Optimisation des performances sismiques des déchets de béton fibré par la méthode TOPSIS

Jun 13, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8204 (2023) Citer cet article

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Pour un environnement durable et pour lutter contre le problème de la pollution, les déchets industriels peuvent être utilisés dans les matériaux composites en béton. Ceci est particulièrement bénéfique dans les endroits sujets au charlatanisme et aux basses températures. Dans cette étude, cinq types différents de déchets de fibres tels que les déchets de polyester, les déchets de caoutchouc, les déchets de laine de roche, les déchets de fibre de verre et les déchets de fibre de coco ont été utilisés comme additif à 0,5% 1% et 1,5% en masse dans le mélange de béton. Les propriétés liées à la performance sismique des échantillons ont été examinées par l'évaluation de la résistance à la compression, de la résistance à la flexion, de la résistance aux chocs, de la résistance à la traction et de la conductivité thermique. Les résultats ont montré que la résistance aux chocs du béton était considérablement améliorée par l'ajout de fibres de renforcement dans le béton. La résistance à la traction fendue et la résistance à la flexion ont été considérablement réduites. La conductivité thermique a également été influencée par l'ajout de déchets fibreux polymères. Une analyse microscopique a été effectuée pour examiner les surfaces fracturées. Afin d'obtenir le rapport de mélange optimal, une technique d'optimisation multiréponse a été utilisée pour déterminer le niveau souhaité de résistance aux chocs à un niveau acceptable d'autres propriétés. Les déchets de caoutchouc se sont révélés être l'option la plus attrayante, suivis des déchets de fibre de coco pour l'application sismique du béton. La signification et la contribution en pourcentage de chaque facteur ont été obtenues par l'analyse de la variance ANOVA (α = 0,05) et le diagramme circulaire qui a montré que le facteur A (type de déchets de fibres) est le principal contributeur. Un test de confirmation a été effectué sur les déchets optimisés et leur pourcentage. La technique de similarité de préférence d'ordre à la solution idéale (TOPSIS) a été utilisée pour les échantillons développés afin d'obtenir la solution (échantillon) qui est la plus proche de l'idéal selon la pondération donnée et la préférence pour la prise de décision. Le test de confirmation donne des résultats satisfaisants avec une erreur de 6,68 %. Le coût de l'échantillon de référence et de l'échantillon de béton armé de déchets de caoutchouc a été estimé, ce qui a montré qu'un volume supérieur de 8 % a été obtenu avec des déchets de béton renforcé de fibres à un coût approximativement identique à celui du béton pur. Le béton renforcé avec une teneur en fibres recyclées est potentiellement bénéfique en termes de réduction de l'épuisement des ressources et des déchets. L'ajout de déchets de fibres polymères dans le béton composite améliore non seulement les propriétés liées aux performances sismiques, mais réduit également la pollution de l'environnement par les déchets qui n'ont pas d'autre utilisation finale.

Les préoccupations environnementales et l'efficacité énergétique sont les deux enjeux majeurs de l'époque actuelle. Le béton est le 2ème matériau le plus utilisé dans le monde1. Selon un rapport du World Business Council, 3,8 tonnes de béton sont utilisées par personne et par an2. L'utilisation de ciment en grande quantité a de graves effets sur l'environnement car la production de matériaux en béton provoque des émissions de dioxyde de carbone (CO2) et le ciment a un niveau élevé de toxicité, ce qui est nocif pour la vie humaine. La fabrication de ciment est à l'origine de 7 % des émissions mondiales totales de CO2 d'origine humaine dans le monde entier3. En raison de la nature non écologique du ciment, les chercheurs étudient des matériaux alternatifs qui peuvent être durables. Il existe de nombreuses tentatives pour surmonter ce problème. L'une des options consiste à remplacer complètement le composant en béton par d'autres matériaux, mais le remplacement complet n'est pas possible car le béton présente des avantages incontestables. Le remplacement partiel d'un composant en béton par d'autres matériaux respectueux de l'environnement est une solution pratique à ce problème. Le béton présente également d'autres inconvénients, tels que la fissuration, le déversement et la fragilité, en plus d'être non écologique. Le béton pur a une faible résistance à la traction, bien qu'il ait une résistance élevée à la compression. Afin de prévenir la catastrophe environnementale due à l'utilisation à grande échelle du ciment, les industries du béton se sont intéressées à la réduction des rejets de CO2, au recyclage des ressources et au développement de matériaux alternatifs durables. Le béton renforcé de fibres (FRC) est l'une des méthodes les moins chères et les plus durables pour l'industrie de la construction moderne, car les déchets de fibres sont utilisés pour le remplacement partiel du ciment afin de fournir les performances sismiques requises tout en minimisant les coûts. L'utilisation de fibres/déchets entraîne une réduction de la consommation de ciment, ce qui contribue à la construction de logements abordables. Plusieurs tonnes de déchets sont produits par les industries qui n'ont pas d'utilisation finale. La décomposition naturelle de ces déchets prend très longtemps, et ce type de déchets reste en décharge. Ces déchets industriels comprennent le polyester, le caoutchouc, le coton, le plastique, la laine de roche, les fibres de verre, le nylon, etc. les fibres prennent 4 000 à 5 000 ans. Ce type de déchets industriels peut être utilisé comme renfort dans les industries de la construction. L'utilisation des déchets dans la construction est un bon pas vers la construction écologique. De nombreux chercheurs travaillent sur l'utilisation de ce type de déchets dans l'industrie de la construction4,5,6.

