Valorisation de sédiments de dragage et de terre excavée dans la formulation de matériaux de construction imprimables - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Recycling of dredged sediments and excavated soil in the formulation of printable construction materials

Valorisation de sédiments de dragage et de terre excavée dans la formulation de matériaux de construction imprimables

Jana Daher
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1365823
  • IdRef : 273420852

Résumé

Concrete 3D Printing is one of the newest technologies in the field of construction. It offers advantages and opportunities over the traditional construction method, notably speed of construction and flexibility of architectural design. However, most printable materials used nowadays require a high cement content, the production of which generates significant CO2 emissions. Reducing the environmental impact of printable concrete is currently the focus of researchers who aim to use alternative materials to replace cement and reduce its high consumption in 3D printable mixes. This research work focuses on the valorization of alternative and innovative materials, currently considered as waste, in 3D printing, to develop printable mixtures with low environmental impact. The alternative materials used are dredged sediments, polyester glass-fiber powders and excavated soil. These materials are chosen for their recycling potential, their intrinsic properties, and the urgency of their management due to their large quantity. Moreover, little work is devoted to the recycling of these specific types of waste in concrete 3D printing, hence the objective of this thesis. An experimental methodology is therefore implemented to develop optimal mixtures. First, the extrudability and buildability are evaluated and verified in order to validate the printability of the developed mixes. Then, the fresh and hardened properties of the printable mortars are studied. Furthermore, in this research, different printing scales are tested, from the laboratory scale to the 3D printer scale. In the first part of the study, flash-calcined sediment is used in a printable control mixture, producing a binary binder (cement/flash-calcined sediment) and a ternary binder (cement/flash-calcined sediment/limestone filler), and polyester glass-fiber powders are used, as reinforcement, in the control mixture, substituting a portion of the sand. In the second part of the study, excavated soil is used as a total substitute for sand. The results of the first part of the study show that several mixtures containing flash-calcined sediment are printable. These mixtures contain 5 and 10% of sediment when used alone, and 10 and 20% of sediment when used with 20 and 30% of limestone filler, respectively. A cement substitution of 50% is therefore achieved with the printable mixture containing 20% of sediment and 30% of limestone filler. In addition, mixtures containing up to 10% of polyester glass-fiber powders are also printable. Furthermore, the results of the second part of the study show that formulations with a high content of excavated soil and a low cement content are printable and resistant. The printable formulations contain different amounts of soil, about 2, 4 and 6 times the amount of cement, with the most environmentally friendly formulation having a soil content of 1602 kg/m3 and a cement content of 282 kg/m3. This research work highlights the possibility of developing new ecological and resistant mixtures based on alternative materials that can be used in 3D printing construction applications.
L’impression 3D du béton est l'une des technologies de construction les plus récentes. Elle offre des avantages et des opportunités par rapport à la méthode de construction traditionnelle, notamment la rapidité de la construction et la flexibilité de la conception architecturale. Cependant, la plupart des encres imprimables utilisées à ce jour nécessitent une forte teneur en ciment, dont la production génère de fortes émissions de CO2. La réduction de l'impact environnemental du béton imprimable est actuellement au centre des préoccupations des chercheurs qui visent à utiliser des matériaux alternatifs pour remplacer le ciment et réduire sa forte consommation dans les mélanges imprimables en 3D. Ces travaux de recherche portent sur la valorisation de matériaux alternatifs et innovants, actuellement considérés comme des déchets, dans l'impression 3D, afin de développer des mélanges imprimables à faible impact environnemental. Les matériaux alternatifs utilisés sont les sédiments de dragage, les poudres de fibres de verre polyester et la terre excavée. Ces matériaux sont choisis pour leur potentiel de valorisation, leurs propriétés intrinsèques et pour la nécessité urgente de les gérer en raison de leur grande quantité. Par ailleurs, peu de travaux sont consacrés à la valorisation de ces types de matériaux dans l'impression 3D du béton, d’où l’objectif de cette thèse. Une méthodologie expérimentale est ainsi mise en œuvre pour développer des mélanges optimaux. Tout d'abord, l'extrudabilité et la buildabilité sont évaluées et vérifiées afin de valider l’imprimabilité des mélanges développés. Ensuite, les propriétés à l’état frais et durci des mortiers imprimables sont étudiées. De plus, dans ces travaux, différentes échelles d'impression sont testées, depuis l'échelle du laboratoire jusqu’à celle d'une imprimante 3D. Dans la première partie de l’étude, le sédiment flash calciné est utilisé dans une formulation témoin imprimable, produisant un liant binaire (ciment/sédiment flash calciné) et un liant ternaire (ciment/sédiment flash calciné/filler calcaire), et les poudres de fibres de verre polyester sont utilisées, en tant que renfort, dans la formulation témoin, substituant une partie du sable. Dans la deuxième partie de l’étude, la terre est utilisée en tant que substitut total du sable. Les résultats de la première partie de l’étude montrent que plusieurs mélanges contenant du sédiment flash calciné sont imprimables. Ces mélanges contiennent 5 et 10% de sédiment lorsque le sédiment est valorisé seul, et 10 et 20% de sédiment lorsqu'il est valorisé avec 20 et 30% de filler calcaire, respectivement. Une substitution du ciment de 50% est donc atteinte avec le mélange imprimable contenant 20% de sédiment et 30% de filler calcaire. En outre, les mélanges contenant jusqu'à 10% de poudres de fibres de verre polyester sont également imprimables. D’autre part, les résultats de la deuxième partie de l’étude montrent que les formulations développées avec un taux élevé de terre excavée et une faible teneur en ciment sont imprimables et résistantes. Les formulations imprimables contiennent différentes quantités de terre, environ 2, 4 et 6 fois la quantité du ciment, la formulation la plus écologique ayant une teneur en terre de 1602 kg/m3 et une teneur en ciment de 282 kg/m3. Ces travaux de recherche mettent en évidence la possibilité de développer de nouveaux mélanges écologiques et résistants à base de matériaux de substitution, qui peuvent être utilisés dans des applications de construction par impression 3D.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04514081 , version 1 (21-03-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04514081 , version 1

Citer

Jana Daher. Valorisation de sédiments de dragage et de terre excavée dans la formulation de matériaux de construction imprimables. Génie civil. Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai, 2023. Français. ⟨NNT : 2023MTLD0002⟩. ⟨tel-04514081⟩
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