Valorisation des fibres métalliques issues des déchets pneumatiques dans les matériaux de construction

VALORISATION DES FIBRES METALLIQUES ISSUES DES DECHETS PNEUMATIQUES DANS LES MATERIAUX DE CONSTRUCTIONS EN ZONES SAHARIENNES

VALORISATION DES FIBRES METALLIQUES ISSUES DES DECHETS PNEUMATIQUES DANS LES MATERIAUX DE CONSTRUCTIONS EN ZONES SAHARIENNES
BELFERRAG A.(*) KRIKER A.(*) KHENFER E. ()
(*)Laboratoire EVRNZA Université KASDI Merbah de Ouargla
(
)Université de Laghouat
Email : belallaoua67@yahoo.fr
RESUME
L'expansion et le développement des zones industrielles et pétrolières qu'a connu l'Algérie surtout avec l'avènement du marché libre; ont fait que le parc roulant national est devenu assez important. Notamment la zone de Ouargla où cette étude a été réalisée ; connue par une activité industrielle faramineuse en particulier dans le domaine d'hydrocarbure; engendrant ainsi une grande quantité de déchets industriels, entre autres les déchets pneumatiques qui sont hélas laissés à l'abandon, formant ainsi une source de nuisance à l'environnement.
D'autre part les constructions dans les zones sahariennes présentent des déficiences en terme de résistance et de fissuration, à cause de l'écart de température qui sévisse dans ces régions. Le renforcement des constructions par des fibres peut offrir des solutions à ces anomalies. Delà l'extraction des fibres métalliques des pneus usés et leurs utilisations dans le renforcement des constructions peuvent contribuer à l'amélioration des performances mécaniques et rhéologiques, ainsi qu'à la préservation de l'environnement.
L'objectif de cette communication est de contribuer à la valorisation des ces déchets dans le domaine de la construction.
Dans laquelle seront présentées les caractéristiques mécaniques des fibres métalliques issues de pneus usés, ainsi que certaines caractéristiques mécaniques et rhéologiques des bétons de sable renforcés par ces fibres.
A l'issu des résultats obtenus, nous avons constaté que le renforcement des bétons de sable par des fibres à améliorer d'une manière significative ces performances mécaniques et rhéologiques. D'autre part la valorisation de ces déchets peut s'avérer fort utile quant à la préservation de l'environnement.
Mots clés: Fibres Métalliques, Béton de Sable, Pneus Usés, Valorisation, Résistance, Retrait
I. INTRODUCTION
La mise au point des produits composites renforcés de fibres dans les secteurs de la construction civile ou maritime dans la fabrication des automobiles et l'aérospatiale est autres, à offert l'opportunité de surpassé certains difficultés qui ont demeurés un obstacle devant l'évolution des caractéristiques, mécaniques ou techniques des matériaux.
Devant cet exploit, les chercheurs, de par le monde est jusqu'à aujourd'hui, tentent d'utiliser des fibres de différentes natures et caractéristiques pour paré à certaines lacunes qui demeurent un handicap devant la vulgarisation de leurs utilisations surtout dans le domaine de génie civil.
A cet effet, différents types de fibres sont utilisées dans les matériaux de constructions afin de remédier à certaines anomalies, dans le but d'une amélioration des performances mécaniques rhéologiques de ce dernier.
Mais après tout, cette nouvelle technique doit présenter un défi pour s'imposer dans le monde des marchés. Non seulement sur le plan technique, mais en tenant compte de l'économie (coût) qui est un paramètre préférentiel de la majorité des partenaires.
De ce fait, l'idée d'une valorisation des déchets industriels devient nécessaire est inévitable pour produire à la fois des fibres à prix concurrentiels et participer au développement et la protection de l'environnement qui est devenue le souci de toute la planète, notamment pour les pays émergeants du tiers monde qui possèdent une multitude de déchets industriels. De ce fait notre pays L'Algérie est parmi ces pays qui dispose d'énormes gisements en déchets pneumatiques qui peuvent être utilisés dans la production des fibres.
II. LES DIFFERENTS TYPES DE FIBRES UTILISEES DANS LE RENFORCEMENT DES MATERIAUX DE CONSTRUCTIONS
Plusieurs variétés de fibres sont actuellement sur le marché selon leurs natures et leurs caractéristiques; on les trouve sous des formes et des dimensions diverses.
Parmi les fibres les plus utilisées dans le renforcement des matériaux dans le domaine de génie civil et les travaux publics on peut citer les principales : Les fibres polypropylène, d'amiantes, de carbone, de verres, végétales et métalliques.
