus de bois. Les cendres volantes de biomasse (CVB) ont une finesse similaire à celle du ciment et elles possèdent aussi un potentiel de réactivité pouzzolanique. Elles peuvent donc remplacer une partie du ciment utilisé dans la formulation de bétons. Les cendres grossières de biomasse (CGB) ont une granulométrie voisine de celle d’un sable fin. Elles peuvent donc être valorisées en remplaçant une partie des granulats naturels utilisés dans les formulations de bétons. Bien que les propriétés physico-chimiques et les interactions cimentaires de celles-ci soient étudiées depuis le début des années 2000, très peu d’applications commerciales ou industrielles ont été développées. Ce projet de recherche vise l’étude et l'optimisation des CVB comme ajout cimentaire alternatif et des CGB comme granulats fins alternatifs dans la production de bétons compactés au rouleau (BCR) et à la paveuse (BCP) pour des applications de pavages industriels et dans la production de bétons moulés à sec (BMS) pour des applications de préfabrication de pierres de pavé. Pour chacune de ces applications, des formulations incorporant un taux de substitution jusqu'à 30% du ciment par des cendres volantes et jusqu’à 100% du sable par des cendres grossières ont été réalisées. Ces travaux d’optimisation ont été effectués avec des bétons à rap-port eau-liant de 0,32, 0,35 et 0,37. Les propriétés à l’état frais (maniabilité et consistance), à l’état durci (résistance à la compression, à la flexion et à la traction), et de durabilités (absorption à l’eau, vides perméables et résistivité électrique) jusqu'à 91 jours ont été mesurées pour tous les mélanges de béton. Le rapport eau-liant, la teneur en pâte et les taux de remplacement optimaux ont également été combinés et optimisés afin de valoriser un maximum de cendres de biomasse, volantes et grossières, dans une seule formulation. Les résultats des mélanges de BCR fabriqués en laboratoire avec 10% et 20% de CVB et combinés à 50% de CGB ont respectivement montré des maniabilités désirées et des résistances à la flexion supérieures aux limites prescrites par les devis techniques pour une utilisation pratique de 23% et 29%. Ces deux mélanges donc ont été sélectionnés pour évaluer leur comportement in situ à l’aide de la construction d'une dalle de stockage de 792 m² par 300 mm d'épaisseur à l'aide de pratiques courantes. Des carottes ont été prélevées dans la dalle à 28 et 308 jours. La résistance à la compression des noyaux à l'âge de 308 jours a atteint 33 et 30 MPa pour les deux mélanges testés, respectivement. Les BMS fabriqués avec 5%, 10%, ou 15% CVB et 25% de CGB peuvent atteindre un indice de compaction de 99% avec un travail de compaction inférieur à celui spécifié par les fabricants de pierre de pavés. L'utilisation des CVB et CGB entraîne une faible diminution de la résistance à la compression, mais présente des valeurs de perméabilité et d’absorption à l’eau très faibles et inférieures aux exigences requises les normes (près de 5%). Ces travaux de recherche présentent un débouché potentiel à la valorisation des cendres volantes et grossières de biomasse issues de l’industrie des pâtes et papiers dans les bétons secs comme ajout cimentaires ou granulats fins. Cette approche peut offrir une contribution significative pour la réduction des émissions de gaz à effet de serre associés à la production de ce type de béton et dans les gestions des matières résiduelles de l’industrie des pâtes et papiers. / Abstract : Since the early twentieth century, the production of dry concrete is an important industry for infrastructure development including the construction of dams, core dikes, and pavements using roller-compacted concrete, and precast masonry blocks, bricks, pavers using dry-cast concrete. The sustainability thereof can be improved by reducing its consumption of Portland cement and natural aggregates using cementitious supplementary cementitious materials and alternative granular materials, respectively. Moreover, many industrial by-products and other mineral additions not meeting the requirements for conventional concrete have been success-fully used in such concrete.
The biomass ashes are promising supplementary materials for dry concrete applications. These ashes are produced in a cogeneration plant of the pulp and paper industry following the burn-ing of their wastewater treatment sludge, their de-inking sludge, and other wood residues. The biomass fly ash (BFA) have a similar finesse in the cement and they also have a potential poz-zolanic reactivity. They may therefore replace part of the cement used in concrete formula-tions. The biomass bottom ashes (BBA) have a particle size close to that of a fine sand. They can be use to replace a portion of the natural aggregates. Although the physicochemical proper-ties and interactions with cement have been studied since the early 2000s, very few commer-cial or industrial applications have been developed.
This research project aims at studying and optimizing the BFA content as an alternative sup-plementary cementitious materials and the BBA content as an alternative fine aggregates in the production of roller-(RCC) and paver-compacted concrete (PCC) for industrial pavements and dry-cast concrete (DCC) for the manufacture of pavers. Formulations incorporating substitu-tion rates of cement up to 30% by BFA and of the sand up to 100% by BBA were evaluated for each of the mentioned applications. This optimization work was carried out with concrete water-to-binder ratio (w/b) of 0.32, 0.35 and 0.37. The fresh properties (workability and com-pactness), hardened properties (compressive strength, flexural strength and splitting-tensile strength) and transport properties (water absorption, permeable voids and electrical resistivity) up to 91 days were measured for all concrete mixtures. The optimal w/b, paste content and replacement rates were also combined and optimized in order to maximize the biomass fly and bottom ashes content, in a single formulation.
The results of concrete mixtures made with 10% and 20% BFA with 50% BBA showed 23% and 29% higher flexural strength than the limits required for practical use of RCC, respective-ly. These two RCC mixtures were selected for the assessment of in situ behaviors through the construction of a storage slab of 792 m² per 300 mm thick using standard practices. Core sam-ples were cut from the slabs at age of 28 and 308 days for follow-up of the concrete behavior with time. The compressive strength of the cores at an age of 308 days reached 33 and 30 MPa for the two tested mixtures, respectively.
The DCC mixtures made with 5%, 10%, or 15% BFA and 25% of BBA can reach a compact-ness index of 99% with a compaction work lower than specified by the Standards. The use of the BFA and BBA lead to small decrease of the compressive strength, however they can result in very low permeability and water absorption values lower than required by the specifications (close to 5%).
This research presents a potential market for recycling biomass fly and bottom ashes from the pulp and paper industry in dry concrete as alternative supplementary cementitious materials or fine aggregates. This approach can provide a significant contribution to reduce greenhouse gas emissions associated with the production of this type of concrete and with the managements of by-products from the pulp and paper industry.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usherbrooke.ca/oai:savoirs.usherbrooke.ca:11143/8831 |
| Date | January 2016 |
| Creators | Lessard, Jean-Martin |
| Contributors | Tagnit-Hamou, Arezki |
| Publisher | Université de Sherbrooke |
| Source Sets | Université de Sherbrooke |
| Language | French, English |
| Detected Language | French |
| Type | Mémoire |
| Rights | © Jean-Martin Lessard |
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