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LES ASPECTS REGLEMENTAIRES
Classification et règlementation en France et en Europe
Tout d’abord, il faut noter que les cendres volantes de centrales thermiques sont considérées comme un “déchet“ dans la liste du Décret de la communauté européenne numéro 2002-540 du 18 avril 2002 relatif à la classification des déchets. Elle classe les cendres volantes en tant que Résidu de Procédé Thermique (RPT), qui porte le numéro de code 10 01 02 lorsqu’il provient d’une centrale thermique à charbon pulvérisé et 10 01 19 lorsqu’il provient de centrales à Lit Fluidisé Circulant. Elles ne sont pas classées “déchet industriel spécial“ et ne sont pas non plus considérées comme un déchet dangereux [Décret n° 2002-540 du 18 avril 2002 du 15 mai 1997 relatif à la classification des déchets du ministère de l’environnement].
En ce qui concerne la documentation administrative, on peut citer la circulaire n°96-85 du 11 Octobre 1996, relative aux cendres issues de la filtration des gaz de combustion de combustibles d’origine fossile dans des installations classées pour la protection de l’environnement : dans cette circulaire il s’agit principalement de notifier les modalités d’élimination et de valorisation des cendres volantes de charbon issues des installations de combustion. Il y est préconisé de bien déterminer les caractéristiques physico-chimiques par des contrôles périodiques ou par une corrélation entre les compositions du combustible utilisé et les compositions des cendres volantes de charbon correspondantes.
Plusieurs normes concernent aujourd’hui les cendres volantes de charbon provenant des centrales thermiques (essentiellement charbon pulvérisé « CP » et lit fluidisé « LF »). Le Tableau A- 2 représente un listing chronologique de ces normes qui sont spécifiques aux cendres volantes, ainsi que celles qui concernent les produits ou applications qui leur sont liées.
LES CENTRALES THERMIQUES A CHARBON
Les centrales thermiques peuvent être équipées de différents types de chaudières. Cependant pour celles qui fonctionnent avec le charbon comme combustible solide, on trouve 3 principales catégories de foyers, dont celles qui seront développées par la suite:
• Les foyers à charbon pulvérisé (CP);
• les foyers à grille;
• les foyers à lit fluidisés (LF).
En dehors de ces différents types de foyers, les composantes des chaudières à combustible solide sont relativement identiques dans les trois familles. Ces systèmes comprennent une alimentation en carburant et en air, un surchauffeur, un ‘generating bank’, un économiseur, un système de chauffage de l’air et un système de manutention des cendres.
En ce qui concerne la récupération des cendres volantes, les fumées de combustion passent par des dépoussiéreurs électrostatiques appelés électro-filtres, capables de capter quasiment l’intégralité des cendres volantes. L’addition de filtres à manches donne la possibilité d’avoir des rendements à 99.9% de dépoussiérage des fumées. Le temps escompté à la combustion du charbon, à la fusion, au trajet dans le flux de gaz jusqu’aux filtres n’est que de quelques secondes [Hower 2012].
Pour la récolte et le stockage, ils s’effectuent en fonction de leur conformité aux normes en vigueur (NF EN 450). Celles qui pourront être employées dans les ciments et bétons sont conservées à l’abri de l’humidité et de l’air dans des silos, puis transportées par camion-benne ou wagon protégés contre les pluies. Les cendres non conformes à la norme NF EN 450-1 et non calciques sont mouillées pour éviter leur envol sous l’effet du vent, puis entreposées à l’extérieur en attendant d’être portées sur des aires de stockage.
Les foyers à charbon pulvérisé (CP)
Les chaudières à charbon pulvérisé ont généralement des puissances atteignant plusieurs centaines de mégawatts. La Figure A- 4 illustre le fonctionnement de ce type de foyer. Tout d’abord le charbon est broyé afin de le réduire en poussière fine qui va servir de combustible. Une fois mélangée à l’air, cette poussière est injectée puis brûlée dans une chaudière dont la température de combustion est comprise entre 1200 et 1700°C [Blisset & Rowson, 2012]. Cette combustion produit la chaleur nécessaire pour chauffer l’eau qui circule dans des tuyaux. Sous l’effet de la chaleur, l’eau se transforme en vapeur à haute pression et permet d’entraîner une turbine. Les rotations de cette turbine (énergie cinétique) sont alors transformées en énergie électrique grâce à un alternateur qui convertit l’énergie transmise par la turbine. Ce mécanisme basé sur l’entraînement d’une turbine par la vapeur est identique à celui des autres centrales thermiques (gaz, fioul, nucléaire). La technique de ce type de foyer, qui consiste donc à pulvériser la poussière de charbon et à la mélanger avec de l’air, est largement utilisée dans les centrales à charbon. Toutefois, la rentabilité énergétique de ce procédé dépend de la qualité du charbon. Le pouvoir calorifique du charbon dépend notamment de sa teneur en carbone. (Tableau A- 1).
Les grilles de combustion
Les principaux types de grilles
Parmi les types de grilles de combustion, on peut distinguer principalement :
– Les grilles à gradins qui constituent un plan incliné mouvant sur lequel le combustible brûle en couche. La couche de combustible est insérée en haut de la grille, souvent à l’aide d’un poussoir, et le mouvement de la grille fait avancer le combustible en ignition. En bas de la grille, il ne reste plus que les cendres qui sont évacuées dans une fosse. Les grilles à gradins sont plutôt utilisées pour les petites chaudières (jusqu’à 2 ou 3 MW environ) ou pour les ordures ménagères.