a)- Les fibres de polypropylènes :
Le polypropylène est un polymère cristallisable de la famille des polyoléfines, découvert en 1954. Ils sont obtenus suivant le processus d'extrusion, étirage qui confère une orientation prépondérante aux molécules et qui engendre les propriétés mécaniques élevées. [1]
b)- Les fibres d'amiantes :
Ce sont des silicates hydratés de magnésium, parfaitement compatible avec la pâte de ciment, elle possède une bonne résistance à la traction est un module d'élasticité élevé, ce sont des fibres bon marchés.
Mais ces derniers présentent un inconvénient, ils se repartissent difficilement dans les mortiers ou les bétons [1]. Ainsi que des études récentes ont conclu que leurs utilisations présente un sérieux danger pour la santé humaine.
c)- Les fibres de carbone :
Les fibres de carbone forment une grande variété, ils sont élaborés à partir d'un polymère de base appelé précurseur (fibres orientées et réticulées).
Suivant l'origine de ce dernier, on distingue les fibres de carbone élaborées à partir de :
d)- Les fibres de verres:
Les fibres de verres sont élaborées par fibrage du verre fondu à travers des filières, sortes de bacs réalisés en alliage platine-rhoduim, et percés à leurs bases d'orifices calibrés. Le verre fondu est maintenu dans les filières, chauffées à 1250°C. A cette température, la viscosité du verre permet un écoulement par gravitation à travers les orifices. Ils sont produits à partir d'un verre filable appelé verre textile composé de silice, alumine, chaux, magnésie, etc. Ces produits coûteux, associés à des procédés assez simples d'élaboration, confèrent aux fibres de verre un excellent rapport performance/prix qui les place de loin au premier rang des renforts utilisés actuellement dans les matériaux composites. [2]
e)- Les fibres végétales :
Les fibres végétales sont des fibres naturelles destinées, comme les autres types de fibres, à améliorer les caractéristiques mécaniques du béton à la traction et à la déformation en s'opposant à sa fragilité. Ils existe une grande variété de fibres végétales dont on peut citer :
Le sisal, la jute, le coir (fibre de caco), bois, bambou et le palmier.
g)- Les fibres métalliques :
La fibre métallique est la fibre commercialement la plus vendue, et bien sûr disponible sous des formes et dimensions les plus variées. Ces fibres présentent un module d'élasticité de 210 (GPa), une masse volumique de 7.85t/m³ et une résistance à la traction de 1 à 2 (GPa). Elles existent sous diverse forme et longueurs.
L'élancement est souvent compris entre 30 et 150 pour une longueur allant de 6.4 à 76 mm. Le pourcentage volumique de fibres métalliques dans le béton varie de 0.3 à 3%. L'optimisation du pourcentage de fibres, de la longueur et de la forme a donné lieu à de nombreuses études. [3]
III. CARACTERISTIQUES DES FIBRES METALLIQUES ISSUES DE L'INCINERATION DES PNEUS USES
Nous avons effectués des essais qui nous en permet de caractériser les fibres métalliques issues de l'incinération des pneus usés comme suit :
III.1. Incinération des pneus et extraction des fibres :
Au premier lieu nous avons procédé au collecte des pneus usés, est cela au près de la zone industrielle de Hassi Messaoud. Après vient la deuxième étape concernant l'opération de l'incinération des pneus afin d'extraire les fils métalliques constituant l'armature des pneus, Une fois l'opération terminée on attend jusqu'a ce que la température baisse, à ce moment en passe à l'opération la plus importante qui consiste à récupérer les fils métalliques, on les fasse assembler sous forme de faisceaux pour enfin, les coupés selon les longueurs voulues.
III.2. Caractéristiques mécaniques de la fibre utilisée :
a) Masse volumique absolue :
Cet essai est réaliser sur dix (10) échantillons, nous avons trouvé que a est celle d'un acier normal a = 7850 Kg / m³.
b) Charge de rupture à la traction :
Les essais de ruptures des fibres ont été réalisés à l'aide d'une machine appelé FRANK Machine d'essai de traction 85649. Elle est munie de dispositif pour la mesure mécanique de la force et de l'allongement. La précision du système de mesure de la force est de ±1% à partir d'un dixième du domaine de mesure de la force respectif selon DIN 51221, classe1.
La première phase consiste à mesurer le diamètre exacte ainsi que les longueurs des fils, dans ce cas nous avons choisi des fils de diamètres (D1 = 0.9mm, D2 = 0.28mm) et de longueurs respectives L1= 10cm, L2 =14cm et L3 = 18cm.
Les figures (1, 2, 3,4), présentent les résultats des essais.

