Performances mécaniques et durabilité du béton incorporant les déchets miniers du charbon(CMWGS)

Mechanical and durability performance of concrete incorporating Coal MiningWaste Geomaterials (CMWGs)

• Auteur / Autrice : Oumayma Aboutaybi
• Direction : Albert Noumowe, Boyuan Yang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil - Cergy
• Date : Soutenance le 06/12/2024
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique et matériaux du génie civil (Cergy-Pontoise, Val d'Oise ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Ahmed Loukili
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Albert Noumowe, Boyuan Yang, Hélène Carré, Yun Jia, Myriam Duc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hélène Carré, Yun Jia
• DOI : 10.70675/a710777bz91e3z4dd2zb777z3a8cdc8b7359

Mots clés

Mots clés libres

Béton

Déchets miniers de charbon

Durabilité

Concrete

Durability

Coal Mining Waste Geomaterials

Résumé

Plus de 50 millions de tonnes de déchets miniers de charbon (CMWs) sont générées et stockées dans la nature chaque année en Pologne. Or, l'exposition de ces déchets aux conditions atmosphériques entraîne du drainage acide minier et la production de CO2. L'objectif de notre recherche est d'étudier la faisabilité d'utiliser les CMWs comme substitut aux granulats naturels dans le béton et le mortier. Notre étude porte à la fois sur la caractérisation des propriétés des CMWs et sur l'analyse des performances du béton / mortier à court et à long terme. L'effet de la teneur en CMWs sur la résistance à la compression, la résistance à la traction par fendage et la flexion, la densité du béton à l'état durci, l'absorption d'eau, la porosité et la durabilité ont été analysé. Il a été montré expérimentalement que la résistance du mortier diminue avec l'incorporation des sables miniers CMWS. Néanmoins, l'ajout des déchets n'affecte pas significativement l'ouvrabilité des mortiers à l'état frais. Les résultats expérimentaux ont également montré que les performances mécaniques des bétons incorporant les CMWs restent dans des limites acceptables pour des applications non structurelles. Les résistances à la compression, à la flexion et à la traction par fendage du béton ont déminué proportionnellement au taux et au type de substitution (sable ou gravillons). Les résultats des essais de durabilité des bétons incorporant des CMWs ont montré d'une part, une augmentation de la porosité et une réduction de la résistance à la compression, en particulier pour des taux élevés de substitution en gravillons CMWG sous le vieillissement du béton par des cycles de gel-dégel. D'autre part, les essais de pénétration des ions chlorure et de carbonatation ont montré une perméabilité accrue aux ions chlorure, et une plus grande profondeur de pénétration du CO₂, ce qui favorise la corrosion des armatures métalliques et réduit la durabilité des structures en béton armé. Cependant, la substitution de granulats CMW à faible pourcentage (moins de 30 %) limite la diffusion des chlorures et la pénétration de CO2 à un niveau comparable à celui des bétons ordinaires. Les analyses microstructurales (MEB/ EDX) et les analyses chimiques (FTIR) ont confirmé que l'incorporation de CMW entraîne une augmentation notable des pores et de leurs connectivités, ce qui facilite la pénétration de CO2 et Cl- dans la structure du béton. Enfin, il a été montré que la résistivité électrique présente un indicateur fiable des performances de durabilité des bétons incorporant des CMW. Une forte corrélation a été observée entre la résistivité électrique et la perméabilité aux ions chlorures et à la carbonatation.

Over 50 millions tons per year of coal mine wastes (CMWs) are produced and stored in various locations in Poland. Exposure of these waste materials to atmospheric conditions leads to the formation of acid mine drainage and CO2 production. The objective of this research work is to study the feasibility of using CMWs as a substitute for natural aggregates in concrete and mortar, based on the characterization of coal mining waste properties, as well as the short-term and long-term properties of concrete/mortar. The effect of CMW content on compressive strength, splitting tensile strength, flexural strength, hardened density, water absorption, porosity, and durability was analyzed. It has been experimentally proven that mortar strength decreases with the incorporation of CMW sand. However, the addition of these waste materials does not significantly affect the workability of fresh mortars. The results also showed that the mechanical performance of concrete incorporating CMWs remains within acceptable limits for non-structural applications. The reduction in compressive, flexural, and splitting tensile strength is proportional to the substitution rate and type (sand or gravel). showed, on one hand, an increase in porosity and a reduction in compressive strength, especially for high substitution rates of CMWG gravel under freeze-thaw aging cycles. On the other hand, chloride ions penetration and carbonation tests showed increased chloride permeability and greater CO₂ penetration depth, which promotes the corrosion of steel reinforcement and reduces the durability of reinforced concrete structures. However, the use of CMW aggregates at low percentages (less than 30%) limits chloride diffusion to a level comparable to that of conventional concrete. Microstructural analyses (SEM/EDX) and chemical analyses (FTIR) confirmed that the incorporation of CMW leads to a significant increase in pore size and connectivity, which facilitates the penetration of CO₂ and Cl⁻ into the concrete structure. Additionally, it was shown that electrical resistivity is a reliable indicator of the durability performance of concrete incorporating CMW. A strong correlation was observed between electrical resistivity and permeability to chloride ions and carbonation.