Reactivite, role et durabilite des laitiers d’el hadjar dans les materiaux a matrice cimentaire

Le travail de thèse présenté ci-après s’inscrit dans le cadre du concept de développement durable appliqué au laitier de haut – fourneau, sous-produit industriel de la filière fonte de production d’acier. Ce concept nous amène à privilégier, pour un matériau donné, un mode de production et de gestion de fin de vie qui préserve au mieux l’environnement, et notamment les ressources naturelles. Le laitier de haut fourneau, au début du développement à l’échelle industrielle de cette filière, était considéré comme un déchet destiné à être stocké en terrils. C’est ce qui s’est aussi passé dans les années 1970, premières années de mise en service du complexe sidérurgique d’El HADJAR, non pas par ignorance , mais par manque de débouchés. Depuis les années 1980, le laitier d’El Hadjar est partiellement valorisé en cimenterie (pour le laitier granulé refroidi brusquement par trempe à l’eau) et en technique routière, avec cependant de grandes fluctuations annuelles (tableau1) qui dépendent essentiellement des conditions économiques locales (production de ciment, construction de routes,…).

LES LAITIERS DE HAUT FOURNEAU

Le laitier est un sous produit de l’élaboration de la fonte. Il est formé des constituants non ferreux, des fondants et des cendres de coke, et donc composé essentiellement de chaux (CaO), magnésie (MgO), silice (SiO2) et alumine (Al2O3). L’élaboration du laitier peut conduire, selon le traitement de refroidissement adopté, à deux formes minéralogiques [1] :
– le laitier vitrifié (granulé) obtenu par refroidissement rapide par trempe
– le laitier cristallisé obtenu par refroidissement lent .

Ces deux formes minéralogiques sont fondamentalement différentes du point de vue cristallographique et réactivité chimique, et cela conditionne les propriétés des matériaux obtenus, donc leur utilisation. Le laitier vitrifié présente une structure vitreuse, riche en énergie ce qui lui confère une hydraulicité latente. Au contraire, le laitier cristallisé a une forme minéralogique stable et son pouvoir hydraulique, lorsqu’il existe, n’est que modeste.

FORMATION ET TRAITEMENT DU LAITIER

Formation du laitier

Dans le haut fourneau , en plus du minerai de fer et du coke, on introduit un fondant, généralement à base de chaux, pour abaisser le point de fusion de la gangue et permettre ainsi au minerai de s’extraire à une température de 1400 à 1500 (°C). Les oxydes de la charge non transformés en métal constituent le laitier. Le laitier est évacué du haut fourneau à l’état liquide, à la température de fusion de la gangue, surnageant la fonte par différence de densité .

Traitement du laitier

Selon le produit et surtout la structure qu’on désire obtenir à partir du laitier fondu, on utilise le procédé de refroidissement correspondant.

Laitier granulé

La granulation a été utilisée à l’origine comme moyen de fragmentation du laitier pour faciliter sa manutention. Elle se faisait très simplement en déversant le jet de laitier liquide dans un bassin rempli d’eau [2]. On s’avisa ultérieurement des propriétés hydrauliques latentes du laitier granulé  ainsi obtenu .

Laitier bouleté
La fragmentation du laitier résulte simultanément de l’action de l’eau et de l’air . Le laitier liquide se déverse dans un tambour tournant cannelé à axe horizontal qui comporte des trous en périphérie, alimenté en eau sous pression. Des rampes d’arrosage extérieur complètent ce dispositif. Les particules sont projetées à plusieurs mètres du tambour, et d’autant plus loin qu’elles sont plus grosses. C’est pendant cette trajectoire aérienne que la trempe a lieu. Le matériau s’égoutte ensuite naturellement .

Laitier cristallisé

Un refroidissement lent entraîne la cristallisation du laitier. On obtient un matériau solide sous forme de gros granulats, après concassage et classification par fractions granulaires. Le matériau constitue un granulat pour la construction routière et pour la confection des bétons [1]. Le laitier en fusion séparé de la fonte coule dans une rigole vers la fosse ou il va se refroidir naturellement et se solidifier en cristallisant d’où son nom de laitier cristallisé. Après solidification de la surface, on active le refroidissement avec un arrosage qui accélère la progression du front de solidification et fragmente par choc thermique le laitier qui vient de se solidifier. Le laitier refroidi est repris ensuite à la pelle mécanique de la même manière qu’en carrière. Le laitier cristallisé résultant d’un refroidissement lent est une roche artificielle qui peut être utilisée en l’état : c’est le laitier tout – venant ou concassé et calibré.

