Abstract :
[en] Durability and sustainability of cementitious materials are two important issues in the field of construction materials. Durability is defined as the ability of cementitious materials to resist weathering action, chemical attack, abrasion or any other process of deterioration. The use of fibers is a viable solution to partially overcome the brittle behavior of such materials. At the same time it is demonstrated that fibers, by reducing cracking phenomena, allow to face the durability related issues. Different fibers have been used according to the aims of composite materials: high strength fibers are generally used for structural purposes (toughness increase) while low modulus synthetic fibers are mainly used to avoid plastic shrinkage cracking. The effectiveness of fibers reinforcing action lies mainly on the fiber/matrix interactions. Three types of interactions can be recognized: i) physical and/or chemical adhesion; ii) friction and iii) mechanical anchorage induced by deformations on the fiber surface (e.g. crimps, hooks, twisted or deformed fibers in general). Sustainability can be identified according to the definition of sustainable development stated in 1987 by Brundtland et al.: “the development that meets the needs of the present without compromising the ability of future generations to meet their own needs”. Sustainable
development should take into account economic growth, social equality and environmental protection. The construction industry involves all these fields: the main concerns are raw materials consumption and CO2 emissions during cement production. Moreover, also the plastic production and disposal present several environmental issues. Once again, raw materials consumption and the speed with which these materials became waste. Thus, seen the aforementioned drawbacks related to cementitious materials, this Ph.D. was aimed to study the possibility of using end-ofwaste materials (i.e when waste ceases to be waste and becomes a secondary raw material) for the production of synthetic fibers and aggregates characterized by improved mechanical interactions with the cementitious matrix. To this extent, fibers and aggregates with a rough and porous surface, able to offer interlocking positions for the cementitious matrix, were produced in laboratory by melt extrusion-foaming process. Moreover, some chemical treatments (alkaline hydrolysis and sol-gel deposition of nanosilica) were performed on fibers, to improve chemical adhesion with the cement paste. Finally, taking into account the need for reducing the consumption of raw materials, foamed fibers and aggregates were produced
starting from a polymeric end-of-waste material made of a polyolefins blend (HDPE, LDPE and PP). Alkaline hydrolysis promoted the creation of interlocking positions on fiber surface but the best behavior was recognized for fibers with nano-silica particles on the surface. In this case, a denser ITZ and a great amount of hydration products were observed by SEM investigations. Pull-out tests confirmed the better performances of treated fibers: a higher pull-out peak load was achieved and an increase of pull-out energy was evident. Subsequently, a foam extrusion process was used to manufacture polymeric fibers (both virgin and recycled) with a rough surface, to improve mechanical friction with the cementitious matrix. Optimizing foaming agent quantity and processing parameters was possible to produce fibers having adequate surface texture and diameter to be used in fiber reinforced mortars. Although fiber reinforced mortars workability decreases at increasing fiber volume fraction, the results demonstrated that this happens to a lower extent for mortars containing foamed fibers. Fibers mechanical properties decreased at increasing fibers porosity but fiber reinforced mortars mechanical properties, flexural and compressive strength, were not influenced by fibers addition nor their morphology. The rougher surface gives rise to a better fiber/matrix adhesion, as confirmed by pull-out tests. Durability investigations on the fiber reinforced mortars reported good results for capillary water absorption, sulfate attack and plastic shrinkage cracking. In particular, fibers length and volume fraction are key parameters in controlling plastic shrinkage cracking. Moreover, mortar samples containing foamed fibers displayed a better control of shrinkage cracking: cracks opening was delayed and the improved fiber/matrix bond was able to reduce crack width, compared to mortars containing smooth fibers. Finally, lightweight artificial aggregates (LWAs) were produced, starting from foamed strands. At increasing LWAs substitution, a sharp decrease of density was achieved. Also workability and mechanical properties decreased, but a more ductile behaviour was recognizable. Thermal conductivity and water vapor resistance were proportional to mortars density which obviously decreased at increasing natural sand substitutions. Moreover, the use of aggregates porosity as reservoir of internal curing water showed promising preliminary results. In brief, the results of this study demonstrate that engineered fibers with improved fiber/matrix bond allow to optimize (i.e. to reduce) fibers volume fraction in cementitious mortars. Foamed fibers characteristics can be in turn optimized by changing the manufacturing process conditions. Benefits could be not only in the control of plastic shrinkage cracking but also in the workability of fresh mortars, mechanical strength and durability of the hardened composite. In addition, using end-of-waste materials a more sustainable product can be obtained. In particular, replacing natural aggregates with plastic aggregates, is possible to reduce raw materials consumption and improve mortar properties (mainly unit weight, thermal conductivity and water vapor permeability).
