Université d'Artois Faculté des Sciences Appliquées de Béthune Thèse Cédric FLAMENT

244 Pages·2013·10.87 MB·French

Université d’Artois
Faculté des Sciences Appliquées de Béthune
Thèse
Pour obtenir le grade de
Docteur de l’université
Spécialité : Sciences pour l’ingénieur
Option : Génie Civil
Présentée par
Cédric FLAMENT

VALORISATION DES FINES DE LAVAGE DE GRANULATS : APPLICATION A LA
CONSTRUCTION EN TERRE CRUE

Le jury est composé de :
Mr AMZIANE Sofiane (Rapporteur)
Mr AUBERT Jean-Emmanuel (Rapporteur)
Mr WIRQUIN Eric (Directeur)
Mr DUBOIS Vincent (Co-encadrant)
Mr ANTCZAK Emmanuel (Examinateur)
Mme DHELLY Rose-Marie (Examinateur)
Mme SCHMID Christelle (Invité)
Mr RIZZA Michel (Invité)
Mme COLLET Florence (Invité)

Résumé
Les fines de lavage de carrières sont à l’heure actuelle peu valorisées. Pourtant, leurs
caractéristiques physiques font de ces fines une matière première intéressante pour le domaine
de la construction.
L’objectif de cette thèse est de développer la formulation de produits préfabriqués non
porteurs à base de fines de lavage, en considérant ces fines comme de la terre crue. Deux
catégories de produits préfabriqués sont visées : un produit dit « lourd » (brique de terre
comprimée) et un produit « léger » (carreau).
Pour la valorisation en BTC, une étude de compacité par essai Proctor a permis de cibler
la teneur en eau de fabrication et la masse volumique sèche à obtenir. Les performances
mécaniques des briques ont été améliorées par surcompactage, renforcement granulaire et
traitement au liant hydraulique.
L’étude de formulation du carreau a associé les fines de lavage et la chènevotte. La
consistance des mélanges à l’état frais a été étudiée avec le consistomètre VEBE. Les
performances mécaniques en flexion et en compression des mélanges fibrés ont été mesurées.
De la chaux et un superplastifiant ont été ajoutés dans la formulation pour satisfaire aux
conditions de tenue mécanique.
Les deux voies de valorisation ont été validées par mesures des performances physico-
mécaniques sur produits fabriqués à l’échelle industrielle. La formulation optimale de BTC
valorise près de 80% de fines de lavage et se classe dans la catégorie BTC 40 de la norme
expérimentale XP13-901 (brique faiblement capillaire et résistante à la projection en eau). La
formulation optimale de carreau se compose de 60% de fines de lavage, et répond aux
exigences mécaniques des carreaux de plâtre.
Mots clés : fines de lavage, valorisation, brique de terre comprimée, carreau, chènevotte

Abstract
Currently, few re-use ways are developed with clay fines from washing units in quarries.
However, these clayey fines represent interesting materials for construction domain.
This research work aims to develop non-load bearing precast products and to re-use these
fines without thermal treatment as for unfired clay products. Two types of precast products
are wished: a “heavy” product (compressed earth brick) and a “light” product (tile hemp-
clay).
For the CEB re-use way, the level of compaction has to be high. Proctor tests have been
done to define the moisture content and dry density to obtain. Mechanical performances of
bricks have been increased by overcompaction, granular reinforcement and lime treatment.
For the tile re-use way, mixes with quarry fines and hemp have been studied. The
behaviour of fresh material has been studied with VEBE consistometer. Flexural and
compression strengths have been measured on hardened mixes. Lime and water-reducing
agent have been necessary for a good mechanical behaviour.
The two re-use ways have been validated by measuring mechanical and physical
performances of products manufactured at industrial scale. The optimal mix for CEB
includes almost 80% of quarry fines. The CEB is classed in BTC40 category according to
experimental standard XP13-901 (brick with a low water absorption level and resistant to
water spray). The optimal mix for tile includes 60% of quarry fines and satisfies mechanical
requirements for gypsum blocks.
Keywords : Washing aggregates sludges, re-use ways, compressed earth brick, tile, hemp