A partir des valeurs des forces aux ruptures en traction correspondant respectivement à L1=10, L2=14 et L3=18cm, (fig-1-), nous avons déduit les valeurs des forces aux ruptures FR1 et FR2 en (N) correspondant respectivement à Lf = 30 et 60 mm.
FR1 = 567,50 N ;
FR2 = 540,00 N.
Ensuite, à partir des valeurs des allongements, nous déduisons les valeurs des déformations, et à partir des forces moyennes nous obtenons les contraintes moyennes, ainsi nous pouvons tracer la courbe (contrainte-déformation). Permettant de déduire la valeur du module de déformation suivant la formule :
tg! = E = (" / #).............................................(3.8)
E : Module de déformation ;
" : Résistance de traction ;

  1. : Déformation.

A partir de la (fig-2-), nous avons déterminé le module de déformation de la fibre de diamètre D1= 0.90, le tableau-1- présente les caractéristiques physiques et mécaniques de la fibre utilisée

De la même manière que précédemment, à partir de la (fig-3-), nous avons déduit la valeur de la force F(N) correspondant à L = 40 mm ; FR3 = 55.50 N.

De la même manière que précédemment, nous déterminons les valeurs de déformations et des contraintes moyennes pour déduire la valeur du module de déformation.

A partir de la (fig-4-), nous avons déterminé le module de déformation de la fibre de diamètre D2= 0.28, le tableau-2-, présente les caractéristiques physiques et mécaniques de la fibre utilisée.

IV. CARACTERISTIQUE MECANIQUE DES BETONS DE SABLE RENFORCES PAR FIBRES METALLIQUES
IV.1. Modalités d'essai :
Généralement les bétons sont classés selon leurs résistances à 28 jours. Cette dernière est souvent influencé par plusieurs facteurs entre autres le rapport E/C, le dosage et la classe de ciment, la nature et les proportions des granulats, les conditions climatiques et de mise en oeuvre sans oublier l'influence des ajouts (Fillers, Fibres,…) . La mesure de la résistance se fait par les essais de flexion et de compression permettant de déterminer la contrainte de rupture par flexion et la contrainte de rupture à la compression du béton de sable ou de mortier.
IV.1.1. Essai de rupture par flexion :
Cet essai est établi suivant la norme EN 196-1. Un dispositif à rouleau utilisé en flexion (3points), (Fig-5-) comportant deux appuis à rouleau distant de 100 ou 106.7mm sur lesquels repose l'éprouvette prismatique 40x40x160mm, et un troisième rouleau équidistant des deux premiers, transmettant une charge concentrée Ff [4].

Rf = (1.50 . Ff . l ) / b³ …………….………(4.1)
Rf : résistance à la flexion en (Mpa);
Ff : charge de rupture de l'éprouvette en flexion (N);
l : longueur qui sépare les deux appuis en (mm);
b : côte de l'éprouvette est égal à 40mm;
L : longueur totale de l'éprouvette.
IV.2. Confection des éprouvettes et conditions de conservation :
Cette étude est menée sur des éprouvettes prismatiques (40x40x160mm). Les pâtes sont préparées à la main, la procédure de mélange à été faite de la manière suivante :
Malaxage du sable sec (S) pendant une durée de 30 secondes;
Introduction du ciment puis malaxage pendant 60 secondes;
Incorporation des fibres métalliques par petites quantités tout en malaxant pour permettre aux fibres de se répartir d'une façon homogène dans le mélange (S) + (C) + (F);
Ajout de la quantité d'eau nécessaire mélangée avec un super plastifiant, puis malaxage de l'ensemble (S) + (C) + (F) + (E) + (P) durant 3mn.
Le remplissage des moules est réalisé en deux couches avec vibration pour chaque couche. Les éprouvettes sont conservées à l'air libre aux conditions (T = 25°C, HR =
65%), puis démoulées au bout de 24 heures et plongées dans l'eau pendant une durée de 14 jours aux conditions (T = 25±2°C); ensuite les éprouvettes sont retirées de l'eau et exposées à l'air libre du laboratoire aux conditions (T = 30±5°C, HR = 40±10%), jusqu'à la date d'essai. Le nombre d'éprouvettes par essai et par échéance est de six (06), les éprouvettes sont préparées à différentes échéances (28, 90,180) pour subir l'essai.
Il est a indiqué que les essais ont été réalisé durant les mois d'été (Juin, Juillet, Août); afin de mettre en évidence l'influence des fibres sur les matériaux en climat chaud et sec.
IV.3. Essai de traction par flexion :
Cet essai est exécuté par une machine désignée pour les tests de flexion, sur les éprouvettes de béton de sable ou de mortiers 40x40x160mm, elle comprend un taux de chargement constant de 2.67 KN/mn, et une capacité maximale de 10 KN.
IV.3.1. Résultats de la résistance à la flexion du BSFM (CPJ 32.5):
Les figures (6,7,8) présentent les résistances à la flexion du BSFM.