– Les grilles mécaniques sont constituées d’un tapis roulant métallique perméable à l’air. Ces grilles utilisent le principe de combustion en couche. Elles sont utilisées presque exclusivement pour le charbon sur une très vaste gamme de puissance de quelques mégawatts à plus de 100 MW.
– Les foyers « volcans », aussi appelés « understoker ». Le combustible est introduit par le dessous de la grille. Ce principe est utilisé pour des puissances n’excédant pas quelques MW.
– Le spreader stoker : Ce type de grille est plus détaillé ci-dessous car il s’agit de celui qui nous intéresse plus particulièrement.
NB : Cette liste n’est pas exhaustive tant il existe de techniques de grilles
Le Spreader Stoker (SS)
Le spreader stoker utilise le principe de projection du combustible dans tout l’espace de la chambre de combustion. Le spreader stoker est capable de fonctionner sur une large plage d’utilisations et permet de faire varier facilement la puissance. Le principe de combustion est homogène et régulier dans le temps, il n’y a pas d’à coups dans l’alimentation du combustible, ce qui évite des pics de pollutions.
Un spreader-stoker est constitué :
d’un système d’alimentation et de dosage du combustible spécifique à chaque type de combustibles en fonction de sa granulométrie, de sa propension à s’enchevêtrer, voûter, coller, ou inversement à s’écouler très facilement. Pour les combustibles les plus fins, il s’agit généralement d’un système de tambour alvéolaire. Pour les combustibles ayant une granulométrie plus élevée, on utilise plutôt des systèmes à chaînes ;
d’un système de projection du combustible dans la chambre de combustion, qui peut fonctionner par projection mécanique ou pneumatique en fonction de la nature du combustible (ces différents types de projection sont détaillés par la suite) ;
d’une grille de combustion qui retient le combustible en fin de combustion et évacue les cendres.
La Figure A- 5 présente le schéma de fonctionnement d’un foyer Spreader Stoker, le combustible est projeté dans la chambre de combustion et brûle en grande partie en suspension. La combustion se termine en couche mince sur la grille. Les cendres accumulées sur la grille sont évacués par différents moyens selon le type de grille.
Les centrales thermiques Spreader Stoker sont conçues pour fonctionner de façon optimale à des puissances allant de quelques MW à plus de 100 MW avec des matières premières issues de la biomasse (bois, écorces, déchets de coupe, bagasse, coques de coton, de fibres de palmistes, de café, de riz, d’arachides, de tournesol, rafles de raisins, paille etc.). Cependant, elles peuvent aussi être utilisées dans la combustion des charbons tourbes et lignites. Cette technologie est notamment parfaitement adaptée aux combustibles très humides tels que la bagasse (déchet de canne à sucre). En revanche, les combustibles doivent avoir une granulométrie maîtrisée et ne pas comporter de corps étrangers. C’est la raison pour laquelle l’utilisation d’un spreader stoker en usine d’incinération des ordures ménagères par exemple, nécessite un pré traitement des ordures. Dans ce type de centrale thermique, on a deux principales sous-catégories :
Le Spreader Stoker pneumatique (illustration en Figure A- 6), dont le principe consiste à souffler le combustible dans la chambre de combustion, a été créé dans le but de pouvoir valoriser les résidus des exploitations de la canne à sucre (la bagasse). Le système a été utilisé par la suite avec plusieurs autres types de végétaux. Ce procédé permet une combustion rapide et complète. Le système de distribution du combustible permet de suivre avec la plus grande souplesse les variations de charge imposées par le système de régulation de la chaudière. Les cendres oxydées s’accumulent entre la grille et le combustible en ignition, celles-ci sont refroidies par le soufflage d’air à travers le plan de grille, ainsi elles restent toujours granulaires et ne collent pas aux barreaux.
Le spreader stoker pneumatique est développé avec deux types de grilles différentes : *La grille basculante, qui est divisée en zones de barreaux pivotants transversaux, actionnés par des dispositifs de basculement automatiques, le déversement des cendres étant provoqué par basculement périodique du plan de grille.
*La grille tournante forme un tapis roulant métallique permettant l’évacuation constante des cendres, le plan de grille étant formé par des barreaux qui sont indépendants des chaines de tractions. Pour ces deux types de grille, les barreaux sont en fonte spéciale avec une forme qui leur octroie un coefficient de refroidissement élevé.
Le Spreader Stoker pneumatique peut fonctionner en service continu dans les mêmes conditions que si on utilisait un combustible traditionnel. Il est également possible d’associer dans le foyer d’autres équipements de combustion pour un fonctionnement mixte avec un autre combustible tel que charbon, le fioul ou le gaz.
Le Spreader Stoker mécanique fait partie aujourd’hui des procédés les plus performants pour la combustion du charbon dans des gammes de moyennes puissances. Avec ce procédé, le charbon est projeté et réparti dans la chambre de combustion à l’aide de pales rotatives, puis une lame d’air assure la diffusion des fines. Le spreader stoker mécanique est constitué d’un ou plusieurs projecteurs mécaniques qui assurent le dosage et la distribution du charbon dans la chambre de combustion, une grille tournante qui assure l’évacuation des cendres en continu, un système d’injection d’air de turbulence et d’un système de réinjection des cendres volantes.
