Le béton conventionnel (BC) a de nombreux problèmes tels que la corrosion de l’acier d'armature et les faibles résistances des constructions en béton. Par conséquent, la plupart des structures fabriquées avec du BC exigent une maintenance fréquent. Le béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) peut être conçu pour éliminer certaines des faiblesses caractéristiques du BC. Le BFUP est défini à travers le monde comme un béton ayant des propriétés mécaniques, de ductilité et de durabilité supérieures. Le BFUP classique comprend entre 800 kg/m³ et 1000 kg/m³ de ciment, de 25 à 35% massique (%m) de fumée de silice (FS), de 0 à 40%m de poudre de quartz (PQ) et 110-140%m de sable de quartz (SQ) (les pourcentages massiques sont basés sur la masse totale en ciment des mélanges). Le BFUP contient des fibres d'acier pour améliorer sa ductilité et sa résistance aux efforts de traction. Les quantités importantes de ciment utilisées pour produire un BFUP affectent non seulement les coûts de production et la consommation de ressources naturelles comme le calcaire, l'argile, le charbon et l'énergie électrique, mais affectent également négativement les dommages sur l'environnement en raison de la production substantielle de gaz à effet de serre dont le gas carbonique (CO[indice inférieur 2]). Par ailleurs, la distribution granulométrique du ciment présente des vides microscopiques qui peuvent être remplis avec des matières plus fines telles que la FS. Par contre, une grande quantité de FS est nécessaire pour combler ces vides uniquement avec de la FS (25 à 30%m du ciment) ce qui engendre des coûts élevés puisqu’il s’agit d’une ressource limitée. Aussi, la FS diminue de manière significative l’ouvrabilité des BFUP en raison de sa surface spécifique Blaine élevée. L’utilisation du PQ et du SQ est également coûteuse et consomme des ressources naturelles importantes. D’ailleurs, les PQ et SQ sont considérés comme des obstacles pour l’utilisation des BFUP à grande échelle dans le marché du béton, car ils ne parviennent pas à satisfaire les exigences environnementales. D’ailleurs, un rapport d'Environnement Canada stipule que le quartz provoque des dommages environnementaux immédiats et à long terme en raison de son effet biologique. Le BFUP est généralement vendu sur le marché comme un produit préemballé, ce qui limite les modifications de conception par l'utilisateur. Il est normalement transporté sur de longues distances, contrairement aux composantes des BC. Ceci contribue également à la génération de gaz à effet de serre et conduit à un coût plus élevé du produit final. Par conséquent, il existe le besoin de développer d’autres matériaux disponibles localement ayant des fonctions similaires pour remplacer partiellement ou totalement la fumée de silice, le sable de quartz ou la poudre de quartz, et donc de réduire la teneur en ciment dans BFUP, tout en ayant des propriétés comparables ou meilleures. De grandes quantités de déchets verre ne peuvent pas être recyclées en raison de leur fragilité, de leur couleur, ou des coûts élevés de recyclage. La plupart des déchets de verre vont dans les sites d'enfouissement, ce qui est indésirable puisqu’il s’agit d’un matériau non biodégradable et donc moins respectueux de l'environnement. Au cours des dernières années, des études ont été réalisées afin d’utiliser des déchets de verre comme ajout cimentaire alternatif (ACA) ou comme granulats ultrafins dans le béton, en fonction de la distribution granulométrique et de la composition chimique de ceux-ci. Cette thèse présente un nouveau type de béton écologique à base de déchets de verre à ultra-hautes performances (BEVUP) développé à l'Université de Sherbrooke. Les bétons ont été conçus à l’aide de déchets verre de particules de tailles variées et de l’optimisation granulaire de la des matrices granulaires et cimentaires. Les BEVUP peuvent être conçus avec une quantité réduite de ciment (400 à 800 kg/m³), de FS (50 à 220 kg/m³), de PQ (0 à 400 kg/m³), et de SQ (0-1200 kg/m³), tout en intégrant divers produits de déchets de verre: du sable de verre (SV) (0-1200 kg/m³) ayant un diamètre moyen (d[indice inférieur 50]) de 275 µm, une grande quantité de poudre de verre (PV) (200-700 kg/m³) ayant un d50 de 11 µm, une teneur modérée de poudre de verre fine (PVF) (50-200 kg/m³) avec d[indice inférieur] 50 de 3,8 µm. Le BEVUP contient également des fibres d'acier (pour augmenter la résistance à la traction et améliorer la ductilité), du superplastifiants (10-60 kg/m³) ainsi qu’un rapport eau-liant (E/L) aussi bas que celui de BFUP. Le remplacement du ciment et des particules de FS avec des particules de verre non-absorbantes et lisse améliore la rhéologie des BEVUP. De plus, l’utilisation de la PVF en remplacement de la FS réduit la surface spécifique totale nette d’un mélange de FS et de PVF. Puisque la surface spécifique nette des particules diminue, la quantité d’eau nécessaire pour lubrifier les surfaces des particules est moindre, ce qui