SOMMAIRE

SOMMAIRE
INTRODUCTION GENERALE ................................................................ 23
Chapitre I. Etude bibliographique........................................................... 27
I.1 Les boues de lavage de carrière : sous-produit de l’industrie du granulat ......... 27
I.1.1 L’origine des boues de lavage de granulat ................................................... 27
I.1.1.1 L’exploitation des carrières ..................................................................... 27
I.1.1.2 Les sous-produits issus de la transformation des granulats ..................... 28
I.1.2 La valorisation des boues de lavage de granulat .......................................... 29
I.2 L’utilisation des terres argileuses non stabilisées dans le domaine de la
construction .......................................................................................................................... 30
I.2.1 Impact du domaine de la construction sur l’environnement ........................ 30
I.2.1.1 Le contexte et les enjeux .......................................................................... 30
I.2.1.2 L’évolution de la normalisation dans le domaine de la construction ...... 31
I.2.2 La construction en terre ................................................................................ 33
I.2.3 Les argiles .................................................................................................... 34
I.2.3.1 Définitions ............................................................................................... 34
I.2.3.2 La structure de base ................................................................................. 35
I.2.3.3 Les forces de liaison ................................................................................ 37
I.2.4 La caractérisation du matériau terre en construction.................................... 37
I.2.4.1 L’utilisation d’un fuseau de référence dans la construction en terre ...... 37
I.2.4.2 Caractérisation mécanique des matériaux ............................................... 39
I.2.4.3 Valeurs caractéristiques des matériaux crues .......................................... 40
I.2.4.4 Influence de la compaction de la terre sur les résistances en compression .
................................................................................................................. 40
I.2.4.5 Séchage de la terre ................................................................................... 41
I.3 L’augmentation des performances des matériaux argileux par la stabilisation ou
l’ajout de fibres .................................................................................................................... 42
I.3.1 Influence de la stabilisation au ciment sur le comportement des sols .......... 42
I.3.1.1 Modification de l’optimum Proctor par l’ajout d’un ciment Portland ..... 42
I.3.1.2 Influence de l’ajout de ciment sur la plasticité d’un sol argileux ............ 43
I.3.1.3 L’effet de l’ajout du ciment sur les performances mécaniques d’une terre
argileuse ................................................................................................................. 43
I.3.2 Influence de la stabilisation à la chaux sur le comportement des sols ......... 46
I.3.2.1 Le processus de carbonatation de la chaux .............................................. 46
I.3.2.2 L’utilisation de chaux dans la stabilisation des terres ............................ 47
I.3.2.3 Modifications physico-mécaniques des sols traités à la chaux ................ 48
I.3.3 Influence de l’ajout de fibres dans la terre ................................................... 54
I.3.3.1 Modification des teneurs en eau et masse volumique optimale .............. 54
I.3.3.2 Influence de l’ajout de fibre sur les résistances mécanique des terres .... 55

