Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Au Québec, la production du ciment est responsable d’environ 15% de toutes les émissions de GES industriel dans la province. Par ailleurs, la production mondiale d’aluminium engendre l’accumulation d’environ 150 millions de tonnes de résidus de bauxite (RB) par année. Face à ces enjeux, il devient important de développer des solutions novatrices et durables pour valoriser ces matériaux résiduels tout en répondant aux besoins de l'industrie de la construction.

Ce projet de recherche a pour objectif de développer un béton à base de résidus de bauxite en substituant une partie de ses constituants par des résidus de bauxite filtrés-pressés (RB FP) produits au Saguenay–Lac-Saint-Jean, puis, d’analyser le comportement structural de ce béton pour l’utiliser dans la production de tuyaux de béton destiné aux infrastructures urbaines. Pour l’atteinte de cet objectif, des mélanges de béton ont été développés et caractérisés en substituant 5 à 40% du ciment portland par des RB. À partir de cela, des poutres ont été fabriquées afin de connaître le comportement structural de ce matériau. Puis, des tuyaux de béton avec RB ont été fabriqués et testés en laboratoire. L’analyse des résultats a été complétée en comparant les résultats obtenus pour les spécimens avec et sans RB à des modèles numériques faits à l’aide du logiciel d’analyse non-linéaire par éléments finis VecTor2. Cela a permis d’évaluer la pertinence des outils de conception actuels et de comparer les prédictions aux résultats expérimentaux.

Selon les résultats obtenus, il est possible d’utiliser le béton avec RB pour la fabrication de tuyaux destinés aux infrastructures urbaines. En effet, les résultats ont montré que jusqu’à 15% de RB peuvent être remplacés sans avoir un effet significatif sur la résistance à la compression du béton. Également, le malaxage du béton avec RB a un rôle important à jouer sur la résistance du béton avec RB. Finalement, les comparaisons effectuées entre les modèles numériques et les spécimens testés en laboratoire montrent que l’incorporation de RB dans les mélanges de béton n’a pas affecté la capacité des modèles numériques, réalisés avec VecTor2, à représenter le comportement des éléments testés. Donc, les outils de conception peuvent être utilisés tels quels pour le béton avec RB. Ces avancées démontrent que le béton à base de RB constitue une option prometteuse pour la production de tuyaux durables et performants destinés aux infrastructures urbaines.

In the province of Québec, cement production accounts for approximately 15% of all industrial greenhouse gas emissions. Globally, aluminum production generates nearly 150 million tonnes of bauxite residue (BR) annually (International Aluminium Institute, 2020). Considering these challenges, it is essential to develop innovative and sustainable solutions that valorise these by products while meeting the requirements for construction.

The objective of this research is to develop concrete incorporating filtered-pressed bauxite residue (FP BR) produced in the Saguenay–Lac-Saint-Jean region as a partial replacement for mixture constituents, and to analyse the structural behaviour of the BR-concrete for manufacturing concrete pipes. To achieve this goal, concrete mixtures were developed and characterised by replacing 5% to 40% of portland cement with BR. Based on these mixtures, reinforced concrete beams were fabricated and tested to evaluate their shear and flexural behaviour. Subsequently, full scale BR-concrete pipes were manufactured and tested. Non-linear finite element models of the tested beams and pipes were developed using the Vector2 software and numerical predictions were compared with test results.

The results indicate that BR-concrete can be produced in compliance with mechanical and structural performance requirements, even with relatively high amount of BR. Specifically, up to 15% BR replacement of portland cement can be achieved without a significant reduction in concrete compressive strength, and up to 40% BR can be used with only a moderate strength decrease. Moreover, mixing procedures were found to play a key role in mechanical performance of BR concrete. Finally, the comparison between numerical and experimental results showed that the structural behaviour of BR concrete beams and pipes can be adequately predicted using existing tools, such as VecTor2. Overall, these findings demonstrate that BR-concrete represents a promising solution for structural concrete and for the manufacture of durable and high-performance concrete pipes.