Des tremblements de terre se produisent dans le monde entier, entraînant des catastrophes. Les structures de bâtiment non renforcées ou renforcées avec de l'acier s'effondrent lorsqu'elles sont soumises à une charge sismique en raison d'une ductilité et d'une résistance insuffisantes. L'effondrement des structures du bâtiment entraîne des blessures, des pertes de vie et des pertes économiques. La structure du bâtiment doit être suffisamment solide pour résister au tremblement de terre autant que possible. Par conséquent, il est nécessaire d'utiliser ces matériaux de renforcement qui augmentent la résistance, la ductilité et la déformation latérale du bâtiment pendant la charge sismique. Les chercheurs essaient de trouver le matériau de construction ou le renforcement qui peut résister à la charge sismique7,8,9. Le béton renforcé de fibres ou de déchets polymères est une technologie émergente pour sauver la structure du bâtiment lors d'une charge sismique ou d'une catastrophe liée à un tremblement de terre, car ils ont suffisamment de résistance et de ductilité pour résister à la charge sismique. Les fibres sont ajoutées en remplacement partiel du ciment, de l'acier et des granulats grossiers. Certains chercheurs ont utilisé des fils d'acier pour renforcer les structures en béton, ce qui augmente la durabilité et réduit la formation de fissures de surface, mais cette méthode n'a pas amélioré de manière significative les propriétés de charge sismique des structures en béton armé10,11. Une autre étude a révélé que l'utilisation de barres d'acier comme armature dans le béton peut augmenter la capacité portante de la colonne, mais pas suffisamment pour résister à la charge sismique12. De plus, l'un des inconvénients de l'utilisation de fil d'acier est qu'il est sujet à la rouille en plus d'augmenter le poids structurel et de provoquer un effet de boule. Les différents types de fibres utilisées comme renforcement dans les FRC sont la fibre de carbone, la fibre de verre, la fibre d'aramide, la fibre de jute et la fibre de polypropylène, etc. L'utilisation de fibres à haute performance dans le béton augmente la résistance à la compression, la réponse à l'écrouissage et la résistance à la flexion du bâtiments en béton. La capacité sismique du bâtiment augmente lorsque des fibres à haute performance sont utilisées comme armature dans le béton13. Les feuilles de fibre de carbone sont principalement utilisées pour les bâtiments résistants aux tremblements de terre. Les structures de construction en fibres de carbone sont très coûteuses. Les chercheurs ont étudié différents pourcentages de fibre de jute et différents types de sols dans le béton pour fabriquer des bâtiments résistants aux tremblements de terre. Ils ont conclu qu'en changeant le type de sol et en ajoutant de la fibre de jute dans le béton, on augmente la ductilité du béton. D'autres chercheurs ont utilisé des fibres de jute et de sisal dans des bâtiments en béton pour la résistance aux tremblements de terre et ont comparé la résistance avec du béton renforcé de fibres de carbone. Les colonnes en béton pour les bâtiments avec des hauteurs relativement inférieures, avec des fibres de jute et de sisal, ont atteint une résistance égale à la feuille de fibre de carbone tout en entraînant un coût inférieur de 35 %14,15.

Certaines études ont montré que l'ajout de 1 % de déchets de caoutchouc dans le béton contribue à augmenter la ductilité du béton, ce qui augmente la résistance aux tremblements de terre des bâtiments16,17,18,19. D'autres études ont montré qu'un pourcentage différent de fibres de verre comme armature dans le béton améliore les performances globales du béton telles que la résistance mécanique et la propriété de résistance au feu20,21,22,23. Certains chercheurs ont utilisé différents pourcentages de laine de roche recyclée et usée dans le béton pour augmenter la résistance thermique des bâtiments24,6,,25. Certaines études ont montré qu'un pourcentage plus faible de déchets de fibre de coco dans la came en béton améliore la résistance mécanique et réduit le poids, ce qui a un effet positif lors des charges sismiques. L'ajout de fibre de coco dans le béton a un effet positif sur la résistance à la compression et un effet négatif sur la résistance à la flexion26,27,28,29. Différents types de déchets industriels et domestiques tels que des bouteilles en PET, des masques faciaux et des pailles en plastique, etc., ont été utilisés comme renforts qui augmentent la ductilité du béton et réduisent la résistance à la compression et la capacité portante du béton30,31,32,33 .

Bien que différents types de déchets aient été utilisés pour produire du béton léger et des matériaux de construction, il reste un défi de produire des bâtiments légers avec une plus grande capacité portante à un coût abordable. Il y a peu ou pas de recherches rapportées sur l'étude combinée de l'amélioration des propriétés mécaniques et de l'isolation thermique du béton à l'aide de déchets industriels.

