Recycler bétons et sédiments pour créer de nouveaux matériaux

Comment faire face aux besoins en matériaux de construction tout en respectant l’environnement ? Le recyclage pourrait être la solution, mais il n’est pas encore facile de créer des matériaux performants et éco-respectueux à partir de nos déchets. A l’occasion du colloque Ressources Naturelles et Environnement, qui s’est tenu les 5 et 6 novembre 2014 à l’Institut Mines-Télécom, Vincent Thiéry, chercheur à Mines Douai, a présenté deux aspects des recherches développées au département « Génie civil et environnemental » pour concevoir ces bétons de demain.

Il est de plus en plus difficile de trouver des matières premières de qualité pour fabriquer des matériaux comme le béton. Parallèlement, nous produisons toujours plus de déchets dont nous ne savons que faire – sous-produits industriels, bétons issus de la rénovation ou de la destruction de bâtiments ou encore sédiments qui bouchent ports et canaux. Vincent Thiéry et ses collègues travaillent donc à la conception des matériaux alternatifs, de type bétons et ciments, à partir de ces nouvelles matières premières au potentiel encore peu connu : « D’une part, on produirait moins de déchets, et d’autre part, on serait moins amené à prélever des ressources naturelles. »

Valoriser les sédiments et les vieux bétons

« Nous avons la vocation de faire des matériaux de performance et respectueux de l’environnement. Cela passe notamment par du recyclage, en incorporant un certain nombre de déchets dans ces matériaux. » Les sédiments sont récupérés en draguant les ports et les canaux tous les 10 à 20 ans et représentent des tonnages conséquents. Une filière qui se prête bien à leur valorisation est celle des matériaux de construction : « On va pouvoir essayer de les incorporer pour faire des routes, des bétons type préfabriqués (couler des cubes de béton ou des bétons de mobilier urbain), des buttes paysagères, des remblais, des granulats artificiels pour consolider les plages. » Une autre piste est celle des granulats de bétons recyclés. 300 millions de tonnes de déchets de construction et de démolition sont produites chaque année, ils peuvent être réutilisés comme granulats pour la fabrication du béton, bien que ce granulat ait besoin de beaucoup plus d’eau qu’un béton traditionnel. Mieux, « certains sous-produits et déchets industriels, typiquement issus de l’industrie de l’acier, sont des ressources dans l’industrie du ciment : en les incorporant, ils permettent d’obtenir des performances intéressantes, telles qu’une résistance à l’eau de mer ou une bonne résistance mécanique. »

Les défis du recyclage : des formulations durables

Granulat de béton recyclé (diamètre : environ 1 cm). En noir : un granulat naturel. En gris : de la pâte de ciment. Ces deux composants présentent des comportements différents lors de leur intégration dans un nouveau béton, il faut donc les caractériser et les quantifier correctement.

« Il se pose des enjeux scientifiques et techniques du point de vue de la durabilité. » Les sédiments dragués contiennent des métaux lourds et des polluants organiques, qui ne doivent pas être relâchés dans l’environnement : il faut donc s’assurer de la stabilisation des matériaux recyclés. « Un béton mal fait peut développer un certain nombre de pathologies — qui se manifesteront sous la forme de gonflements, d’écaillage, ou d’effritement — et n’est plus apte à avoir l’usage pour lequel il a été prévu. » Une pathologie très connue, la réaction alcali-silice, est l’un des thèmes d’expertise du département « Génie civil et environnemental » (GCE) depuis une quinzaine d’années. Tous les granulats ne sont pas à l’origine de cette pathologie, mais pour certains, une minéralogie particulière doit faire l’objet d’études approfondies pour s’assurer qu’ils ne réagissent pas. « Un jour ou l’autre, on n’aura plus le choix, il faudra trouver des possibilités pour les utiliser quand même. La chance, c’est qu’un certain nombre de déchets industriels permettent de valoriser des granulats qui risqueraient de générer des pathologies. »

Un exemple de microscopie appliquée aux matériaux cimentaires : lame mince de béton. Les composants colorés sont des granulats ; le noir est la pâte de ciment. L’utilisation de la microscopie optique traditionnelle (lames minces pétrographiques) permet de contraster les différents composants et donc facilite leur identification.

Trouver la bonne formulation de béton correspondant à l’usage que l’on veut en faire passe donc d’abord par de la recherche amont. « Il faut faire une caractérisation extrêmement fine du granulat recyclé avant de pouvoir l’incorporer dans un nouveau béton. » Vincent Thiéry travaille à la caractérisation des matériaux, qu’ils soient naturels ou recyclés ; c’est-à-dire l’observation microscopique et l’interprétation de l’agencement et de la nature des minéraux qui les composent. « On sait que dans certains granulats, il va falloir aller chercher tel type de minéral, sous telle forme, pour savoir si le béton risque de développer une pathologie. »

Le laboratoire a également développé une méthode expérimentale basée sur la dissolution de la pâte de ciment durcie dans l’acide salicylique pour mesurer le taux de ciment dans un béton recyclé. Il dispose aussi d’un pôle de caractérisation mécanique et d’un pôle de simulation numérique.

Des partenariats pour aller de la recherche fondamentale à la recherche appliquée

La Chaire industrielle EcoSed (Économie circulaire des sédiments), lancée en avril 2014 par Mines Douai, va mener sur 5 ans une recherche partenariale en vue de la gestion des sédiments de dragage (ports, canaux). Les tonnages sont conséquents, de l’ordre de 50 millions de tonnes par an à l’échelle de la France. « Elle reprend des aspects plus fondamentaux, comme la caractérisation des sédiments, pour aller vers des aspects extrêmement pratiques et appliqués » : développer des matériaux, améliorer les connaissances sur les bétons à base de sédiments, améliorer les connaissances de leur comportement en géotechnique routière, etc. C’est l’un des projets phares de l’activité du département GCE. Il participe également au projet national Recybéton, qui étudie l’utilisation de matériaux issus de sites de recyclage de béton dans des expérimentations en laboratoire et sur des chantiers expérimentaux.

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