IV.3.2. Discussion des résultats de la résistance à la flexion du BSFM (CPJ 32.5) :
Une fois que nous ayons achevé la compagne d'essais de flexion, avec comme objectif l'étude de l'influence des caractéristiques géométriques et de la nature des fibres sur la résistance à la flexion. Les figures (6,7,8), montrent qu'il y'a effectivement une amélioration de la résistance à la flexion du béton de sable renforcés par les fibres métalliques par rapport au béton témoin; cette résistance à la flexion est proportionnelle, comme dans notre cas aux caractéristiques géométriques, du moment que les fibres sont de même nature; de ce fait la figure - 6-, montre que le béton de sable est peu influencé par la présence des fibres de dimensions respectifs Lf =30mm, Dmoy =1mm). Toute fois nous signalons une augmentation de l'ordre de 9 à 10%, avec des dosages respectifs de 1 et 1.5% de fibres en volume, et à l'âge de 180 jours. Mais quant à l'influence du taux de fibres incorporées, nous remarquons d'après les résultats obtenus qu'il n'y a pas d'influence palpable sur la résistance à la flexion. Maintenant pour la fibres de longueur (Lf =60mm), et de même diamètre que la précédente, la figure -7-, montre une augmentation de la résistance à la flexion du BSFM par rapport au béton témoin, qui à notre avis significative, de l'ordre de 17 à 21%, sachant que seul le facteur longueur de la fibre à changer par rapport à la précédente. Delà, en effet, nous constatons que lorsque la longueur de la fibre augmente, les valeurs des forces relatives à la charge ultime sont plus élevées, ceci est lié à l'augmentation de l'effort d'ancrage des fibres de longueurs (Lf =60mm), mais aussi aux orientations plus favorable des fibres longues à cause des effets de parois dus aux dimensions de moule. Par contre, l'augmentation de la résistance à la flexion est légèrement influencée par le taux d'incorporation des fibres. Pour la fibres de dimensions respectifs (Lf =40mm, Dmoy =0.28mm), la figure-8-, montre une augmentation notoire de la résistance à la flexion du BSFM par rapport au béton sans fibres (témoin), de l'ordre de 25 à 29%, avec les même conditions d'âge et de dosages que précédemment. Ces résultats obtenus nous permettent de tirer un enseignement quant à l'influence positive de l'élancement des fibres sur les performances du béton de sable; donc cette augmentation de la résistance à la flexion est lié vraisemblablement à l'amélioration de la résistance à l'arrachement des fibres de la matrice, et qui, par là, retarde l'apparition des micro fissures, ce qui induit à une augmentation de la résistance.
D'après nos constatations les meilleurs résultats de la résistance à la flexion sont obtenus par la fibre de longueur (Lf =40mm) et de diamètre (Dmoy =0.28mm); ceci peut être expliqué par le fait que cette dernière présente un ancrage assez suffisant et un élancement important, favorisant l'augmentation de la résistance.
Cette constatation est justifiée par le fait, que pour Lf =40mm, la taille de la fissure n'est pas détectable à l'œil nu. Par contre pour Lf =30mm, la taille est très importante, tandis que pour Lf =60mm elle est petite, voir schéma explicatif, (Fig-9-).

V. VARIATION DIMENSIONNELLE DE BETON DE SABLE
V.1. But de l'essai :
Dans le présent travail le but est d'étudier le comportement de béton de sable renforcé de fibres métalliques issues des pneus usés vis-à-vis les variations dimensionnelles (retrait).
V.2. Essai de retrait libre :
L'essai est réalisé conformément à la norme NF P 15-433, l'appareil de mesure de retrait utilisé dans nos essais est un rétractomètre, photo-1-, il est muni d'un comparateur mesurant les déplacements suivant l'axe longitudinal des éprouvettes 40x40x160mm, entre deux plots métalliques noyer dans le mortier. Les mesures de valeurs initiales (de référence) étaient faites après 24h au moment de démoulage; l'étalonnage du rétractomètre est effectué par une tige de contrôle métallique en invar, qui sert de base de mesure. L'incertitude des mesures évaluée à ±5 µm/m. la valeur retenue du retrait représente la moyenne arithmétique de trois mesures.
Ces essais sont relatifs aux mesures, entre 1 et 28 jours, les résultats obtenus sont comparés avec ceux de la littérature. La conservation des éprouvettes de mortier est réalisée comme suite:
Les éprouvettes ont été conservées à l'air libre au sein même du laboratoire à une température (T = 30±5°C) et une humidité relative (HR = 40±10%), est cela pendant une durée de 28jours.