LE LAITIER GRANULE

Caractéristiques

Composition chimique
Le laitier de haut fourneau est avant tout un sous produit du processus d’élaboration de la fonte. Sa composition chimique est ajustée de façon à lui permettre :
• d’avoir une bonne fluidité à la température d’élaboration de la fonte.
• d’éliminer une bonne partie des éléments nuisibles à la marche du haut fourneau et à la qualité de la fonte.

La composition chimique du laitier peut varier dans de larges limites, suivant la pureté du minerai, la nature et la quantité des fondants, la nature du combustible et le procédé employé. Généralement les concentrations en oxydes varient pour la chaux (CaO) de 30 à 50 (%), la silice (SiO2) de 28 à 38 (%), l’alumine(Al2O3 ) de 8 à 24 (%), le soufre (S) de 1 à 2.5 (%).  La composition chimique est un paramètre déterminant de la réactivité des laitiers, qui induit d’ailleurs beaucoup d’autres paramètres. Ainsi le calcium, l’aluminium et le magnésium sont des éléments qui favorisent la vitrification des laitiers [5], et on sait que l’état vitreux est le plus actif chimiquement. D’autres travaux [6 et 7] ont montrés l’influence non négligeable des éléments mineurs tels que P2O5, MnO, Na2O et K2O sur l’évaluation de l’activité hydraulique des laitiers.

Composition minéralogique potentielle du laitier

La composition minéralogique potentielle des laitiers a été calculée [8] à partir des principaux oxydes (CaO, MgO, Al2O3, SiO2) par analyse chimique. Les phases cristallisées susceptibles d’apparaître au cours de la dévitrification sont la mélilite qui est une solution solide de la gehlinite (C2AS) et de l’akermanite (C2MS2), la pseudowollastonite (CS), la rankinite (C3S2), la merwinite (C3MS2), le silicate bicalcique (C2S), le diopside (CMS2), la montécellite (CMS) et la forstérite (MS2). Les résultats des calculs chimiques conduisent à conclure que les laitiers de haut fourneau utilisés en cimenterie sont potentiellement constitués de (C3S2, C2AS et C2MS2) pour 95 % et de (CS ou C3MS2 ou C2S) pour 5 % [8].

Granulométrie

Le laitier granulé se présente sous forme d’un gros sable de granulométrie 0 /5 et de module de finesse voisin de 3.

Masses volumiques

La masse volumique apparente du laitier granulé peut varier de 900 à 1000 kg / m3 et sa masse volumique absolue de 2800 à 3000 kg / m3.

Réactivité hydraulique du laitier granulé

But de la tempe

Le but de la tempe du laitier est d’empêcher la cristallisation, par figeage à la température ambiante, d’une configuration instantanée désordonnée du laitier, de structure vitreuse. Les laitiers vitreux présentent en diffraction des rayons X un halo large et diffus . Ce halo est l’image du degré de l’ordre local qui existait dans le liquide et qui a été figé par la trempe. L’hydraulicité du laitier dépend dans de larges limites de sa structure .

