L’utilisation d’additions minérales produites à partir de terres excavées dans les filières béton représente un avantage économique et écologique. La valorisation de ressources secondaires comme
les déblais et terres flash calcinés, métakaolins (argiles calcinées de type kaolins), etc., peut représenter une nouvelle source de matière permettant de développer des liants moins carbonés
et aussi performants que les liants traditionnels, à travers une démarche performancielle.
La SGP s’est donné pour objectif de valoriser 70 % des déblais extraits de ses chantiers estimés au total à 47 Mt. Parmi les modes de valorisation possibles, la SGP explore la possibilité de recycler ses déblais en les transformant en partie en additions minérales pour la fabrication de liant destiné à la formulation du béton bas carbone.
L’étude propose de caractériser et valider le procédé de calcination flash sur des déblais principalement argileux du GPE pour la production d’additions pouvant se substituer au clinker. L’étude
se déroule comme suit : élaboration de la liste des déblais, caractérisations des déblais bruts et calcinés, sélection du déblai, étude de formulation béton, suivis de durabilité et environnementaux des bétons.

SÉLECTION DU GISEMENT DE DÉBLAIS

Les typologies de sols excavés dans le cadre du GPE sont très diverses, principalement dues à la nature des formations géologiques du sous-sol francilien, rencontrées lors des excavations à des
profondeurs plus ou moins importantes, de l’ordre de plusieurs dizaines de mètres. Neo-Eco étudie notamment les filières de recyclage en fonction des caractéristiques premières des sols.
Les propriétés techniques des déblais constituent le faisceau primordial.
L’objectif est donc de comparer les caractéristiques des matières premières et leurs effets dans une formulation de béton. Une teneur riche en alumine et en argile est par exemple recherchée, traduisant un haut indice d’activité et assurant la bonne prise du béton.
Les déblais excavés sont principalement analysés par rapport à l’énergie requise pour leur activation ainsi que vis-à-vis de leurs rejets lors de la calcination. La pertinence de sélection du gisement
passe donc également par des considérations plus opérationnelles, qui ont été analysées de manière qualitative. Les éléments évalués ont par exemple porté sur la pérennité et l’homogénéité du gisement, ou encore la préparation nécessaire des matériaux.
L'élaboration de la liste des déblais à tester a été réalisée suivant deux critères principaux : l'argilosité de la lithologie et sa disponibilité sur les chantiers du GPE. Les lithologies présentées en figure
1 ont donc été sélectionnées :

MATÉRIELS ET MÉTHODES CALCINATION FLASH DES MATÉRIAUX

La calcination flash est une technique de traitement thermique consistant en une exposition rapide des matériaux finement divisés, en présence d’air et sous températures élevées. Cette technique a été initialement utilisée pour activer chimiquement certaines argiles comme la Kaolinite dans le but de leur conférer des propriétés pouzzolaniques. La calcination flash permet la déhydroxylation de certaines argiles. L'instantanéité du processus induit également une déstructuration partielle du matériau
caractérisé par un état amorphe de la matière, induisant une potentielle réactivité supplémentaire du produit. La calcination flash se déroule en plusieurs étapes comme suit : échantillonnage, préchauffage et stabilisation de la température, introduction des matériaux et calcination, refroidissement et récupération ous cyclone et sous filtre.

Une étude d’optimisation de la température a été conduite en amont afin de fixer une température optimale de calcination.
Cette température a été fixée à 750 °C pour cette étude. La figure 2 montre un des déblais, l’argile à meulière (AM), avant et après calcination flash. L’observation visuelle montre déjà un changement d’aspect (couleur).

FORMULATION DES BÉTONS

Quatre familles de béton ont été formulées : B2 (parois moulées), B8 (structure interne), B11 (rechargement), et B5 (voussoir). Les formulations incluent des taux de substitution variés de ciment par des déblais flash calcinés (DFC), du métakaolin, et du laitier. Les essais de résistance à la compression et de durabilité ont été effectués sur ces formulations. Les formulations de béton
sont résumées dans le tableau 1 :

RÉSULTATS CARACTÉRISTIQUES PHYSICO-CHIMIQUES

Les caractéristiques physico-chimiques des déblais avant et après calcination flash ont été réalisées. Le tableau 2 présente les résultats des caractéristiques physico-chimiques de l’argile à meulière.
Les déblais calcinés ont montré une augmentation de la masse volumique absolue et une surface BET élevée, indiquant un bon potentiel de réactivité. Les granulométries des argiles calcinées sont proches de celles du métakaolin. La mesure de ces évolutions dans la présente étude permet donc de démontrer le bon déroulé de la calcination.