L'objectif global de cette étude est de produire des matériaux de construction durables à plus forte charge, à faible coût et économes en énergie en ajoutant des déchets fibreux industriels dans le béton en tant que renforcement. Les résultats obtenus sont également comparés à des échantillons de béton brut (PC) et une étude approfondie de l'amélioration de l'isolation thermique et de la résistance mécanique est présentée. Un problème important dans l'ingénierie des matériaux est de trouver un échantillon optimal de FRC avec la qualité souhaitée du béton pour des applications particulières. Par l'ajout de déchets/fibres, certaines propriétés sont améliorées tandis que d'autres ont montré un effet négatif. Par exemple, par ajout de fibres de verre dans le béton, la résistance mécanique est réduite mais l'isolation thermique s'améliore34. Pour obtenir concrètement les propriétés souhaitées, différentes méthodes d'optimisation multi-réponses ont été utilisées. Les chercheurs ont utilisé un modèle mathématique de second ordre pour une conception optimale du béton contenant des fibres d'acier comme armature35. D'autres ont utilisé la méthode des surfaces de réponse pour compter la teneur en liant dans le béton armé de béton armé à ultra haute performance36. Certains des problèmes de prise de décision qui ont des réponses multiples ne peuvent pas être optimisés à la fois parce que plusieurs objectifs sont en conflit les uns avec les autres. Certaines des réponses ont des effets positifs et d'autres des effets négatifs sur les propriétés souhaitées. Pour cela, des méthodes d'optimisation multi-réponses sont utilisées. Les chercheurs ont utilisé la technique d'ordre de préférence par similarité avec la solution idéale (TOPSIS) pour obtenir le pourcentage souhaité de mélange de polymères renforcés dans le béton37. Un autre chercheur a utilisé le processus de hiérarchie analytique (AHP) pour définir le rang de la matrice de décision et pour calculer le poids des critères de la matrice38,39. La technique de similarité de préférence d'ordre à la solution idéale (TOPSIS) est utilisée pour les échantillons développés afin d'obtenir la solution (échantillon) qui est la plus proche de l'idéal selon la pondération et la préférence données pour la prise de décision. Dans ce travail, la méthode TOPSIS a été utilisée pour obtenir le matériau et le pourcentage optimaux pour le renforcement qui peuvent être utilisés ultérieurement pour des applications sismiques. Cette recherche aborde les enjeux environnementaux importants en termes d'émission de CO2 due à la fabrication du ciment, de consommation d'énergie et d'élimination des déchets40. L'importance de la recherche est que différents types de déchets industriels sont utilisés en remplacement partiel du ciment, ce qui réduit la consommation de ciment. Cette approche réduit les émissions de CO2 en réduisant la production de ciment. Il optimise le traitement des déchets qui, autrement, resteraient en décharge pendant plusieurs années. Une solution durable pour la construction parasismique à faible coût a été obtenue.

Les échantillons de béton ont été préparés avec du ciment Portland ordinaire, du sable avec un module de finesse de 2,42, un rapport eau/ciment de 0,55, des agrégats grossiers de 4 mm et cinq types de déchets fibreux en 3 pourcentages différents chacun. Ces déchets de matières fibreuses étaient à la fois d'origine naturelle et synthétique. La noix de coco et la laine de roche sont d'origine naturelle tandis que le polyester, le verre et le caoutchouc sont d'origine synthétique. Les fibres de renforcement ont été utilisées avec 0,5 %, 1 % et 1,5 % du poids de ciment.

Les fibres de coco étaient extraites des déchets de l'industrie de la natte ou de la corde. Des déchets de polyester ont été collectés qui sont produits pendant le processus de cisaillement des tissus tissés. Les déchets de fibres de verre ont été collectés à partir de filtres d'installations d'eau par osmose inverse (OI). Les déchets de caoutchouc, qui sont utilisés dans les machines de torsion textile, ont été collectés sur le marché des chiffons. Les déchets de laine de roche provenaient de chaudières inutiles. Tous les matériaux sont des déchets qui, autrement, resteraient en décharge et n'auraient pas d'autre utilisation finale. Toutes les fibres de déchets ont été coupées en longueur de 70 mm comme le montre la Fig. 1.

(G) Déchets de verre, (C) Déchets de noix de coco, (R) Déchets de caoutchouc, (P) Déchets de polyester, (w) Déchets de laine de roche.

La résistance des fibres a été évaluée à l'aide de Universal Testing Machine, conformément à la norme ISO 5079. Les propriétés des fibres sont données dans le tableau 1.

Pour préparer les échantillons de béton pur (échantillon de référence), le rapport de mélange de 1:2:3 (ciment : sable : gros granulat), avec de l'eau à 55 % en masse a été utilisé. Cinq déchets industriels différents, à savoir les déchets de fibres de coco, les déchets de fibres de polyester, les déchets de fibres de verre, les déchets de fibres de laine de roche et les déchets de caoutchouc, ont été ajoutés comme renfort dans le mélange pour fabriquer des FRC. Trois ratios différents, à savoir 0,5 %, 1 % et 1,5 % de chaque déchet, ont été utilisés sur le poids du ciment pour fabriquer les échantillons de béton. Tous les matériaux ont été mélangés comme indiqué sur la Fig. 2. Ensuite, le mélange a été coulé dans différents moules pour différents tests selon les normes, comme indiqué sur la Fig. 2. Au total, 48 échantillons ont été coulés pendant 28 jours pour chaque test. Trois répétitions de chaque échantillon ont été préparées pour assurer la répétabilité des tests effectués. La conception de l'expérience et les détails de l'échantillon sont présentés dans les tableaux 2 et 3.

(a,b) Mélange de béton (c–e) Moules.

Au cours de sa durée de vie, le béton subit différents types de chargement, qui produisent des fissures en surface ainsi que dans la partie intérieure. Les chargements mécaniques sont de différents types et la formation de fissures peut être contrôlée en améliorant les propriétés requises. Les fissures produites à la surface d'une chaussée rigide sont dues à une moindre résistance à la flexion. De même, le phénomène d'écaillage du béton peut être contrôlé en améliorant la résistance à la traction. La résistance aux charges d'impact peut être améliorée en améliorant la propriété d'absorption d'énergie du béton. La propriété d'impact est très importante en ce qui concerne le dynamitage, la collision de véhicules, en particulier sur les ponts et lors de tremblements de terre. Tous les échantillons ont été testés avec une réplique de 3 pour les trois pourcentages de fibres différents pour chaque type de déchets de fibres comme armature dans le béton.

La résistance à la compression des échantillons de béton de dimension 100 mm × 100 mm × 100 mm a été mesurée à l'aide d'une machine d'essai universelle hydraulique à affichage numérique (UTM) (modèle : Beijing Sino trouvé WES-100) comme illustré à la Fig. 3. Pour l'essai de compression , un total de 48 échantillons ont été préparés avec 3 répétitions pour chaque échantillon. Chaque spécimen a été placé verticalement entre les mâchoires afin qu'il agisse comme un prototype d'élément de compression ou de colonne. Dans cet essai, les échantillons de béton ont été placés entre deux mâchoires dont l'une était mobile et l'autre fixe. Lorsque la charge est appliquée à travers les mâchoires, le point auquel la défaillance de l'échantillon de béton se produit s'affiche sous la forme d'une lecture numérique, qui est la résistance à la compression totale de l'échantillon de béton.