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SOMMAIRE

I.3.3.3 Influence de l’ajout de fibres sur le retrait des terres argileuses .............. 56
I.3.3.4 Influence de l’ajout de fibres sur la résistance thermique ....................... 56
I.4 Le béton de chanvre : Exemple d’un éco-matériau composite et innovant.......... 58
I.4.1 Principe du béton de chanvre ....................................................................... 58
I.4.1.1 La chènevotte ........................................................................................... 58
I.4.1.2 Le liant ..................................................................................................... 60
I.4.1.3 Paramètres pertinents à la fabrication du béton de chanvre .................... 63
I.4.1.4 Technique de fabrication du béton de chanvre ........................................ 63
I.4.2 Le comportement mécanique du béton de chanvre ...................................... 64
I.4.2.1 Détermination de la résistance en compression du béton de chanvre ..... 64
I.4.2.2 Détermination de la résistance en flexion du béton de chanvre .............. 67
I.4.2.3 Les paramètres d’influence des performances mécaniques du béton de
chanvre ................................................................................................................. 67
I.4.3 Le comportement thermique du béton de chanvre ....................................... 70
Chapitre II. Objectif et méthodologie ...................................................... 73
II.1 Objectifs de la thèse ............................................................................................. 73
II.2 Méthodologie ........................................................................................................ 74
II.2.1 Valorisation des fines de lavage en brique crue ........................................... 75
II.2.2 Valorisation des fines de lavage en carreau de terre crues ........................... 77
Chapitre III. Etude de formulation d’une BTC à base de fines de
lavage de granulats ............................................................................................ 81
III.1 Méthodologie d’essais ...................................................................................... 81
III.1.1 Fabrication et caractérisation des cylindres en laboratoire ...................... 81
III.1.2 Fabrication et caractérisation des briques de terre comprimée ................ 82
III.1.2.1 Fabrication des BTC ............................................................................. 82
III.1.2.2 Résistance à la compression sur briques de terre comprimée ............... 84
III.1.2.3 Résistance à l’abrasion des briques de terre comprimée ....................... 85
III.1.2.4 Résistance à la remontée capillaire des briques de terre comprimée .... 85
III.2 Performances des FAC dans une formulation de type BTC ............................. 86
III.2.1 Caractérisation physique des FAC ........................................................... 86
III.2.1.1 Composition minérale et chimique ....................................................... 86
III.2.1.2 Granulométrie ....................................................................................... 87
III.2.1.3 Caractéristiques physiques .................................................................... 88
III.2.2 Caractérisation mécanique des FAC ........................................................ 89
III.2.2.1 Choix de la matière ............................................................................... 89
III.2.2.2 Influence du temps de malaxage sur la granulométrie des FAC07 ....... 91
III.2.2.3 Influence du temps de malaxage des FAC07 sur la résistance en
compression des cylindres ............................................................................................ 94
III.2.2.4 Influence de l’augmentation de la masse volumique sèche sur la
résistance en compression. ........................................................................................... 95
8
SOMMAIRE

III.2.2.5 Absorption d’eau par capillarité des cylindres de FAC07 .................... 96
III.2.2.6 Séchage des cylindres à base de FAC07 ............................................... 97
III.2.2.7 Résistance en compression des BTC à base de FAC07 ........................ 97
III.2.2.8 Résistance à l’abrasion des BTC à base de FAC07 .............................. 98
III.2.2.9 Résistance à la remontée d’eau par capillarité des BTC à base de
FAC07 ............................................................................................................... 99
III.2.2.10 Séchage des briques à base de FAC07 ................................................ 99
III.2.2.11 Conclusions ....................................................................................... 100
III.2.3 Caractérisation des mélanges FAC07 + sable ........................................ 101
III.2.3.1 Le choix du sable ................................................................................ 101
III.2.3.2 Influence de l’ajout de sable sur l’optimum Proctor des FAC07 ........ 102
III.2.3.3 Influence du temps de malaxage des FAC07 + sable sur la résistance en
compression des cylindres .......................................................................................... 103
III.2.3.4 Influence de l’augmentation de la masse volumique sèche sur la
résistance en compression. ......................................................................................... 104
III.2.3.5 Absorption d’eau par capillarité des cylindres de FAC07+ sable ....... 105
III.2.3.6 Résistance en compression des BTC à base de FAC07 + sable ......... 106
III.2.3.7 Résistance à l’abrasion des BTC à base de FAC07 + sable ................ 107
III.2.3.8 Résistance à la remontée d’eau par capillarité des BTC à base de
FAC07 ............................................................................................................. 108
III.2.3.9 Séchage des briques à base de FAC07 et sable ................................... 109
III.2.3.10 Conclusions ....................................................................................... 110
III.2.4 Caractérisation des mélanges FAC07 + chaux ....................................... 110
III.2.4.1 Le choix de la chaux et méthodologie d’essais ................................... 110
III.2.4.2 Influence de l’ajout de chaux sur l’optimum Proctor des FAC07 ...... 111
III.2.4.3 Influence de l’ajout de chaux sur les résistances en compression des
cylindres à base de FAC07 + chaux ........................................................................... 112
III.2.4.4 Absorption d’eau par capillarité des cylindres de FAC + chaux ........ 114
III.2.4.5 Résistance en compression des BTC à base de FAC07 + chaux ........ 115
III.2.4.6 Résistance à l’abrasion des BTC à base de FAC07 + chaux .............. 116
III.2.4.7 Résistance à la remontée d’eau par capillarité des BTC à base de
FAC07 + chaux .......................................................................................................... 117
III.2.4.8 Conclusions ......................................................................................... 118
III.2.5 Caractérisation des mélanges FAC07 + sable + chaux .......................... 119
III.2.5.1 Influence de l’ajout de chaux et de sable sur l’optimum Proctor ........ 119
III.2.5.2 Influence de l’ajout de sable et de chaux sur les résistances en
compression des cylindres à base de FAC07 + sable + chaux .................................. 119
III.2.5.3 Influence de l’augmentation de la masse volumique sèche sur la
résistance en compression des cylindres. ................................................................... 121
III.2.5.4 Absorption d’eau par capillarité des cylindres de FAC + sable + chaux ..
............................................................................................................. 122
III.2.5.5 Résistance en compression des BTC à base de FAC07 + sable + chaux ..
............................................................................................................. 122
III.2.5.6 Résistance à l’abrasion des BTC à base de FAC07 + sable + chaux .. 123
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SOMMAIRE