[fr] Dans le domaine de matériaux de construction, la durabilité des ouvrages en béton et le développement durable représentent deux aspects très importants. La durabilité de l’ouvrage caractérise sa capacité à conserver, pendant le temps, les fonctions d’usage pour lesquelles il a été conçu. L’utilisation des fibres dans les matériaux à base de ciment permet d’améliorer la ductilité et réduire les effets du retrait, dont la fissuration, et prolongent ainsi la durée de vie de l’élément en béton. On distingue trois grandes familles de fibres selon leur nature (métalliques, synthétiques, minérales) qui peuvent être utilisées à des fins structurelles ou non, en fonction de leurs propriétés mécaniques. Pour être efficaces, une bonne adhérence (chimique, mécanique ou par friction) fibre/matrice doit est assurée. Le développement durable a été défini dans le rapport Brundtland en 1987: «il s’agit d’un développement qui répond aux besoins du présent sans compromettre la capacité des générations futures à répondre à leurs propres besoins». Dans l'industrie de la construction, notamment celle du ciment, les problèmes principaux dérivent de la consommation des matières premières et des émissions de CO2 dans l’atmosphère. De plus, la production de polymères et l’élimination des déchets plastiques posent divers problèmes environnementaux, notamment au travers de l’utilisation du pétrole et de la très faible vitesse à laquelle les produits plastiques deviennent déchets. Étant donné les différentes problématiques mentionnées ci-dessus, le but de cette étude est la production de fibres et agrégats en plastique ayant une meilleure adhérence avec la pâte de ciment, en utilisant un matériau «end-ofwaste» (c’est-à-dire lorsqu’un déchet cesse d'être un déchet et devient une matière première secondaire) et un processus de «foam extrusion». Le processus de «foam extrusion» a été utilisé pour produire des fibres et des agrégats avec une surface rugueuse et poreuse, sous forme de cavités dans lesquelles la matrice cimentaire peut pénétrer. De plus, certains traitements chimiques (hydrolyse alcaline et dépôt sol-gel de nano-silice) ont été effectués sur des fibres pour améliorer l'adhérence chimique avec la pâte de ciment. Enfin, prenant en compte le désir de réduire la consommation de matières premières et le but d'augmenter l'utilisation de matériaux recyclés, les fibres et les agrégats expansés ont été produits en utilisant un matériaufin-de-déchet qui est un mélange de plusieurs polyoléfines (HDPE, LDPE et PP). L'hydrolyse alcaline a produit de cavités sur la surface des fibres, mais le meilleur comportement a été trouvé pour les fibres avec des particules de nano-silice sur la surface. Dans ce cas, une Zone de Transition Interfaciale (ITZ) plus dense et une grande quantité de produits d'hydratation ont été observés par des investigations SEM. Les tests de pull-out ont confirmé les meilleures performances de fibres traitées: une charge maximum de pull-out plus élevée a été mesurée, avec une augmentation évidente de l'énergie d’extraction. Ensuite, un processus d’extrusion de mousse a été utilisé pour fabriquer des fibres polymères (tant vierges que recyclées) avec une surface rugueuse. L'optimisation de la quantité d'agent moussant et des paramètres de processus a permis la production de fibres ayant une texture superficielle et un diamètre adéquats. L’ouvrabilité des mortiers fibrés diminue avec l’augmentation de la quantité des fibres, mais, de manière plus faible dans le cas de mortiers renforcés avec les fibres moussées. Les propriétés mécaniques des mortiers fibrés ne sont pas influencées par l'addition des fibres ni par leur morphologie. La surface plus rugueuse offre une meilleure adhérence fibre/matrice, comme confirmé par les essais de pull-out. Les études de durabilité sur les mortiers renforcés ont rapporté de bons résultats en ce qui concerne l'absorption d'eau par capillarité, l'attaque par les sulfates et la fissuration au jeune âge. En particulier, les échantillons de mortier contenant des fibres moussées ont permis d’obtenir un meilleur contrôle de la fissuration car l'ouverture des fissures a été retardée et la bonne adhérence fibre/matrice a permis de réduire la largeur des fissures, par rapport aux mortiers contenant des fibres lisses. Enfin, des agrégats artificiels légers ont été produits à partir des fibres moussées. La substitution du sable naturel par les agrégats plastiques a engendré une forte diminution de la densité. La maniabilité et les propriétés mécaniques diminuent également, mais un comportement plus ductile est observé. La conductivité thermique et la résistance à la vapeur d'eau diminuent avec l’augmentation du taux de substitution de sable naturel, proportionnellement à la densité de mortiers. Enfin, l'utilisation de la porosité des agrégats comme réservoir d'eau a donné des résultats préliminaires prometteurs. En résumé, les résultats de cette étude démontrent la possibilité d'optimiser la fraction volumique des fibres dans les mortiers de ciment à l'aide de fibres moussées, c'est-à-dire de fibres ayant une adhérence fibre/matrice améliorée. Les avantages pourraient être non seulement dans le contrôle de la fissuration au jeune âge, mais également dans la maniabilité des mortiers frais, la résistance mécanique et la durabilité du composite durci. En outre, en utilisant des matériaux de recyclage, on peut obtenir un produit plus durable grâce à la réduction de l'utilisation des matières premières. En particulier, le remplacement des agrégats naturels par des agrégats en polymère permet de réduire la consommation de matières premières et d'améliorer les propriétés du mortier (réduction du poids et de la conductivité thermique et augmentation de la perméabilité à la vapeur d'eau).