Le système de spreader stoker mécanique permet d’utiliser le charbon d’une façon aussi souple que le fioul ou le gaz.
NB : Les foyers LF ne sont pas développés dans cette partie car le procédé est très différent et donc mène à des cendres peu comparables avec les cendres de charbon pulvérisé ou celles de Spreader Stoker.
CARACTERISTIQUES DES CENDRES VOLANTES DE CHARBON
Les cendres volantes de centrales thermiques sont composées habituellement d’un mélange de composés minéraux et organiques provenant du charbon et des espèces formées durant la combustion dans la chaudière et dans le flux gazeux [Hower, 2012]. C’est dans ce sens que leurs propriétés physico-chimiques et minéralogiques seront liées au type de charbon, aux conditions de combustion, au mode de traitement des fumées et à la nature du stockage [Pandey et al., 2010; Meij & Winkel 2007]. Dans ce paragraphe, il s’agira principalement d’une bibliographie sur les cendres siliceuses qui sont celles dont se rapprochent le plus des cendres volantes provenant de chaudière Spreader Stoker.
Composition chimique
Les éléments principaux dans une cendre volante de charbon de centrale thermique sont le silicium (Si), l’aluminium (Al), le calcium (Ca) et le fer, ensuite le magnésium (Mg), le potassium (K), le sodium (Na), le soufre (S), le phosphore (P) et le titane (Ti) en pourcentages moins importants. Elles possèdent aussi de nombreux éléments traces tels que l’arsenic (As), le baryum (Ba), le cadmium (Cd), le cuivre (Cu), le manganèse (Mn), le nickel (Ni), le strontium (Sr), le zinc (Zn), ainsi que certains comme le mercure (Hg), le cobalt (Co) et le chrome (Cr), contenus dans la fraction la plus fine des cendres [Pandey & Singh, 2010 ; Pontes et al., 2010 ; Blisset & Rowson, 2012]. Enfin on retrouve des éléments rares comme l’uranium (U), le thorium (Th), néodyme (Nd), samarium (Sm), lanthane (La), yttrium (Y) et gadolinium (Gd) [Smolka-Danielowska, 2010]. Le Tableau A- 4 est un récapitulatif des compositions chimiques de cendres volantes de centrales thermiques retrouvées dans la littérature.
Il existe un matériau de référence standard, pour les cendres volantes de houille, proposé par le National Insitute of Standards ans Technology [NIST, Gaithersburg, Etats-Unis], dont les teneurs certifiées et non certifiées figurent sur le Tableau A- 4. Ainsi pour un pays comme la France, qui dispose de plusieurs types de charbon importés [Tiruta-Bama et al., 2006], les teneurs proposées par le NIST peuvent être acceptées et prises comme référence dans le cas des cendres volantes silico-alumineuses.
Des intervalles de valeurs pour plusieurs éléments traces déterminés à partir de 23 cendres volantes produites dans des centrales CP européennes ont été donnés par les travaux de Moreno et al. (2005) (Tableau A- 4). Ce sont Barbosa et al. (2011) qui ont fourni des données relatives à des cendres récentes venant de cendres volantes de centrale LFC (Tableau A- 4).
Les cendres volantes de spreader stoker (SS) ne disposent pas de ce type de données.
Jambhulkar et Juwarkar (2009) ont noté que les cendres volantes présentent, suite à un stockage prolongé (exemple de cendres provenant d’un dépôt de 10 hectares), une différence de teneurs de quelques métaux : augmentation des teneurs en Cd et diminution pour Cr, Cu, Pb, Zn, et Ni. Par rapport à la référence du NIST, les concentrations de cendres volantes datant d’une soixantaine d’année ont quasiment toutes diminuées avec l’âge [Bednar et al., 2010]. Dans le but de pouvoir confronter ces résultats avec des cendres de fraîches productions, ces valeurs sont explicitées dans le Tableau A- 4.
Caractéristiques environnementales
La solubilité des éléments contenus dans les cendres volantes dépend des phases auxquelles ils sont liés (phase vitreuse ou cristallisée) et aux conditions (pH, température…) auxquelles ils sont exposés [Blisset & Rowson, 2012].
Le pH des cendres volantes se situe entre 4,5 et 12,0, suivant la teneur en soufre du charbon d’origine ainsi que de leur teneur en hydroxydes et en carbonates de calcium et de magnésium qui dépendent du procédé de combustion [François et al., 2006 ; Jambhulkar& Juwarkar, 2009 ; Pandey & Singh, 2010]. Des études ont montré que l’acidité de l’éluât issu d’une cendre volante va dépendre du rapport Ca/S. En effet, si ce rapport est inférieur à 2,5, l’éluât sera acide et si Ca/S est supérieur à cette valeur, l’éluât sera alcalin [Anisworth & Rai, 1987 ; Pandey & Singh, 2010]. Comme le montre l’échantillon de référence du NIST présenté dans le Tableau A- 4, avec un rapport Ca/S de 7.5, l’effet via le pH a une conséquence importante sur la lixiviabilité des cendres volantes [Izquierdo & Querol, 2012]. Il a été observé que dans la zone de pH 7-10, les éléments Cd, Co, Cu, Fe, Mg, Mn, Ni, Pb, Si, Ti, U et Zn ont une solubilité minimale contrairement aux anions As, Cr, Se, V et W qui ont un maximum solubilité même si la présence de Ca réduit le relargage de As et de V [Izquierdo & Querol, 2012]. La lixiviation des cendres volantes (classe C) de centrale thermique montre qu’elles relâchent d’abord les sels KCl, BaCrO4, NaCl, CaSO4.H2O [Tiruta-Barna et al., 2010]. Selon les études de Lapa et al. (2007) et de Rakotoaisoa (2003), la méthode de lixiviation préconisée par la norme EN12457-2 a conduit à une faible solubilité des éléments traces (As, Cd, Hg, Ni, Pb et Zn) de cendres volantes issues des chaudières LF [Lapa et al., 2003] et CP [Rakotoarisoa, 2003].