Instruments de test.

L'essai de flexion/flexion des échantillons de béton a été réalisé avec des dimensions de 150 mm de largeur × 150 mm de profondeur × envergure de 500 mm., en utilisant une machine d'essai universelle hydraulique à affichage numérique (modèle : Beijing Sino trouvé WES-100). Les normes d'essai pour la résistance à la flexion ASTM C78/C78M-21 ont été utilisées41. Pour mesurer la résistance à la flexion du béton, 48 échantillons au total ont été préparés avec 3 répétitions. Pour mesurer la résistance à la flexion du béton, les échantillons ont été placés sur deux tiges à égale distance des bords, c'est-à-dire 75 mm, et une tige était du côté opposé au centre des échantillons, comme illustré à la Fig. 3.

En raison de l'indisponibilité d'une norme spécifique pour déterminer les propriétés d'impact du béton par essai de chute de poids, la méthode adoptée par d'autres chercheurs a été utilisée42. Les dimensions de l'échantillon prélevé étaient (L × l × T) 125 mm × 100 mm × 50 mm. Dans cette méthode, une bille d'acier d'un poids de 1,8 kg a été prélevée et lâchée de la hauteur fixe de 889 mm sur l'éprouvette. Le test s'est poursuivi jusqu'à ce que la défaillance de l'échantillon se produise, comme illustré sur la figure 3c. Au total, 48 échantillons ont été préparés pour le test d'impact. L'énergie d'impact des échantillons a été calculée en multipliant la masse de la balle, la hauteur de chute de la balle, l'accélération due à la gravité et le nombre de coups nécessaires pour l'échantillon avant rupture. L'énergie d'impact a été calculée en utilisant Eq. (1)43.

où, E est l'énergie d'impact totale à la rupture de l'échantillon ; N est le nombre de coups à la rupture de l'échantillon ; m est la masse de la balle qui est de 1,8 kg ; h est le poids de la chute de balle, qui est de 889 mm ; et g est l'accélération due à la gravité soit 9,81 m/s2.

Une machine d'essai hydraulique universelle (série IBMU4) a été utilisée pour effectuer l'essai de résistance à la traction fractionnée des échantillons de béton léger, comme indiqué en 3(d). Des éprouvettes cylindriques ont été déposées entre les plaques d'essai pour effectuer un essai de traction par fendage. Pour le test de l'échantillon, la taille standard de l'échantillon (H × D) 250 mm de hauteur et 150 mm de diamètre a été utilisée.

Un bâtiment/construction agit comme une enveloppe/barrière extérieure qui sépare les environnements extérieur et intérieur et protège les habitants de l'environnement extérieur. La réduction des coûts de chauffage/refroidissement du bâtiment contribue directement à l'efficacité énergétique et à la durabilité.

En raison de l'utilisation croissante de la thermographie infrarouge dans le secteur du bâtiment, pour la détection de fissures, etc., une nouvelle méthode a été adoptée pour mesurer la conductivité thermique44. Les propriétés thermiques des échantillons ont été déterminées à l'aide de la caméra d'imagerie thermique CANTRONIC System Inc. (Canada) et les échantillons ont été chauffés par un pistolet thermique, comme indiqué sur la figure 3e.

Seuls, les FRC avec 1 % de déchets et l'échantillon de référence ont été mesurés à l'aide d'une caméra à imagerie thermique. Des échantillons cubiques de dimensions hauteur/épaisseur 50 mm, largeur 100 mm et longueur 125 mm ont été préparés. Tout d'abord, les échantillons ont été placés correctement pendant 4 minutes pour créer un flux constant de chaleur. La puissance de l'appareil a été fixée à 10 watts et les températures des deux côtés de l'échantillon ont été enregistrées. Puis après 5 min, la température et les images thermiques des deux côtés des échantillons ont été prises à nouveau. Les températures des thermogrammes ont été analysées à l'aide d'un logiciel d'imagerie thermique (logiciel IR Camera Report). Ensuite, la conductivité thermique des échantillons a été calculée à l'aide de l'équation. (2)45. Le transfert de chaleur, la surface et l'épaisseur étaient constants, tandis que T1 et T2 sont variables.

où : K = conductivité thermique, W/mK, Q = puissance fournie pendant le test, W, A = surface de la section transversale, m2, t = épaisseur, m, ΔT = (T1 − T2) = différence de température entre le premier point de région chaude et dernier point dans la région froide, K.

Les surfaces fracturées des spécimens brisés ont été soigneusement examinées après des essais mécaniques. Le but de cet examen est d'élaborer le mécanisme de rupture et de vérifier la liaison des fibres avec le béton. À cette fin, des images microscopiques des échantillons ont été prises à l'aide du microscope OPTIKA (BX53, Olympus) avec une puissance de grossissement de 2,5 ×. Dans cet examen, l'arrachement, l'effet de pontage et la rupture des fibres ont été étudiés.