permet d’obtenir un affaissement supérieur pour un même E/L. Aussi, l'utilisation de déchets de verre dans le béton abaisse la chaleur cumulative d'hydratation, ce qui contribue à minimiser le retrait de fissuration potentiel. En fonction de la composition des BEVUP et de la température de cure, ce type de béton peut atteindre des résistances à la compression allant de 130 à 230 MPa, des résistances à la flexion supérieures à 20 MPa, des résistances à la traction supérieure à 10 MPa et un module d'élasticité supérieur à 40 GPa. Les performances mécaniques de BEVUP sont améliorées grâce à la réactivité du verre amorphe, à l'optimisation granulométrique et la densification des mélanges. Les produits de déchets de verre dans les BEVUP ont un comportement pouzzolanique et réagissent avec la portlandite générée par l'hydratation du ciment. Cependant, ceci n’est pas le cas avec le sable de quartz ni la poudre de quartz dans le BFUP classique, qui réagissent à la température élevée de 400 °C. L'addition des déchets de verre améliore la densification de l'interface entre les particules. Les particules de déchets de verre ont une grande rigidité, ce qui augmente le module d'élasticité du béton. Le BEVUP a également une très bonne durabilité. Sa porosité capillaire est très faible, et le matériau est extrêmement résistant à la pénétration d’ions chlorure (≈ 8 coulombs). Sa résistance à l'abrasion (indice de pertes volumiques) est inférieure à 1,3. Le BEVUP ne subit pratiquement aucune détérioration aux cycles de gel-dégel, même après 1000 cycles. Après une évaluation des BEVUP en laboratoire, une mise à l'échelle a été réalisée avec un malaxeur de béton industriel et une validation en chantier avec de la construction de deux passerelles. Les propriétés mécaniques supérieures des BEVUP a permis de concevoir les passerelles avec des sections réduites d’environ de 60% par rapport aux sections faites de BC. Le BEVUP offre plusieurs avantages économiques et environnementaux. Il réduit le coût de production et l’empreinte carbone des structures construites de béton fibré à ultra-hautes performances (BFUP) classique, en utilisant des matériaux disponibles localement. Il réduit les émissions de CO[indice inférieur 2] associées à la production de clinkers de ciment (50% de remplacement du ciment) et utilise efficacement les ressources naturelles. De plus, la production de BEVUP permet de réduire les quantités de déchets de verre stockés ou mis en décharge qui causent des problèmes environnementaux et pourrait permettre de sauver des millions de dollars qui pourraient être dépensés dans le traitement de ces déchets. Enfin, il offre une solution alternative aux entreprises de construction dans la production de BFUP à moindre coût. / Abstract : Conventional concrete (CC) may cause numerous problems on concrete structures such as corrosion of steel reinforcement and weaknesses of concrete construction. As a result, most of structures made with CC require maintenance. Ultra-high-performance concrete (UHPC) can be designed to eliminate some of the characteristic weaknesses of CC. UHPC is defined worldwide as concrete with superior mechanical, ductility, and durability properties. Conventional UHPC includes between 800 and 1000 kg/m³ of cement particles, 25–35%wt of silica fume (SF), 0–40 wt% of quartz powder (QP), and 110–140 wt% quartz sand (QS) (the percentages are based on the total cement content of the mix by weight). UHPC contains steel fibers to improve its ductility and tension capacity. The huge amount of cement used to produce UHPC not only affects production costs and consumes natural resources, limestone, clay, coal, and electric power, but it also negatively impacts the environment through carbon dioxide (CO[subscript 2]) emissions, which can contribute to the greenhouse effect. Additionally, the particle-size distribution (PSD) of cement exhibits a gap at the micro scale that needs to be filled with more finer materials such as SF. Filling this gap solely with SF requires a high amount of SF (25% to 30% by cement weight) which is a limited resource and involves high cost. This significantly also decreases UHPC workability due to high Blaine surface area of SF. QS and QP use is also costly and consumes natural resources. As such, they are considered as impedances for wide use of UHPC in the concrete market and fail to satisfy sustainability requirements. Furthermore, based on an Environment Canada report, quartz causes immediate and long-term environmental harm because its biological effect makes it an environmental hazard. Furthermore, UHPC is generally sold on the market as a prepackaged product, which limits any design changes by the user. Moreover, it is normally transported over long distances, unlike CC components. This increases to the greenhouse-gas effect and leads to higher cost of the final product. Therefore, there is a vital need for other locally available materials with similar functions to partially or fully