La radioactivité des cendres volantes de charbon est très liée à celle du charbon d’origine. Smolka-Danielowska (2010) a présenté, en se basant sur des références correspondant au charbon de pays tels que le Brésil, le Canada, les USA, le Japon ou la Pologne, que le charbon renfermait en moyenne 1 mg/kg d’uranium et 3 mg/kg de thorium. Selon Meij & te Winkel (2007), l’enrichissement relatif des cendres volantes par rapport à leur charbon d’origine est quasiment nul concernant ces éléments.
En prenant comme repère la radioactivité naturelle (eau de mer) égale à 12 Bq/kg (activité exprimée en becquerels par kg), celle du corps humain avoisinant les 130 Bq/kg due au potassium (K-) et la radioactivité naturelle du granite qui atteint les 1000 Bq/kg, des données sur plus de 20 échantillons étudiés par Smolka-Danielowska (2010) en Pologne ont mené à une radioactivité des cendres qui dépend surtout des radionucléides U-238 (12 à 79 Bq/kg), Th-232 (34 à 141 Bq/kg) et K-40 (environ 130 Bq/kg). D’autres études ont conduit à des résultats différents, qui placent comme radionucléides principaux les éléments Ra-226 (environ 200 Bq/kg), Th-232 (environ 200 Bq/kg), et K-40 (environ 130 Bq/kg) [Kovler et al., 2005]. Cependant, bien que la teneur en Ra-226 des CVC dépasse plus de trois fois celle d’un ciment Portland, le taux d’exhalation du radon des cendres volantes est environ 14 fois plus petit. Les autres radionucléides qui ont été identifiés dans les CVC sont Ra-228, Pb-210, Ru-222 et Ru-220 [Pandey & Singh, 2010].
LES EFFETS DES CENDRES VOLANTES DE CHARBON SUR LES MATERIAUX À BASE DE CIMENT
Les effets des cendres volantes de charbon sur les matrices à base de ciment, étudiés depuis plusieurs décennies maintenant, ont fait l’objet d’une multitude d’ouvrages et de publications. Les avantages de l’incorporation des cendres siliceuses dans les matrices à base de ciment, mais surtout leurs inconvénients liés notamment à la quantité de carbone contenus dans les cendres volantes de charbon, seront abordés ici. Il faut aussi retenir que la liste des effets abordés par la suite reste non exhaustive, étant donné le nombre de références rencontrées.
Effets positifs à l’incorporation des CVC siliceuses dans les matrices à base de ciment
Avantages à l’état frais
Un des avantages notables du remplacement de ciment par des cendres volantes dans la fabrication de béton est une réduction de la chaleur d’hydratation. La prise des matrices à base de ciment est accompagnée de réactions exothermiques qui causent une augmentation de température dans les ciments et bétons. Le remplacement d’une partie du ciment dans la fabrication de bétons conduit notamment à une baisse de la chaleur d’hydratation non négligeable, évitant par la même occasion des fissures dues à une grande variation de température après refroidissement, lors du coulage de certains types d’ouvrages [Phileo, 1967]. Les travaux d’Elfert ont confirmé l’évolution de température des bétons ainsi que l’effet des cendres volantes sur la baisse de la chaleur d’hydratation [Elfert, 1973]. Des
mesures de température sur 35 jours, sur un ouvrage témoin à 167kg/m3 de ciment, comparé à deux autres avec respectivement 30% de remplacement par des cendres volantes et 30% de remplacement par des schistes diatomées calcinées, ont été réalisés et les essais ont conduit à un écart allant jusqu’à environ 5°C dès le dixième jour [Elfert, 1973].
Ces premières études, ayant porté sur des ouvrages en béton de grande taille, n’ont pas toujours tenu compte des autres facteurs tels que les pertes de chaleur, les propriétés thermiques du béton et le type d’ouvrage. C’est dans ce sens que Williams et Owens (1982) ont présenté une estimation de l’effet des dimensions de l’ouvrage sur les augmentations de température des bétons de cendres volantes. Bamforth [Bamforth, 1980] a fait une étude approfondie in situ sur des fondations en béton contenant des cendres volantes ou du laitier de haut fourneau en remplacement du ciment. Ces études ont mené à la conclusion que plus on remplaçait de ciment par des cendres ou du laitier, plus l’évolution de température était lente et plus bas était le maximum de température atteint lors de l’hydratation.
Un autre avantage de l’utilisation des cendres volantes de charbon dans les matrices à base de ciment est la réduction de leur demande en eau par rapport à un témoin ne contenant que du ciment Portland [Fliert Van Der, 1956 ; Guillaume, 1963 ; Venuat, 1962 ; Venuat, 1965 ; Venuat, 1966 ; Wesche, 1990 ; Wierig, 1970]. Cependant, il faut noter que la demande en eau des cendres volantes est très liée à la perte au feu, à la finesse, à la composition et à la forme des grains des cendres.