La conception de l'expérience a été réalisée par la méthode Taguchi car c'est l'une des méthodes les plus courantes dans la recherche scientifique. Mais sa limitation est qu'il ne peut traiter qu'une optimisation de réponse unique. Il ne peut donc pas être utilisé directement pour l'optimisation multi-réponses. Les techniques d'optimisation sont les meilleures solutions pour de telles recherches. Différents types de techniques de modélisation et de simulation peuvent être utilisés en fonction des résultats expérimentaux pour trouver le rapport de mélange optimal pour le béton. Surtout pour les matrices de décision linéaires complexes, la technique logique FUZZY peut être utilisée. La méthode logique FUZZY est normalement utilisée pour trouver la variable inconnue. Comme la prise de décision multicritères (MCDM), la méthode TOPSIS peut être utilisée pour trouver la solution idéale. Dans ce travail, la méthode AHP-TOPSIS a été utilisée pour convertir les résultats de plusieurs réponses en une seule réponse. La technique TOPSIS (The order preference similarity to ideal solution) a été développée par des chercheurs46,47,48,49. AHP a été utilisé pour trouver la pondération des différents attributs qui a une échelle de 1 à 9 montrant une importance égale pour tous les attributs. Selon les performances sismiques souhaitées pour la résistance aux tremblements de terre, le bâtiment doit être résistant à la compression et doit présenter une résistance suffisante à la fente et à la flexion. La résistance à la compression est très importante dans cette analyse et compte tenu du nombre de 5. La résistance à la flexion et la résistance aux chocs ont une importance entre forte et modérée et étant donné le numéro 4. La résistance à la traction fendue a reçu le numéro 3 car elle a une importance modérée en cas de résistance aux tremblements de terre. AHP utilisé pour trouver la pondération des différents attributs a une échelle de 1 à 9 qui montre une importance égale pour les attributs.

TOPSIS comprend les étapes suivantes.

La méthode TOPSIS commence par une matrice de décision qui contient différents attributs. Leurs valeurs minimales, maximales et nominales sont prises en compte. Dans cette étude expérimentale, plus le facteur est élevé, plus il est considéré comme meilleur. L'ordre de préférence pour cette technique est l'impact, la traction, la flexion et la compression.

Dans la 2ème étape, les attributs sont normalisés en divisant chaque valeur d'attribut par une partie de la racine carrée de l'attribut respectif à l'aide de l'équation. (4).

Dans cette étape, les poids des différents attributs sont déterminés en fonction de la préférence des différents attributs par rapport à l'objectif. L'échelle de préférence peut être utilisée comme.

Les poids calculés des différents attributs sont normalisés en multipliant les poids par les valeurs normalisées de chaque attribut.

Les solutions idéales positives (v +) et les solutions idéales négatives (v -) sont calculées par la méthode suivante,

J est associé à un facteur bénéfique tandis que J̍ est associé à un facteur non bénéfique.

Dans cette étape, la distance peut être mesurée en séparant chaque alternative de la solution idéale.

Dans la dernière étape, le coefficient de proximité peut être calculé en utilisant Eq. (11).

L'analyse de la variance (ANOVA) a été effectuée à l'aide du logiciel Minitab (www.minitab.com) pour déterminer si les facteurs étaient significatifs ou non. À cette fin, les valeurs de p ont été examinées. La contribution en pourcentage de chaque facteur a également été indiquée sur le diagramme circulaire.

Les résultats de tous les tests effectués sont présentés dans le tableau 4.

La résistance du béton dépend de la résistance de la fibre, du rapport d'aspect, de l'orientation de la fibre et de la liaison entre la fibre et la matrice. Au lieu d'un écaillage comme le PC, des fissures diagonales et de cisaillement sont apparues sur des échantillons de FRC sous chargement de compression. La résistance à la compression du béton avec différentes fibres de déchets et différents pourcentages de renforcement a été testée. D'après le tableau 4 et la figure 4a, les résultats montrent qu'avec 0,5 % d'ajout de renforcement, il y a une diminution de la résistance à la compression pour tous les FRC, mais il n'y a pas de changement significatif dans la résistance à la compression du béton armé de déchets de caoutchouc. Lorsque le pourcentage de renforcement a augmenté à 1 %, les échantillons montrent une légère augmentation de la résistance à la compression par rapport à une charge de 0,5 % de déchets de fibres. Seuls les déchets de caoutchouc et le béton armé de laine de roche montrent une augmentation significative de la résistance à la compression, bien supérieure au PC, tandis que d'autres montrent une tendance à la baisse de la résistance à la compression. Le béton armé de déchets de caoutchouc a montré une résistance à la compression maximale à tous les niveaux de renforcement et l'échantillon à base de laine de roche a montré une augmentation uniquement avec une charge de fibres de 1 %. A 1 % de chargement d'armature, l'augmentation de la résistance à la compression est de 1 % pour les déchets de caoutchouc et de 20 % pour la laine de roche. La zone de transition interfaciale entre la pâte de ciment et les déchets de caoutchouc a rempli les vides, entraînant ainsi une augmentation de la résistance à la compression. Le caoutchouc seul n'a pas une liaison parfaite avec la matrice de ciment, mais dans le cas de déchets de caoutchouc (mélange de nylon et de caoutchouc styrène butadiène), le nylon a fourni une liaison parfaite et le styrène butadiène a fourni suffisamment de résistance au béton, comme le montre la Fig. 4. en ajoutant du caoutchouc, le mode de rupture du béton passe de la fragilité à la ductilité. La laine de roche a également une bonne adhérence avec la matrice du béton ; et ainsi, les résultats montrent une amélioration de la résistance à la compression. Le polyester a la plus faible force de liaison avec la matrice de béton et, par conséquent, présente une réduction significative de la résistance à la compression par rapport aux autres fibres. Le renforcement en fibre de coco montre une diminution de la résistance à la compression car la résistance de la fibre est réduite dans le béton en raison de l'absorption d'eau. Dans le cas d'un renfort en fibre de coco, la liaison entre la fibre et la matrice n'est pas parfaitement formée en raison de la présence de poussière sur la surface poreuse de la fibre50,51,52.

Performances mécaniques du béton fibré vis-à-vis du béton pur (a) Compression, (b) Flexion, (c) Impact et (d) Résistance à la traction.