ACTIVITÉ CHIMIQUE

La sélection des argiles à meulière parmi d’autres matériaux a été réalisée grâce au test Frattini. Ce dernier a été réalisé pour plusieurs types de déblais ainsi que pour le métakaolin à 8 et 14 jours (figure 3). Le test à 14 jours s’avère intéressant pour pouvoir détecter une potentielle activité à moyen terme. Concernant les résultats à 14 jours, le métakaolin se révèle très réactif, à l'instar de son test à court terme. Les déblais flash calcinés se situent également sous la courbe de solubilité de Ca (OH) 2, à des positions très rapprochées.
En effet, les autres déblais utilisés pour la sélection et en guise de comparaison sont : SBF = sable de Beauchamp flashé, CGF = calcaire grossier flashé, RF = remblai flashé, AMF=argile meulière flashée.

RÉSISTANCE EN COMPRESSION SUR BÉTONS

Pour les caractéristiques à l’état durci, les résultats des essais de résistance à la compression ont permis de sélectionner une formulation optimale pour chaque famille de béton pour l’étude de durabilité. Les résultats présentés à la figure 5 montrent qu’à 28 jours la formulation B2 contenant 20 % de DFC et 20 % de LHF est la plus optimale et atteint 69,93 Mpa à 28 jours. De même la formulation
B5 avec 30 % de DFC atteint à 28 jours une résistance de 51,5 MPa.
Le choix de ces formulations optimales a été fait de façon à maximiser le taux de substitution du ciment tout en garantissant le respect des prescriptions de la SGP.

ESSAIS DE DURABILITÉ

Plusieurs essais de durabilité ont été effectués dans le cadre d’une approche performancielle pour identifier les effets de la présence des DFC dans les bétons. Dans la suite, les résultats de l’essai de porosité accessible à l’eau et de l’attaque sulfatique externe sont présentés. Les autres essais (RAG, RSE, Diffusion aux ions chlorures, perméabilité au gaz) ont conduit à des conclusions satisfaisantes.
A. Porosité accessible à l’eau

Toutes les formulations présentent des porosités à 28 jours comprises entre 8 % et 13 %. Ces valeurs correspondent aux porosités relevées sur des bétons ordinaires de composition similaire. L’utilisation des DFC en substitution du ciment ne semble pas donc conduire à des modifications particulières (ou néfastes) d’un point de vue porosité pour les bétons étudiés.

ATTAQUE SULFATIQUE EXTERNE (RSE)

Il semble que la substitution d’une partie du ciment par les DFC n’engendre pas de désordre en lien avec l’attaque sulfatique externe.

CONCLUSION

La présente étude a permis de dresser un programme expérimental afin de valider la possibilité d’utiliser des terres excavées/ déblais flash calcinés (DFC), pour ce qui concerne les argiles à meulières rencontrées sur le projet du Grand Paris Express, comme liant pour la production de béton bas carbone. Elle a permis également de valider l’augmentation de taux de substitution du clinker par des argiles calcinées au-delà des taux maximums imposés par l’utilisation des métakaolins.
Les études de formulations et de durabilité montrent un potentiel  important à réutiliser les déblais traités et n’ayant aucun effet néfaste sur la durabilité des bétons. Ce processus de calcination flash permet également de valoriser les terres excavées et est vertueux en termes d’économie de ressources et d’économie circulaire.
Les résultats encourageants de la présente expérimentation, participent à la validation de l’intérêt de développer la filière des déblais argileux flash calcinés en liant pour bétons bas carbone.
Ceci nécessite notamment de sécuriser l’utilisation de ce type de déblais pour la filière flash calcination. L’évolution du contexte normatif, à savoir la parution de la nouvelle norme 197-5 (spécifique au ciment CEM II C-M) et la mise à jour de la norme béton NF EN 206/CN qui autorise l’utilisation de ces nouveaux ciments, devrait également contribuer à favoriser l’utilisation des bétons formulés avec des liants à base de déblais flash calcinés sur les chantiers de construction, notamment ceux du Grand Paris Express.

Mouhamadou Amar
Univ. Lille, IMT nord-Europe,
Univ. Artois, Yncrea Hauts-de-France,
ULR 4515 - LGCgE,
Laboratoire de génie civil et géo-environnement, Lille (Nord)

Romain Genna
Neo Eco,
Hallennes-lez-Haubourdin (Nord)

Reda Belmajdoub
Société du Grand Paris, Saint-Denis (Seine-Saint-Denis)