Un effet positif qui peut être lié à cette réduction de la demande en eau est l’amélioration de la maniabilité. De manière générale, pour les cendres siliceuses, la maniabilité d’un béton (ou mortier) avec remplacement d’une partie de ciment est meilleure que celle du béton sans cendres volantes pour un même rapport E/L. Cependant, ce comportement peut être différent selon la qualité de la cendre et ses caractéristiques. Selon Owens [Owens, 1979], le principal facteur qui influence les effets des cendres sur la maniabilité du béton est la proportion des matériaux grossiers (> 45µm) dans la cendre.
Cette amélioration de maniabilité induite par l’incorporation des cendres volantes s’accompagne d’un pompage plus facile du béton [Jacobs, 1982 ; Keller, 1983 ; Wogrin, 1960 ; Wesche, 1990], d’une meilleure compaction, fluidité et plasticité de façon générale [Babatchev, 1980 ; Bottke, 1982 ; Jacobs, 1978 ; Keller, 1983 ; Lewandowski, 1983 ; Maengel, 1971 ; Rose et Russel, 1959 ; Wogrin, 1960 ; Wesche, 1990]. Les efforts de coulage et de compactage sont réduits [Jacobs, 1982 ; Lewandowski, 1982] avec par conséquent moins de risque de retassure en surface [Babatchev, 1980 ; Chu et al., 1955 ; Wesche, 1990]. La capacité d’agglomération des bétons de cendres volantes est plus élevée [Gross, 1979 ; Korac, 1983] et le ressuage réduit [Bottke, 1982 ; Venuat, 1966 ; Wesche, 1990].
Avantages à l’état durci
Le pouvoir pouzzolanique et/ou hydraulique des cendres volantes de charbon :
Les cendres volantes de charbon sont dites pouzzolaniques lorsque, mélangées avec de la chaux et de l’eau, elles font prise et forment des hydrates stables. On les considère comme hydrauliques lorsque mélangées à de l’eau seule, il y a un phénomène de durcissement à l’instar du ciment. Le pouvoir pouzzolanique des cendres est généralement retrouvé dans les cendres siliceuses provenant de centrales CP classiques mais aussi de centrales LF, alors que le pouvoir hydraulique est retrouvé essentiellement dans les cendres silico-calciques des centrales LF (avec injection de calcaire). En effet, les cendres à haute teneur en calcium, composées principalement d’une phase vitreuse avec quelques phases cristallisées (dont C2S, C3A, CaSO4, MgO, CaO libre et C4A3$) forment avec l’eau de l’ettringite, des monosulfoaluminates hydratés et des C -S-H qui sont responsables du durcissement. Ghosh et Pratt [Ghosh et Pratt, 1981] ont noté que le comportement des C2S et des C3A, lors de l’hydratation des cendres volantes, est le même que celui dans le ciment, sauf pour la formation des C -S -H à partir de la phase vitreuse qui est assez lente en comparaison. Les cendres volantes à faible teneur en calcium font prise lorsque des alcalins ou de la portlandite sont rajoutés au mélange. Des produits tels que les C-S-H, C2ASH8 et C4AH13 sont ainsi formés, puis C3AH6 qui sera formé à un stade ultérieur [Uchikawa, 1986]. Plus la portlandite va être fournie, plus elle va être consommée et fixée par la silice et l’alumine de la cendre. Le degré d’hydratation de la cendre augmente en présence de gypse, car la surface est activée par la destruction de la structure vitreuse, libérant ainsi des alumines qui vont réagir avec les sulfates.
L’existence de ces réactions pouzzolaniques induit ainsi une production des résistances mécaniques à long terme. Cependant, le développement des résistances de bétons aux cendres volantes est influencé par plusieurs variables dont les principales sont : les propriétés de la cendre, sa composition chimique, la taille de ses particules et sa réactivité, mais aussi les conditions de cure du béton. C’est ainsi, que certaines des premières cendres volantes étudiées ont eu comme effet de réduire les résistances mécaniques à tout âge, car elles présentaient beaucoup de particules grossières et un taux d’imbrûlés relativement élevé [Lamond, 1983]. Une étude sur 10 cendres volantes de classe F de différentes sources a mené à la conclusion que ces cendres étaient plus sensibles que les cendres de classe C ou que les bétons témoins, aux basses températures de cure. Cette étude a montré l’importance d’une cure adaptée au type de béton, pour le développement des résistances de bétons avec ou sans cendres volantes. D’autres études, dont celle de Takaisky [Tikaisky et al., 1988], ont montré que les résistances (flexion et compression) à court terme des bétons de cendres volantes étaient légèrement plus faibles que celles des bétons témoins, mais les dépassaient clairement à long terme. Le fluage était aussi réduit pour des conditions d’essais identiques et le retrait similaire ou réduit par rapport aux bétons témoins, pour des conditions de cure similaire.