Taux de vitrification
Une analyse à la microsonde électronique des éléments Ca, Al, Si, et Mg révèle dans certains cas une distribution homogène d’un grain à l’autre et à l’intérieur de chaque grain. En fait, les laitiers totalement vitreux et de composition homogène sont rares [8]. Une vitrification parfaite n’est pas le critère d’une réactivité maximale [6]. Les cristaux de merwinite (C3MS2) présents au taux de 0 à 5 (%)  accroissent les résistances mécaniques, et au-delà de 5 % et jusqu’à 35 %, les baisses de résistances mécaniques sont de faibles amplitudes.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I – LES LAITIERS DE HAUT FOURNEAU
Introduction
1. Formation et traitement du laitier
1.1. Formation du laitier
1.2. Traitement du laitier
1.2.1. Laitier granulé
1.2.2. Laitier bouleté
1.2.3. Laitier cristallisé
2. Le laitier granulé
2.1. Caractéristiques
2.1.1. Composition chimique
2.1.2. Composition minéralogique potentielle du laitier
2.1.3. Granulométrie
2.2. Réactivité hydraulique du laitier granulé
2.2.1. But de la tempe
2.2.2. Taux de vitrification
2.2.3. Critères chimiques
2.2.4. Test à la soude
2.2.5. Indice d’efficacité hydraulique h
2.2.6. Influence du pH
2.2.7. Autres facteurs influençant la réactivité du laitier granulé
2.2.8. Laitier de crassier
2.3. Hydratation et activation du laitier granulé
2.3.1. Activation chimique
2.3.2. Activation mécanique
2.3.3. Activation thermique
2.4. Utilisation du laitier dans les bétons
2.4.1. Dans les ciments
2.4.2. Dans les bétons
2.4.3. Dans les briques de laitier
2.4.4. Dans la construction d assises de chaussées
2.4.5. Dans divers autres domaines
3. Le laitier cristallisé
3.1. Caractéristiques
3.1.1. Composition chimique
3.1.2. Composition minéralogique
3.1.3. Masse volumique absolue
3.1.4. Masse volumique apparente
3.1.5. Masse volumique apparente du grain
3.1.6. Porosité
3.1.7. Absorption d’eau et remontée capillaire
3.1.8. Résistance mécanique
3.1.9. Résistance à l’attrition, au choc et à l’abrasion
3.1.10. Hydraulicité du laitier cristallisé
3.2. Utilisation du laitier cristallisé
3.2.1. Dans les bétons
3.2.2. Constructions des assises de chaussées
3.3.3 Ballast pour voies ferrées
3.3.4. Autres utilisations
Conclusion
CHAPITRE II – CARACTERISATION DES LAITIERS SIDERURGIQUES D’EL HADJAR
Introduction
1. Elaboration des laitiers D’EL HADJAR
1.1. Les matières premières
1.2. Formation du laitier
1.3. Traitement du laitier
1.3.1. Refroidissement lent
1.3.2. Refroidissement brutal
2. Caractérisation du laitier granule D’EL HADJAR
2.1. Propriétés physiques
2.1.1. Masses volumiques
2.1.2. Granulométrie
2.2. Etude de la réactivité hydraulique
2.1.1. La composition chimique
2.1.2. Analyse aux rayons X et détermination du taux de vitrification
2.1.3. Le module chimique I
2.2.4. Les indices d’activité
2.2.5. L’essai accéléré à la soude
2.2.6. L’indice d’efficacité hydraulique h
2.3. Discussion
Conclusion
3. Caractérisation du laitier granulé d’EL HADJAR
3.1. Propriétés physiques
3.1.1. Masses volumiques
3.1.2. Porosité
3.1.3. Granulométrie
3.2. Propriétés chimiques
3.2.1.Composition chimique
3.2.2. Composition minéralogique
3.3. Discussion
Conclusion
CHAPITRE III – ELABORATION ET CARACTERISATION DE CIMENTS AU LAITIER GRANULE D’EL HADJAR
Introduction
1. Matériaux et méthodes
1.1. Matériaux
1.1.1. Le laitier
1.1.2. Le clinker
1.1.3. Le gypse
1.1.4. Le sable
1.2. Méthodes expérimentales
1.2.1. Préparation des mélanges clinker – laitier – gypse
1.2.2. Confection et conditions de conservation des éprouvettes
1.2.3. Essai d’ouvrabilité de béton
1.2.4. Essais mécaniques
1.2.5. Mesure de la chaleur d’hydratation
1.2.6. Mesure du retrait
1.2.7. pH – métrie
1.2.8. Analyse aux rayons X
2. Etude de l’influence du dosage et de la finesse du laitier sur les résistances mécaniques
2.1. Influence du dosage en laitier sur les résistances mécaniques
2.2. Influence de la finesse de mouture du laitier sur les résistances mécaniques
2.3. Discussion
3. Elaboration et caractérisation de CPJ et CHF
3.1. Composition
3.2. Cinétique de durcissement
3.3. Chaleur d’hydratation
3.4. Retrait et perte de masse
3.5. pH des solutions de ciments et du laitier seul
3.6. Analyse aux rayons X
3.7. Conclusion
4. Application au béton standard
4.1. Contexte de l’étude
4.2. Matériaux
4.2.1. Ciments
4.2.2. Granulats
4.3. Formulation du béton standard
4.3.1. Les données
4.3.2. Principe de base de la méthode de SKRAMTAEV
4.4. Résultats
4.5. Commentaires et conclusion
5. Mode d’action du laitier dur l’hydratation du clinker
5.1. Effets des additions minérales sur les ciments
5.1.1.Effet filler
5.1.2.Effet chimique
5.1.3. Effet physique ou de surface
5.2. Exploitation des résultats
5.2.1. Résistance des mortiers de référence
5.2.2. Accroissement des résistances par effet physique
5.2.3. Accroissement des résistances par effet chimique
5.3. Discussion
Conclusion
CONCLUSION

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