La résistance à la flexion du béton est parfois réduite par l'ajout de l'armature, comme indiqué dans le tableau 4. À une charge de fibres de déchets de 0,5 %, tous les échantillons présentent une tendance à la baisse, à l'exception de l'échantillon R1, comme illustré à la figure 4b. Avec l'augmentation du pourcentage de fibres à 1 %, certains échantillons montrent une amélioration de la résistance à la flexion. Une addition supplémentaire de fibres à 1,5 % provoque une réduction de la résistance à la flexion dans tous les échantillons. La raison de l'amélioration de la résistance à la flexion dans l'échantillon R1 est que le renforcement dans ce cas est le mélange de nylon et de caoutchouc styrène butadiène (SBR). Le nylon a formé une liaison parfaite avec la matrice de ciment tandis que le SBR a fourni de la résistance et une certaine ductilité. L'effet de pontage des zones de renforcement avec la matrice environnante est obtenu. L'échantillon prend plus de charge et la propagation des fissures est retardée. Les échantillons qui ont montré une résistance à la flexion plus faible peuvent être dus à l'accumulation d'armatures à certains endroits dans le béton. Cela tend à réduire la résistance à la flexion du béton en certains points53. La résistance à la flexion du béton est réduite à un pourcentage d'armature plus élevé car il y a un risque d'emboîtement de l'armature et plus d'air est emprisonné à l'intérieur de l'échantillon de béton, ce qui entraîne une réduction de la résistance à la flexion54,55. En outre, la réduction est le résultat d'une plus faible rigidité à la flexion des fibres par rapport au béton en tant que matériau fragile.

Énergie d'impact des échantillons de béton augmentée par l'ajout de déchets fibreux. À 0,5 % d'armature dans le béton, l'amélioration est observée dans tous les échantillons, comme indiqué dans le tableau 4 et la figure 4c. Le PC est un matériau fragile, tandis que l'ajout de renfort contribue à la ductilité. L'augmentation de l'énergie d'impact est de 25 % pour les renforts en caoutchouc, verre et fibre de coco. L'amélioration de l'énergie d'impact en cas de renfort en polyester était de 13 %. Il n'y a pas d'amélioration significative de l'énergie d'impact du béton armé de laine de roche. À 0,5 %, l'amélioration de l'énergie d'impact a été attribuée aux macrofibres utilisées dans le béton. Ce type de macrofibres résiste à l'amorçage de fissures sous contraintes et absorbe plus d'énergie que le béton non fibreux55. Lorsque le pourcentage de renforcement dans le béton a augmenté à 1 %, les déchets de caoutchouc présentent une augmentation maximale de l'énergie d'impact d'environ 54 %. La fibre de coco, la laine de roche, le polyester et le verre présentent respectivement une amélioration de 40 %, 40 %, 33 % et 25 % de l'énergie d'impact par rapport au PC. Le renforcement en caoutchouc dans le béton peut être lié à la matrice environnante et réduire les vides. Il en résulte des structures plus solides qui présentent une résistance améliorée sous la force d'impact. L'augmentation de la fraction d'armature réduit efficacement la propagation des macrofissures dans le béton53. Ces types de béton fibré qui présentent une ductilité suffisante peuvent être utilisés dans des applications antisismiques49,50,51,52,53. L'ajout supplémentaire de renforcement tend à réduire l'énergie d'impact dans tous les échantillons, ce qui peut être dû au risque d'emboîtement du renforcement, ce qui entraîne une réduction de l'absorption d'énergie globale.

La résistance à la traction du béton n'est pas mesurée avec précision par la méthode d'essai de traction fractionnée en raison du champ de contraintes mixtes et des différentes orientations des fibres. La résistance à la traction fendue est utile car le modèle de rupture de l'échantillon de béton est défini comme fragile ou ductile. En ajoutant différentes armatures dans le béton, la résistance à la traction fendue du béton est considérablement réduite, mais la ductilité des échantillons est améliorée. Les échantillons renforcés notamment avec du caoutchouc et des fibres de noix de coco se sont scindés en deux morceaux lors de la première propagation des fissures. En raison de l'effet de pontage du renfort en caoutchouc et en noix de coco, il y a un meilleur transfert de charge vers les fibres qui ont tendance à montrer une ductilité améliorée. Des résultats similaires pour la performance sismique ont été obtenus par d'autres chercheurs53,54,55. Ces fibres dans le béton réduisent la rupture post-fissure dans le béton et augmentent la ductilité du béton. On peut également prédire que le FRC peut résister un peu plus longtemps aux forces de traction divisées par rapport au PC car les renforts en fibres présents dans le béton agissent comme des pare-fissures et résistent à la propagation des fissures. Les diagrammes à barres de la résistance à la traction fractionnée des échantillons de béton sont illustrés à la Fig. 4d. Étant donné que le test de traction fendu est similaire à un test de flexion de faible largeur, les résultats sont très similaires à ceux du test de flexion.

La conductivité thermique est un paramètre important pour accéder à la propriété du matériau, s'il est un bon isolant ou non. Les valeurs de conductivité thermique des échantillons de béton fibré à 1 % ont été évaluées pour détecter le comportement thermique. La conductivité thermique de tous les échantillons à un dosage de renforcement de 1 % est donnée en 4. La tendance de la conductivité thermique est illustrée à la Fig. 5. Les résultats montrent que le béton renforcé de fibres de laine de roche présente la conductivité thermique la plus faible avec une diminution de 43 % par rapport à l'échantillon de référence. . Les échantillons de béton renforcé de fibres de verre, de polyester et de noix de coco montrent respectivement une diminution de 41 %, 37 % et 31 % de la conductivité thermique par rapport à l'échantillon de référence PC. Par conséquent, les échantillons renforcés de laine de roche et de déchets de fibre de verre présentent une propriété d'isolation thermique plus élevée. La conductivité thermique du béton est considérablement réduite par le contenu fibreux en raison de la porosité de l'armature. Le béton contenant de la laine de roche et des déchets de fibre de verre comme armature peut être utilisé dans l'isolation thermique des bâtiments. Les images thermiques de tous les échantillons après une exposition de 5 minutes à une source de chaleur sont présentées à la Fig. 6.