La réduction de la porosité a été observée de façon qualitative et/ou quantitative dans de nombreuses études microstructurales de pâtes de ciments + cendres volantes, et il y a un agrément général sur le fait que les cendres volantes réagissent avec la chaux dans l’environnement alcalin d’un ciment hydraté [Cabrera & Plowman, 1982 ; Diamond, & al., 1980 ; Ghose & Pratt, 1981 ; Jambor, 1963 ; Kokubu & Yamada, 1974 ; Montgomery & al., 1981 ; Plowman & Cabrera, 1981]. Les principales divergences dans la littérature portent surtout sur l’âge du commencement de la réaction pouzzolanique, les résultats variant de 3 à 28 jours. Manmohan et Mehta [Manmohan & Mehta, 1981] ont observé que la transformation de pores larges en pores plus fins sont la conséquence de la réaction pouzzolanique entre le ciment portland et les cendres volantes, réduisant ainsi la perméabilité de la matrice cimentaire.
L’utilisation des cendres volantes a donc aussi été observée sous l’aspect d’une diminution de la perméabilité dans les bétons de cendres volantes, avec pour conséquence avantageuse une augmentation de leur durabilité. En effet, il est généralement observé que moins un béton est perméable, plus il est résistant aux solutions agressives et aux eaux pures [Ramezanianpour, 2013]. Plusieurs investigations ont été faites dans ce sens, tels que les travaux de Davis [Davis, 1954]. La perméabilité de tuyaux en béton avec et sans cendres volantes a été mesurée à 28 jours et 6 mois et les résultats (Tableau A- 8) montrent que la perméabilité était directement reliée au temps d’hydratation. En effet, à 28 jours, alors que la réaction pouzzolanique en est à ses débuts, les bétons de cendres volantes sont plus perméables que les témoins ; à 6 mois, très probablement grâce à la réaction pouzzolanique au sein de la matrice cimentaire, la perméabilité des bétons de cendres volantes est très nettement diminuée et est inférieure à celle des bétons témoins.
Les effets négatifs des CVC à leur incorporation dans les matrices à base de ciment
L’incorporation de cendres volantes dans la fabrication de ciments et de bétons a aussi des inconvénients. Cette partie de la bibliographie qui concerne les effets négatifs, a principalement été exploitée dans le sens des influences liées aux taux d’imbrûlés et de carbone libre contenus dans les cendres volantes de charbon. En effet, les cendres de Spreader Stoker qui concernent notre étude sont particulièrement liées à cette problématique.
Il faut d’abord noter que la quantité de carbone libre est liée à la perte au feu (perte de masse en rapport au taux d’imbrûlés à 1000°C), d’où les possibilités de confusion entre ces termes. A priori cet amalgame n’est pas dommageable car il est statué que la quantité de carbone représente au moins 99% du taux d’imbrûlés [Dodson, 1990]. Cependant il faut aussi remarquer que d’autres auteurs estiment que la différence est sensiblement plus grande entre la quantité de carbone et le taux d’imbrûlés [Brown & Dykstra, 1995 ; Fan & Brown, 2001 ; Ozdemir & Celik, 2002 ; Burris, Li & Riley, 2005], variant jusqu’à 5%.
D’après les études de Mateos [Mateos, 1960-61], les imbrûlés ne sont pas réactifs, ils ont une influence notamment sur la granularité et la forme des particules de cendres volantes, ce qui impliquera d’autres effets liés à la granularité des cendres volantes de charbon sur les matrices à base de ciment (mortiers et bétons) telle qu’une augmentation de la surface spécifique. En effet, les particules de carbone sous forme d’amas de plaquettes poreuses ont une surface spécifique plus élevée d’où l’augmentation de la surface spécifique du matériau suivant celle de la quantité d’imbrûlés.
Effets des imbrûlés et du carbone contenus dans les CVC à l’état frais
La maniabilité est normalement améliorée par les cendres volantes dans les bétons (cf. 6.1.1). Cependant, elle est affectée de manière négative avec l’augmentation de la perte au feu. Les études de Wierig [Wierig, 1970] ont mis en évidence une réduction de l’écoulement relatif en fonction de l’augmentation de la perte au feu. Cet effet sur la maniabilité peut aussi être induit par l’augmentation de la demande en eau liée à la quantité d’imbrûlés. En effet, l’obtention d’une consistance normalisée varie de manière non négligeable avec la quantité de carbone ; une faible absorption d’eau a été notée avec un taux d’imbrûlés d’environ 1%, mais en montant à 10%, la demande en eau croit à cause du carbone qui consomme de grandes quantités d’eau [Venuat, 1962]. Dans le cas d’un remplacement de ciment Portland avec deux cendres volantes qui ont respectivement 3,6% et 9,3% de perte au feu (PAF), la demande en eau pour des valeurs égales à l’essai d’étalement a augmenté de plus de 10 kg/m3 de béton [Lewandowski, 1983]. Cette augmentation de la demande en eau liée aux imbrûlés peut notamment être interprétée par la forme irrégulière et poreuse des particules de carbone que l’on retrouve dans les cendres volantes. Ces formes vont de même induire une augmentation de la surface spécifique des cendres volantes.
Le temps de prise est retardé de façon générale par les cendres volantes siliceuses à travers des facteurs tels que les proportions, la finesse et la composition chimique de la cendre.
Cependant la quantité d’eau de la pâte, le ciment et la température y jouent les rôles principaux [Lane, 1983 ; Lukas, 1974 ; Venuat, 1974]. La composition chimique des cendres siliceuses, notamment celle des cendres avec un taux de carbone élevé, a aussi été reconnue comme ayant un effet retardateur. Une série de tests effectués par Lane [Lane, 1983] incluant des cendres avec des taux de carbone différents (Tableau A- 9) ont montré que le temps de prise a quasiment doublé par rapport au témoin pour une cendre avec un taux de carbone d’environ 16%. Les tests ont été conduits selon la norme [ASTM C 191], c’est-à-dire à consistance normalisée. Ces résultats incluent donc les effets des imbrulés et de la teneur en eau.