replace silica fume, quartz sand, or quartz powder, and thereby reduce the cement content in UHPC, while having comparable or better properties. In some countries, and Canada in particular, large quantities of glass cannot be recycled because of the high breaking potential, color mixing, or high recycling costs. Most waste glass goes into landfill sites, which is undesirable since it is not biodegradable and less environmentally friendly. In recent years, attempts have been made to use waste glass as an alternative supplementary cementitious material (ASCM) or ultra-fine aggregate in concrete, depending on its chemical composition and particle-size distribution (PSD). This thesis is based on a new type of ecological ultra-high-performance glass concrete (UHPGC) developed at the Université de Sherbrooke. The concrete’s design involved using waste glass of varying particle-size distributions obtained from cullets and optimizing the packing density of the entire material matrix. UHPGC can be designed with a reduced amount of cement (400–800 kg/m³), silica fume (SF) (50–220 kg/m³), quartz powder (QP) (0–400 kg/m³), and quartz sand (QS) (0–1200 kg/m³), while incorporating various waste-glass products: glass sand (GS) (0–1200 kg/m³) with an average mean diameter (d[subscript 50]) of 275 μm, a high amount of glass powder (GP) (200–700 kg/m³) with average diameter (d[subscript 50]) of 11 μm, a moderate content of fine glass powder (FGP) (50–200 kg/m³) with d[subscript 50] of 3.8 μm. UHPGC also contains steel fibers (to increase tensile strength and improve ductility) and superplasticizer (10–60 kg/m³) as well as having a water-to-binder ratio (w/b) as low as that of UHPC. Replacing cement and silica-fume particles with non-absorptive and smooth glass particles improves UHPGC rheology. Furthermore, using FGP as a SF replacement reduces the net total surface area of a SF and FGP blend. This decreases the net particle surface area, it reduces the water needed to lubricate particle surfaces and increases the slump flow at the same w/b. Moreover, the use of waste glass material in concrete leads to lower cumulative heat of hydration, which helps minimize potential shrinkage cracking. Depending on UHPGC composition and curing temperature, this type of concrete yields compressive strength ranging from 130 up to 230 MPa, flexural strength above 20 MPa, tensile strength above 10 MPa, and elastic modulus above 40 GPa. The mechanical performance of UHPGC is enhanced by the reactivity of the amorphous waste glass and optimization of the packing density. The waste-glass products in UHPGC have pozzolanic behavior and react with the portlandite generated by cement hydration. This, however, is not the case with quartz sand and quartz powder in conventional UHPC, which react at high temperature of 400 °C. The waste-glass addition enhances clogging of the interface between particles. Waste-glass particles have high rigidity, which increases the concrete’s elastic modulus. UHPGC also has extremely good durability. Its capillary porosity is very low, and the material is extremely resistant to chloride-ion permeability (≈ 8 coulombs). Its abrasion resistance (volume loss index) is less than 1.3. UHPGC experiences virtually no freeze–thaw deterioration, even after 1000 freeze–thaw cycles. After laboratory assessment, the developed concrete was scaled up with a pilot plane and field validation with the construction of two footbridges as a case study. The higher mechanical properties allowed for the footbridges to be designed with about sections reduced by 60% compared to normal concrete. UHPGC offers several economic and environmental advantages. It reduces the production cost of ultra-high-performance concrete (UHPC) by using locally available materials and delivers a smaller carbon footprint than conventional UHPC structures. It reduces the CO[subscript 2] emissions associated with the production of cement clinkers (50% replacement of cement) and efficiently uses natural resources. In addition, high amounts of waste glass cause environmental problems if stockpiled or sent to landfills. Moreover, the use of waste glass in UHPGC could save millions of dollars that would otherwise be spent for treatment and placing waste glass in landfills. Lastly, it provides an alternative solution to the construction companies in producing UHPC at lower cost.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usherbrooke.ca/oai:savoirs.usherbrooke.ca:11143/9451 |
| Date | January 2016 |
| Creators | Soliman, Nancy |
| Contributors | Tagnit-Hamou, Arezki |
| Publisher | Université de Sherbrooke |
| Source Sets | Université de Sherbrooke |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Thèse |
| Rights | © Nancy Soliman, Attribution - Pas de Modification 2.5 Canada, Attribution - Pas d’Utilisation Commerciale - Pas de Modification 2.5 Canada, http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/ca/ |
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