Conductivité thermique.

Illustrations d'images thermiques d'échantillons.

L'imagerie thermique quantifie la température de l'autre côté de la surface chauffée des échantillons. Les échantillons ayant une résistance thermique plus élevée ont montré la plus faible dissipation thermique/perte de chaleur, comme le montrent les résultats de l'imagerie thermique de la Fig. 6. Les échantillons renforcés de laine de roche, de verre, de noix de coco et de fibres de polyester présentent une résistance thermique plus élevée, comme illustré sur la Figure. La région la plus claire montre un transfert de chaleur plus faible. L'échantillon de PC sans aucun renfort montre le transfert de chaleur le plus élevé indiqué par une luminosité maximale.

Des images microscopiques des échantillons de béton renforcé de fibres de déchets brisées ont été prises pour vérifier le schéma de liaison de la fibre avec la matrice de béton environnante. Après l'application de charges lors d'essais mécaniques, les échantillons se sont brisés en morceaux. Les images des surfaces fracturées sont présentées à la Fig. 7. La fixation de petits fragments et de particules suspendues indique l'effet de pontage des fibres dans le béton. En raison de l'effet de pontage des fibres de renforcement, le béton peut éviter une rupture soudaine et présenter une énergie post-fissure plus élevée que le PC. Les images montrent qu'une forte liaison est présente entre les déchets fibreux et le ciment. L'arrachement des déchets de fibres peut être observé dans certains cas sur les images. Une observation similaire a été faite pour la fibre de coco. Cependant, les déchets de polyester ont une liaison minimale avec le béton car les fibres sont pour la plupart hydrophobes et ont une affinité moindre avec le béton. Il est conclu après avoir effectué des expériences que le renforcement des déchets fibreux dans le béton aide à résister à l'initiation et à la progression des fissures.

Images microscopiques d'échantillons fissurés (a) Béton pur (b) Fibre de coco (c) Déchets de caoutchouc (d) Déchets de laine de roche (e) Déchets de polyester (f) Déchets de verre.

Toutes les données expérimentales du tableau 4 relatives aux performances mécaniques sont utilisées pour former une matrice dans laquelle les lignes représentent les alternatives et les colonnes représentent les attributs de la matrice de décision. Le tableau est analysé par la procédure mentionnée de la méthode Taguchi basée sur TOPSIS. Dans la première étape, la matrice est normalisée en utilisant Eq. (4). La matrice est normalisée en divisant chaque valeur d'attribut par la somme de la racine carrée de toutes les valeurs d'attribut de cette catégorie. Par exemple, la valeur de la résistance à la compression de PC est de 105,79 qui est divisée par la somme de la racine carrée de toute la valeur de la résistance à la compression qui est de 350,56. Cela donne la valeur normalisée de 0,30. Toutes les valeurs normalisées sont données dans le tableau 5.

Le poids de chaque matrice de décision est trouvé par la méthode AHP. Les pondérations sont données en fonction de l'importance de la propriété, par exemple la résistance à la compression a une forte importance avec un numéro 5 donné, la résistance à la flexion et la résistance aux chocs reçoivent le numéro 4 car elles ont une importance entre forte et modérée. La résistance à la traction fendue a une importance modérée et se voit attribuer le numéro 3. Le poids et les valeurs normalisées pondérées sont calculés à l'aide des équations. (5) et (6). Les poids normalisés sont donnés dans le tableau 6.

Les solutions idéales positives et négatives ont été calculées par les équations. (7) et (8). La distance de séparation de la solution idéale positive et négative peut être calculée en utilisant l'équation. (9). Dans la dernière étape, en utilisant Eq. (10) le coefficient de performance global le plus proche de la solution idéale a été calculé. Les coefficients de proximité sont présentés dans le tableau 7.

Une analyse de variance (ANOVA) a été effectuée à un niveau de confiance de 95 % pour vérifier la signification du type de déchets fibreux et du pourcentage de renforcement dans le béton. L'analyse de la variance est présentée dans le tableau 8. La valeur p qui est de 0,008 indique l'importance du type de déchets de fibres à un niveau de confiance de 95 % tandis que le pourcentage de renforcement a une valeur p de 0,019 indiquant un effet significatif sur la performance du béton.

Le graphique de l'effet principal du coefficient de proximité et le diagramme circulaire de la contribution globale des facteurs sont illustrés à la Fig. ferraillage efficace dans le béton. Le graphique des effets principaux montre que le pourcentage de déchets n'améliore pas significativement les performances du béton. Le chat circulaire montre la contribution globale des facteurs. Le type de déchets de fibre utilisé comme armature a la contribution la plus élevée (59%) sur la performance sismique du béton.

(a) Tracé des effets principaux et (b) Diagramme circulaire.

Le coefficient de proximité qui a la valeur la plus élevée indique le rapport de mélange optimal de FRC. Un test de confirmation a également été effectué pour vérifier la méthodologie TOPSIS. Dans le test de confirmation, les échantillons ont été préparés selon un rapport de mélange optimal, c'est-à-dire 1 % de caoutchouc comme armature dans le béton. Des échantillons ont été préparés et testés pour vérifier l'erreur maximale dans le rapport de mélange optimal. Les résultats du test de confirmation pour tous les tests sont présentés dans le tableau 9. L'erreur maximale calculée est de 6,681 %, ce qui montre la satisfaction des résultats du test. Ainsi, il a été confirmé que l'ajout de 1 % de déchets de caoutchouc dans le béton augmente la performance sismique globale du béton.

