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Formulation et solidification par voie hydrothermale de charges minérales poreuses à base cimentaire : application aux matières premières secondaires, cas des sédiments de dragage portuaire

par Thomas, Pierre, Marie Lacombe

Projet de thèse en Génie Civil

Sous la direction de Nor-Edine Abriak et de Georges Aouad.

Thèses en préparation à l'Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai (IMT Lille Douai) , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille) depuis le 01-11-2016 .


  • Résumé

    Le dragage des sédiments est primordial pour maintenir les activités maritime et commerciale. De par leur nature et leur abondance, les sédiments de dragage portuaire apparaissent comme une ressource alternative minérale stratégique pour le domaine de la construction. Ce travail doctoral traite spécifiquement des sédiments de dragage portuaire du Grand Port Maritime de Dunkerque (GPMD). L’objectif de cette recherche, est de développer un béton cellulaire autoclavé (BCA) intégrant des sédiments GPMD, en substitution totale du sable quartzeux micronisé classiquement utilisé (de l’ordre de 70 % massique de la matrice solide). Après porogénèse et cure hydrothermale, la finalité technique est d’atteindre une performance minimale structurelle de 2 MPa, tout en associant une conductivité thermique dans la gamme de celle des BCA commerciaux. La méthodologie de formulation classique utilisée en industrie a été reproduite et adaptée à nos objectifs. Après définitions des choix et dosages des constituants, des conditions de précure et de cure hydrothermale, des matrices cellulaires cubiques 4x4 cm ont été systématiquement réalisées. La micronisation des sédiments GMPD à l’aide d’un broyeur à jet d’air à lit fuidisé, s’est révélée essentielle pour l’activation et l’enrichissement de la fraction quartzeuse. La détermination des concentrations en quartz par infrarouge sur l’ensemble des granulométries obtenues a favorisé l’obtention d’un ratio Ca/Si initial optimum. LE BCA a base de sédiments GMPD présente une résistance mécanique en compression de l’ordre de 3 MPa, équivalente à celles trouvées dans l’industrie à densité égale (0,5). Cette rigidité structurelle est obtenue grâce aux cristaux de tobermorite issues de la cure hydrothermale. L’évaluation de la macroporosité à l’aide d’un tomographe aux rayons X, a mis en exergue l’impact de la granulométrie du sédiment sur la distribution macroporale. La porosimétrie mercure souligne quant à elle, l’existence d’une relation entre le volume des pores mésogels et la résistance mécanique en compression. Un scale-up expérimental a été réalisé en laboratoire sur un dispositif autoclave semi-pilote (matrices cellulaires cubique 10x10 cm) et à partir d’une formulation optimisée judicieusement choisie. Les résultats physico-mécaniques sont confirmés (faible anisotropie, porosité, résistance mécanique et rigidité pariétale). Résultat remarquable, la conductivité thermique est de 0,084 W.m-1.K-1 pour une densité sèche de 0,45. Les analyses environnementales effectuées sur béton cellulaire autoclavé commercial et béton cellulaire autoclavé avec sédiments GMPD sont comparables. Avec une proportion de l’ordre de 300 kg de sédiments micronisés par mètre cube de matériau final (pour une densité sèche de 0,45), cette valorisation confère une forte valeur ajoutée aux sédiments étudiés. D’autant plus forte que le béton cellulaire autoclavé est un matériau à isolation répartie, et ne nécessite que 70 kg de ciment Portland dans le cas présent.

  • Titre traduit

    Formulation and hydrothermal solidification of porous mineral matrices : application to secondary raw ressources, case of dradging sediments


  • Résumé

    Sediment dredging is essential to keep a marine and commercial activity. Due to their nature and abundance, harbour dredged sediments appear as a strategic mineral alternative resource for the construction industry. This PhD work specifically deals with dredged sediments of the “Grand Port Maritime de Dunkerque” (below-mentioned GPMD). The aim of this research is to develop a autoclaved aerated concrete (ACC) integrating the GPMD sediments, as a total substitution of micronised quartz sand usually used in this application (equal about 70 % by mass of the solid matrix). After gas pores formation and hydrothermal curing, the technical purpose is to achieve a 2 Mpa minimum structural performance while associating a thermal conductivity in the range of commercial ACC. The classical formulation methodology used in AAC’s industry has been reproduced and adjusted to our objectives. After defining the choices and proportions of the components, the precure and hydrothermal cure conditions, 4 × 4 cm cubic cell matrices were systematically performed. The GPMD sediments micronisation with fluidized bed air jet mill has revealed to be essential for the activation and enrichment of the quartz fraction. Quartz concentrations have been determined by infrared analyses, leading to an optimum initial Ca/Si ratio. The GMPD sediment-based AAC has a compressive strength around 3 MPa, equivalent to those found in industry at equal density (0.5). This structural rigidity is achieved thanks to the tobermorite crystals resulting from the hydrothermal cure. The evaluation of macroporosity using an X-ray tomograph highlighted the impact of sediment grain size on the macropores distribution. Mercury porosimetry underlines the existence of a relationship between mesogel pore volume and compressive strength. An experimental scale-up was carried out in the laboratory on a semi-pilot autoclave device (10x10 cm cubic cellular matrices) and from an optimized formulation wisely chosen. The physical-mechanical results are confirmed (low anisotropy, porosity, mechanical resistance and parietal rigidity). In notable fact, the thermal conductivity is 0.084 W.m-1.K-1 for a dry density of 0.45. Environmental analyzes carried out on commercial AAC and GMPD sediments based AAC are comparable. With about 300 kg of micronized sediments per cubic meter of final material, this beneficial use confers a high added value to the studied sediments. Even more since autoclaved aerated concrete is a structural insulation material, requiring only 70 kg of Portland cement in the present case.