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Table des matières
NTRODUCTIONGENERALE
PARTIEA:BIBLIOGRAPHIE
Introduction
I. Les cendres volantes de centrales thermiques (CVC)
I.1. Généralités sur les cendres volantes de charbon (CVC)
I.2. Historique bibliographique sur les CVC
II. Les aspects reglementaires
II.1. Classification et règlementation en France et en Europe
II.2. Les cendres de Spreader Stoker par rapport aux normes en vigueur
III. Les centrales thermiques a charbon
III.1. Les foyers à charbon pulvérisé (CP)
III.2. Les grilles de combustion
III.2.1. Les principaux types de grilles
III.2.2. Le Spreader Stoker (SS)
IV. Caracteristiques des cendres volantes de charbon
IV.1. Composition chimique
IV.2. Caractéristiques physiques
IV.3. Caractéristiques minéralogiques
IV.4. Caractéristiques environnementales
V. Les effets des cendres volantes de charbon sur les materiaux à base de ciment
V.1. Effets positifs à l’incorporation des CVC siliceuses dans les matrices à base de ciment
V.1.1. Avantages à l’état frais
V.1.2. Avantages à l’état durci
V.2. Les effets négatifs des CVC à leur incorporation dans les matrices à base de ciment
V.2.1. Effets des imbrûlés et du carbone contenus dans les CVC à l’état frais
V.2.2. Effets des imbrûlés et du carbone contenus dans les CVC à l’état durci
V.3. Applications
V.3.1. Utilisation dans les ciments et bétons
V.3.2. Stabilisation/solidification de déchets
V.3.3. Fabrication de granulats légers
CONCLUSION
PARTIEB:PROCEDURESEXPERIMENTALESETMATERIAUXUTILISES
CHAPITRE B1: PROCEDURES EXPERIMENTALES
Introduction
I. Méthodes de caractérisation physico-chimique
I.1. La granulométrie laser
I.2. Masse volumique réelle par la méthode hydrostatique
I.3. Détermination de la surface spécifique par la méthode Blaine
I.4. Détermination de la surface spécifique par la méthode BET
I.5. Analyse Thermo Gravimétrique (ATG)
I.7. Analyses minéralogiques par diffraction de rayons X (DRX)
I.8. Perte au feu
I.9. Caractérisation chimique
I.9.1. ICP-OES (Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometry)
I.9.2. Microsonde
I.10. Granulomorphologie
I.10.1. Fonctionnement
I.10.2. Analyse des images
I.11. Colorimétrie avec spectrophotomètre
I.12. Mesure d’absorption de l’eau par les cendres- essais d’évaporométrie
II. Méthodes pour l’étude environnementale de cendres volantes Spreader Stoker (essais de lixiviation)
II.1. Fabrication des éprouvettes
II.2. Résistance en compression mono axiale
II.3. Caractérisation du comportement environnemental
II.4. Simulation du vieillissement à long terme
III. Essais sur pâtes et mortiers
III.1. Suivi de consommation de portlandite sur pâtes
III.2. Mesure de la consistance normalisée et du temps de prise sur pâte de ciment
III.3. Calorimétrie isotherme sur pâtes de ciments
III.4. Rhéologie de pâtes de ciment
III.4.1. Diamètre d’étalement au mini-cône
III.4.2. Mesure du temps d’écoulement au cône de Marsh
III.4.3. Mesure de paramètres rhéologiques
III.5. Mesure de la maniabilité LCL sur mortiers
III.6. Résistance mécanique en compression (Rc)
IV. Etude sur bétons
IV.1. Essais à l’état frais
IV.1.1. Affaissement au cône d’Abrams
IV.1.2. Mesure de la teneur en air occlus et de la masse volumique
IV.2. Résistances en compression sur cubes de béton
IV.3. Carbonatation
IV.4. Porosité accessible à l’eau
IV.5. Perméabilité à l’air (Cembureau)
IV.6. Porosité au mercure
IV.7. Migration des ions chlorures
IV.8. Attaque sulfatique externe selon un protocole issue des recherches de la FNTP [Messad (2009)]
CHAPITRE B-2 : CARACTERISATION DES MATERIAUX UTILISES
Introduction
I. Les matériaux utilisés pour l’étude environnementale à travers des essais de lixiviation
I.1. Le ciment pour la stabilisation
I.2. La chaux
I.3. Le laitier de hauts-fourneaux
I.4. Les cendres volantes à stabiliser
II. Les matériaux utilisés pour la fabrication de ciments de laboratoire
II.1. Description des matériaux
III.4.4. Cas du sélénium
II.2. Caractéristiques physico-chimiques
III. Les matériaux additionnels utilisés pour la fabrication des mortiers et bétons
III.1. Formulation des bétons
III.2. Arrangement granulaire
Conclusion
CHAPITRE B-3 : LES CENDRES VOLANTES SPREADER STOKER (CVSS)
Introduction et rappels bibliographiques
I. Processus de combustion Spreader stoker versus Charbon Pulvérisé
I.1. Les chaudières à charbon pulvérisé (CP)
I.2. Chaudières Spreader Stoker
II. Caractéristiques chimiques, minéralogiques et physiques
II.1. Caractéristiques chimiques
II.2. Caractéristiques minéralogiques
II.3. Caractéristiques physiques