V.2.1. Résultats (éprouvettes conservées à l'airlibre) :
Sept types de mélanges dont le témoin ont été testés, les courbes moyennes sont représentées sur les figures (10,11,12).

V.2.2. Discussion des résultats :
D'après les résultats présentés sur les figures (10,11,12), nous constatons que les fibres métalliques diminuent l'influence du retrait; cette diminution est de l'ordre de 9 à 11%, pour Lf =30mm,13 à 16%, pour Lf =60mm et de 26 à 33% pour Lf =40mm, par rapport au béton sans fibres (témoin) à 28jours. Quant aux taux de fibres incorporées nous remarquons qu'il y'a peu d'influence, de l'ordre de 2 à 3%, pour les fibres de longueurs respectives (30,60mm), et de l'ordre de 7% pour Lf =40mm. Cette réduction est due à notre avis à la bonne adhérence des fibres avec la matrice, à la forme et à la quantité de fibres. Enfin, nous pouvons dire que les résultats trouvés confirment ceux déjà obtenus par d'autres chercheurs à savoir:
SWAMY et STAVRIDES [6]. Ils indiquent que l'ajout des fibres d'acier au béton permet de réduire le retrait hydraulique de 20%.
SOROKA [7], met en évidence que le retrait hydraulique des bétons classiques est souvent amplifié par les conditions climatiques chaudes et sèches, mais il a constaté que dans ce climat, le renforcement des bétons par les fibres d'acier,de verre ou de polymère est efficace pour la réduction du retrait.
VI. CONCLUSION
Cette communication renferme l'ensemble des résultats expérimentaux sur les propriétés mécaniques (flexion) et rhéologique (retrait). L'aboutissement à ces résultats, dont l'objectif est de répondre sur la question si oui ou non les fibres métalliques utilisées. Dans cette étude ont une influence sur le comportement du composite dans l'amélioration de ces caractéristiques; à cette question les résultats obtenus nous permet de spéculer sur la contribution de ces derniers; en effet, les résultats montrent que l'association des fibres à la matrice, améliores les propriétés à la fois mécaniques et rhéologiques du béton de sable.
L'étude des propriétés mécaniques et rhéologiques du béton de sable fibré, est analysée dans le but de donner des explications sur le comportement observé, ainsi que sur l'efficacité des fibres dans l'amélioration de la résistance du composite en ce basant sur les résultats obtenus pour différents essais, nous avons conclu ce qui suit :
( La longueur des fibres est un paramètre important.
Les fibres longues ont données des résultats supérieurs à ceux des fibres courtes de même diamètre.
( L'élancement des fibres joue un rôle positif, en effet, plus l'élancement augmente plus la résistance à l'arrachement des fibres de la matrice augmente, ainsi que leurs nombres à volume constant. ( Le taux d'incorporation des fibres à un rôle secondaire.
D'autre part, la valorisation des déchets pneumatiques avec l'utilisation en masse des fibres métalliques issu de ce déchet, contribue à la préservation de l'environnement et à un abaissement du coût de revient du matériau.
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
[1] M. MIMOUNI : "Les renforts fibreux utilisés dans les matériaux de construction" Algérie équipement ; 15, Sept.1994.
[2] J. BARON et J. PIERRE OLLIVIER et ALL : "les bétons bases et données pour leur formulation" Edition Eyrolles, 1996.
[3] H. HAOUARI : "Contribution à l'étude du comportement du béton renforce de fibres métalliques soumis à l'action des charges maintenues et cycliques", Thèse de Doctorat, INSA de Lyon, France, 1993.
[4] R. DUPAIN, R. LANCHON, J. C. SAINT ARROMAN : "granulats, sols, ciments et bétons – caractérisation des matériaux de génie civil par les essais de laboratoire", Edition casteilla – 25, ruerouge-75005 Paris 1995.
[5] N. KEDJOUR :"Le laboratoire du béton", OPU : 07.2005, Edition : 2.03.4212.
[6] R.N SWAMY et H. STAVRIDES : "Influence of fiber reinforcement on restrained shrinkage and cracking", ACI Journal, March 1979.
[7] I. SOROKA. : "Concrete in hot environments", Edition E et FN SPON, London.