III.2.5.7 Résistance à la remontée d’eau par capillarité des BTC à base de
FAC07 + sable + chaux .............................................................................................. 124
III.2.5.8 Conclusions ......................................................................................... 126
III.3 Etude mécanique et thermique d’un empilement de BTC .............................. 127
III.3.1 Etude du mortier terre ............................................................................ 127
III.3.1.1 Fabrication du mortier ......................................................................... 127
III.3.1.2 Consistance du mortier terre par table à secousses ............................. 128
III.3.1.3 Résistance à la flexion des éprouvettes prismatiques ......................... 128
III.3.1.4 Résistance à la compression du mortier de maçonnerie ..................... 129
III.3.2 Essais sur muret de brique de terre comprimée ...................................... 130
III.3.2.1 Fabrication des murets de maçonnerie pour essais mécaniques et
thermiques ............................................................................................................. 130
III.3.2.2 Résistance en compression de muret de BTC ..................................... 131
III.3.2.3 Mesure de la conductivité thermique du muret ................................... 132
III.3.2.4 Mesure de la capacité thermique du muret ......................................... 133
III.3.2.5 Mise en place des fluxmètres sur le muret de BTC ............................ 134
III.3.3 Résultats des essais sur le mortier de terre ............................................. 134
III.3.3.1 Formulations des mortiers étudiés ...................................................... 134
III.3.3.2 Résistance en flexion des mortiers de terre ......................................... 135
III.3.3.3 Résistance en compression sur les mortiers à base d’AC ................... 136
III.3.3.4 Mesure de retrait des éprouvettes de mortier ...................................... 137
III.3.3.5 Conclusions de l’étude mécanique sur mortier ................................... 137
III.3.3.6 Ouvrabilité du mortier de terre ............................................................ 138
III.3.4 Résistance en compression des murets de BTC ..................................... 139
III.3.5 Caractéristiques thermiques du muret de BTC....................................... 141
III.4 Conclusions de l’étude des BTC ..................................................................... 142
Chapitre IV. Valorisation des fines de lavage dans la formulation d’un
carreau de cloison de distribution.................................................................. 144
IV.1 Présentation ................................................................................................... 144
IV.2 Etude des AC à fluidité importante ................................................................ 145
IV.2.1 Influence de la teneur en eau sur l’étalement des AC à la table à secousses
................................................................................................................ 145
IV.2.1.1 Fabrication des barbotines d’AC ........................................................ 145
IV.2.1.2 Consistance de la barbotine à la table à secousse ............................... 146
IV.2.2 Résultats ................................................................................................. 147
IV.2.3 Etude mécanique des AC à teneur en eau élevée ................................... 148
IV.2.3.1 Retrait des AC ..................................................................................... 148
IV.2.3.2 Etude du retrait des mortiers à base d’AC .......................................... 148
IV.2.4 Conclusion .............................................................................................. 149
IV.3 Influence de l’ajout de chènevotte sur le comportement des AC ................... 150
IV.3.1 Caractérisation de la chènevotte ............................................................. 150
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