III. Les CVSS dans les pâtes et mortiers de ciment
III.1.1. Propriétés aux états frais et durcissant
III.1.2. Propriétés à l’état durci
CONCLUSION
PARTIEC:VALORISATIONDESCENDRESVOLANTESSPREADERSTOKER(CVSS) DANSDESMATRICESABASEDECIMENT
CHAPITRE C-1 : STABILISATION DES CVSS DANS DES MATRICES A BASE DE CIMENT
I. Introduction
I.1. Objectifs
I.2. Démarche et stratégie d’étude
II. Résistances en compression mono axiale
II.1. Démarche adoptée pour les essais de résistance en compression
II.1. Influence du temps de malaxage sur les résistances en compression
II.2. Influence de la quantité de cendres sur les résistances en compression
II.3. Influence du remplacement de ciment par de la chaux éteinte ou du laitier broyé
II.4. Synthèse et choix de formulation
III. Caractérisation du comportement environnemental après stabilisation
III.1. Démarche adoptée, protocoles choisis et notations utilisées
III.2. Les CVSS vis-à-vis des seuils de l’Arrêté Ministériel du 28/10/2010
III.3. Résultats des essais
III.3.1. Influence de la quantité de CVSS et du type d’essai sur la lixiviation après stabilisation
III.3.2. Influence de l’âge des corps d’épreuve et du remplacement de ciment par du laitier sur la lixiviation après stabilisation
III.3.3. Synthèse des résultats de lixiviation
III.4. Les éléments problématiques en termes de dépassement du seuil règlementaire
III.4.1. Cas du baryum
III.4.2. Cas du chrome
III. Résistances en compression (Rc)
III.4.5. Cas des sulfates
III.5. Approche économique (Etude des coûts)
IV. Bilan et perspectives
CHAPITRE C-2 : REALISATION DE CIMENTS DE LABORATOIRE ET ETUDE EXPERIMENTALE A L’ECHELLE DU MORTIER
Introduction
I. Fabrication des ciments de laboratoire
I.1. Broyabilité des matériaux
I.2. Méthodes de broyage pour la fabrication de ciments
I.2.1. Le Broyage Commun des matériaux (B.C.) (co-broyage)
I.2.2. Le Broyage Séparé des différents matériaux (B.S.)
I.2.3. Le broyage séparé suivi d’un cobroyage afin d’avoir une Finesse Contrôlée équivalente pour tous les ciments fabriqués (F.C.)
I.3. Les ciments fabriqués
II. Résultats des ciments fabriqués en laboratoire
II.1. Surfaces spécifiques Blaine (SSB)
II.1.1. Effets du broyage commun (méthode B.C.) sur la finesse Blaine
II.1.2. Effet du broyage séparé (méthode B.S.) sur la finesse Blaine
II.1.3. Fixation de la finesse Blaine (méthode F.C.) des ciments fabriqués
II.2. Résultats sur pâtes / mortiers à l’état frais
II.2.1. Maniabilité LCL des mortiers à base des ciments de laboratoire
II.2.2. Mesure de propriétés rhéologiques sur des pâtes de ciment
II.3. Résultats à l’état durcissant sur pâtes
II.3.1. Consistance normalisée et temps de prise
II.3.2. Calorimétrie isotherme
II.4. Résultats sur mortiers à l’état durci
II.4.1. Effets du broyage commun (B.C.) sur les résistances en compression
II.4.2. Effets du broyage séparé (B.S.) sur les résistances en compression
II.4.3. Effets de la finesse constante (F.C.) sur les résistances en compression
II.5. Essais de colorimétrie
III. Bilan et exploitation des résultats obtenus sur mortiers
III.1. Bilan sur la maniabilité des mortiers en fonction du type de broyage
III.2. Bilan des résistances en compression sur les CEM II/A et CEM II/B
III.3. Exploitation des données par analyse en composantes principales et réseaux de neurones artificiels
III.3.1. Corrélation des données
III.3.2. Prédiction des surfaces spécifiques de ciment et des résistances en compression grâce à des réseaux de neurone artificiels (RNA)
Conclusion
CHAPITRE C-3 : ETUDE DE LA DURABILITE SUR BETONS
Introduction
I. Les bétons formulés
I.1. Choix des liants à étudier
I.2. Compositions des bétons
IV.1. Porosité accessible à l’eau
IV.2. Perméabilité à l’air
IV.3. Porosimétrie au mercure sur les bétons de classe XS3
IV.4. Bilan sur le réseau poreux des bétons formulés
V. Diffusion des chlorures
V.1. Résultats des mesures des coefficients de diffusion
V.2. Mécanismes responsables des variations du coefficient de diffusion
V.2.1. Porosité du béton vs diffusion
V.2.2. Piégeage des Cl- vs diffusion
VI. Carbonatation accélérée
VI.1. Résultats des essais de carbonatation
VI.1.1. Mesure des profondeurs de carbonatation
VI.1.2. Cinétiques de carbonatation des bétons formulés
VI.2. Mécanismes responsables des variations de carbonatation
VI.2.1. Réseau poreux versus profondeur de carbonatation
VI.2.2. Consommation de portlandite versus profondeur de carbonatation
VII. Attaques sulfatiques externes
REFERENCESBIBLIOGRAPHIQUES
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