Le coût du béton armé de PC et de 1% de déchets de caoutchouc a été étudié pour confirmer que le remplacement du ciment par des déchets conduit à réduire considérablement le coût du béton. Tout d'abord, le coût global a été calculé pour fabriquer les échantillons PC qui ont un volume total de 11 250 cm3. Le ciment utilisé pour les échantillons a coûté 1 USD, le sable a coûté 0,22 USD et les granulats grossiers ont coûté 1,10 USD. Le coût total était de 2,32 USD. En utilisant des déchets de caoutchouc comme renfort de 1 % dans le béton, il occupait 8 % de volume en plus avec le même coût encouru. Ainsi, FRC a réduit le coût global du béton, ce qui conduit à des logements bon marché/abordables. L'estimation des coûts est présentée dans le tableau 10.

La réutilisation des déchets industriels est un phénomène mondial pour un avenir durable. Brûler/déverser des déchets cause des dommages à l'écosystème, ce qui a un impact néfaste sur l'environnement. Dans cette étude, différents déchets fibreux industriels ont été utilisés dans le béton en différents pourcentages. Dans l'ensemble, le béton renforcé avec des matériaux fibreux de déchets améliore non seulement les performances sismiques en termes de propriétés mécaniques et thermiques, mais réduit également le problème de traitement des déchets. Résistance à la compression du béton augmentée par l'ajout de déchets de caoutchouc et de laine de roche à 1 % et 2 % de chargement respectivement. Les déchets de caoutchouc à 0,5 % d'ajout montrent une augmentation de 4 % de la résistance à la flexion. Avec l'augmentation du pourcentage, la résistance à la flexion de l'échantillon de béton diminue. L'énergie d'impact de tous les échantillons a augmenté avec l'ajout de déchets fibreux comme renfort. L'augmentation maximale de l'énergie d'impact se produit avec des déchets de caoutchouc à une charge de 1 %. La résistance à la traction fendue du béton a été affectée négativement par l'ajout de déchets de fibres. La conductivité thermique du béton a été considérablement réduite par l'ajout de déchets de fibres. Le renforcement de la laine de roche et de la fibre de coco dans le béton a considérablement réduit la conductivité thermique du béton, ce qui en fait un matériau de construction économe en énergie. À partir d'une analyse statistique (TOPSIS), il a été prouvé que l'échantillon R2 (avec 1 % de fibre de caoutchouc) présente les performances sismiques globalement les plus favorables. L'ajout de 1 % de caoutchouc dans le béton augmente la résistance à la compression, la résistance à la flexion et la résistance aux chocs du béton. Ainsi, il est recommandé d'utiliser l'échantillon R2 pour les bâtiments à faible coût résistants aux tremblements de terre/sismiques. Par conséquent, les déchets industriels peuvent être utilisés de manière utile comme matériau de construction pour un avenir durable. De plus, en utilisant le renforcement des fibres de déchets, le coût global de la construction diminuera également, ce qui conduira à des logements à faible coût avec une meilleure capacité sismique pour les zones sujettes aux tremblements de terre.

Des recherches futures peuvent être menées pour utiliser d'autres types de déchets agricoles et de consommation dans la construction de bâtiments. Les performances peuvent être évaluées à des températures extrêmes pour déterminer les performances dans les environnements arctiques et tropicaux. En outre, l'influence des facteurs environnementaux, par exemple l'humidité, la salinité, etc., peut être étudiée pour la durabilité du béton renforcé avec des fibres de déchets.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

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Ce travail a été soutenu par le projet HEC n° 16003 intitulé "Seismic Capacity Assessment of Textile Fiber Reinforced Infill Walls in Reinforced Concrete Structures: A Step Towards Affordable Housing" et par l'agence de subvention interne de la Faculté d'ingénierie de l'Université tchèque des sciences de la vie de Prague, projet " Développement et caractérisation de matériaux composites polymères avec charge naturelle" (31140/1312/3105).

Université nationale du textile, Faisalabad, Pakistan

Husain Ali et Hafsa Jamshaid

Département des sciences des matériaux et des technologies de fabrication, Faculté d'ingénierie, Université tchèque des sciences de la vie de Prague, Kamycka 129, 165 00, Prague, République tchèque

Rajesh Mishra, Vijay Chandan, Petr Jirku, Viktor Kolar et Miroslav Muller

Département des technologies durables, Faculté d'agroscience tropicale, Université tchèque des sciences de la vie Prague, Kamycka 129, 165 00, Prague, République tchèque

Shabnam Nazari

Génie civil, Université d'ingénierie et de technologie, Peshawar, Pakistan

Khan Shahzada

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Conceptualisation : HA, HJ, RM, VC, PJ, VK, MM, SN, KS ; Méthodologie : HA, HJ, RM, VC, PJ, VK, MM, SN, KS ; Analyse formelle et enquête : HA, HJ, RM, VC, PJ, VK, MM, SN, KS ; Rédaction—préparation du brouillon original : HA, HJ, RM, VC, PJ, VK, MM, SN, KS ; Rédaction—révision : HA, HJ, RM, VC, PJ, VK, MM, SN, KS ; Acquisition de financement : HJ, RM, PJ, MM, KS ; Ressources : HJ, RM, PJ, MM, KS ; Supervision : HJ, RM, MM, KS

Correspondance à Rajesh Mishra.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Ali, H., Jamshaid, H., Mishra, R. et al. Optimisation des performances sismiques des déchets de béton fibré par la méthode TOPSIS. Sci Rep 13, 8204 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35495-9

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Reçu : 07 avril 2023

Accepté : 18 mai 2023

Publié: 21 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-35495-9

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