Abstract :
[en] Concrete is the most used building material in the construction industry, with a production estimated to be about 1 billion tons/year in the European Union. Natural aggregate (NA) is one of the main ingredients of concrete, whose production reached about 2.8 billion tons in Europe in 2017. It is today evident that natural aggregates and sand are becoming a scarce resource and their availability becomes therefore an important challenge.
Furthermore, environmental concerns regarding the construction industry have risen, particularly regarding CO2 emissions and waste production from construction and demolition activities (C&D Waste).
That’s why the construction industry needs to develop and implement processes able to incorporate recycled products into its building materials. Recycled Concrete Aggregates (RCA) produced from crushed C&DW as a replacement of natural aggregates is one of those solutions which has made it a thoroughly studied field.
RCA consist of coarse particles containing natural aggregates as well as residual cement paste which impairs negatively their properties compared to NA. Indeed, the use of RCA inside concrete increases the porosity and may therefore reduce its durability. The focus of this master thesis is to analyse the influence of RCA on transfer properties (water retention curves, permeability and porosity) and drying behaviour of concrete. Indeed, a better knowledge of those properties will help to determine the effect of RCA on the durability of concrete as water and vapour transfers are the necessary condition to observe degradation processes like carbonation, chloride ion diffusion or alkali-aggregate reaction.
A numerical model for drying phenomena of concrete samples with recycled aggregates is developed in this thesis. To support this modelling, an experimental programme with sorption and desorption tests as well as porosity and permeability determination, is implemented.
To better study the influence of the RCA alone, several concrete mixes are studied: a reference composition with natural aggregates and the same composition with RCA (same granulometric curve), a mix with natural aggregates but another cement type and, finally, a mortar without any aggregates. The three concrete compositions have the same paste content and type as it highlights the influence of the change of aggregates/cement type.
The modelling is performed with a nonlinear finite element software developed at the University of Liège (called Lagamine). It follows the theory of nonlinear finite elements modelling of flows in porous media and consists of a coupled thermo-hydraulic study of the material.
An application is also carried out in the form of an exterior parking lot's column subjected to real outdoor conditions: at constant and variable temperature, the relative humidity will vary between 40% and 95%, with multiple cycles of 6 months.
Results show that, as predicted, concrete made from Recycled Concrete Aggregates (RCA) is more porous than its Natural Aggregates (NA)-based counterpart. Its water absorption and intrinsic permeability are also superior than for regular concrete. In terms of water retention properties, both concretes are similar, with no significant differences.
The first indicator of durability measured in this thesis is the resistance to carbonation, which showed that concrete made from RCA is more prone to carbonation than concrete with NA.
Nota Bene: this master thesis has been performed during the COVID-19 period when lockdown was applied from March 19th to May 31st, 2020.
[fr] Le béton est le matériau de construction le plus utilisé dans l’industrie du bâtiment, avec une production estimée à environ 1 milliard de tonnes/an dans l’Union européenne. Les granulats naturels sont l’un des principaux ingrédients du béton, dont la production a atteint environ 2,8 milliards de tonnes en Europe en 2017. Il est aujourd’hui évident que les granulats naturels et le sable deviennent une ressource rare et leur disponibilité devient donc un défi important.
En outre, les préoccupations environnementales concernant l’industrie de la construction ont augmentées, notamment en ce qui concerne les émissions de CO2 et la production de déchets provenant des activités de construction et de démolition (déchets C&D).
C’est pourquoi l’industrie de la construction doit développer et mettre en œuvre des processus capables d’incorporer des produits recyclés dans ses matériaux de construction. Les granulats de béton recyclés produits à partir de déchets C&D broyés en remplacement des granulats naturels sont l’une de ces solutions qui en ont fait un domaine soigneusement étudié.
Les granulats de béton recyclés sont constitués de particules grossières contenant des agrégats naturels ainsi que des résidus de pâte de ciment qui modifient négativement leurs propriétés par rapport aux granulats naturels. En effet, l’utilisation de ces granulats recyclés à l’intérieur du béton augmente sa porosité et peut donc réduire sa durabilité. L’objectif de ce travail de fin d’étude est d’analyser l’influence des granulats recyclés sur les propriétés de transfert (courbes de rétention d’eau, perméabilité et porosité) et le comportement au séchage du béton. En effet, une meilleure connaissance de ces propriétés permettra de déterminer l’effet de ceux-ci sur la durabilité du béton car les transferts d’eau et de vapeur sont la condition nécessaire pour observer des processus de dégradation comme la carbonatation, la diffusion d’ions chlorure ou la réaction alkali-agrégats.
Un modèle numérique pour les phénomènes de séchage d’échantillons de béton avec des agrégats recyclés est développé dans ce travail. Pour soutenir cette modélisation, un programme expérimental comprenant des tests de sorption et de désorption ainsi que la détermination de la porosité et de la perméabilité, est mis en œuvre.
Pour mieux étudier l’influence des granulats recyclés seule, plusieurs mélanges de béton sont étudiés : une composition de référence avec des granulats naturels et la même composition avec les recyclés (même courbe granulométrique), un mélange avec des granulats naturels mais un autre type de ciment et, enfin, un mortier sans aucun granulat. Les trois compositions de béton ont la même teneur en pâte et le même type de pâte car elles mettent en évidence l’influence du changement de type de granulats/ciment.
La modélisation est réalisée à l’aide d’un logiciel d’éléments finis non linéaires développé à l’Université de Liège (appelé Lagamine). Il suit la théorie de la modélisation par éléments finis non linéaires des écoulements dans les milieux poreux et consiste en une étude thermo-hydraulique couplée du matériau.
Une application est également réalisée sous la forme d’une colonne de parking extérieur soumise à des conditions extérieures réelles : à température constante et variable, l’humidité relative variera entre 40 et 95%, avec de multiples cycles de 6 mois.
Nota Bene: ce travail de fin d’étude a été réalisé durant la période de COVID-19 pendant laquelle le confinement a été mis en place du 19 Mars au 31 Mai 2020.
