Matériaux recyclés

Laitiers de haut fourneau, scories d'aciéries et cendres volcaniques :

Laitiers de haut fourneau :

Les sujets portants sur les laitiers de haut-fourneau font l'objet de deux articles :

Le présent paragraphe expose l'origine, la nature et les propriétés de ces sous-produits industriels en vue de leur emploi dans le génie civil, et plus particulièrement dans les techniques routières. Il existe des possibilités d'emploi de ces matériaux en fonction des prescriptions techniques et environnementales, et fournit des références de commercialisation et de chantiers.

Les laitiers de haut-fourneau (LHF) sont des sous-produits de la sidérurgie. Ils sont générés au cours de la production de l'acier, lors de l'étape de l'élaboration de la fonte à partir de minerai de fer. Selon le processus de refroidissement du laitier en fusion, on distingue deux familles :

Le laitier cristallisé :

Ce type résulte du refroidissement lent à l'air libre du laitier obtenu de la base du haut-fourneau après avoir été séparé de la fonte. A l'air libre le laitier se cristallise sous forme de roche, et pour le fragmenter les sidérurgistes procèdent à son arrosage au début de sa solidification.

Le laitier cristallisé est typiquement gris et généralement poreux, avec une masse volumique absolue au voisinage de 3 t/m3. La granulométrie du laitier cristallisé brut est de l'ordre de 0/300 mm lors de son extraction des fosses, après fragmentation par arrosage. Il dispose de propriétés physiques particulières à savoir une résistance mécanique élevée associée à une conductivité thermique faible.

Les principaux composants chimiques de ces laitiers sont la chaux libre (CaO, environ de 40%), la silice (SiO2, environ de 35%), l'alumine (Al2O3, environ de 11%) et la magnésie ( MgO, environ de 8%).

Laitier cristallisé

Le laitier vitrifié :

Ce laitier résulte d'un arrosage violant (refroidissement) et abondant de l'eau sous haute pression du liquide soutiré du haut-fourneau (trempe), et l'énergie calorifique contenue dans le laitier en fusion provoque son explosion et forme instantanément du laitier vitrifié appelé « laitier granulé». le dispositif dans lequel se survienne cette opération est dit «granulateur ».

Une autre variante de trempe du laitier en fusion donne un laitier vitrifie, elle consiste à le tremper à l'air en le pulvérisant. Le produit obtenu s'appelle laitier bouleté.

Ces différentes sortes de laitiers vitrifiés ne présentent pas de grandes différences en termes de leur composition. Ils se présentent sous forme de sables de couleur jaune /beige .La granulométrie moyenne est de 0/5 mm, et la composition chimique est la même que les laitiers cristallisé,

Environ de 40% de la chaux, 35 % de la silice, 11 % de l'alumine et 8 % de la magnésie ainsi que d'autres éléments chimiques mineurs.

La caractéristique la plus marquante de ce laitier est sa réactivité ou «Hydraulicité », c'est-à-dire sa capacité à faire prise en présence d'eau et d'un agent basique activant. Cette particularité rend ce laitier très demandé dans l'industrie cimentière afin de garantir la teneur d'aluminates qu'est essentielle à la qualité du ciment ; 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.

Le laitier vitrifié

Complément

Les hauts-fourneaux ont une longue histoire... Elle nous est bien contée dans l'ouvrage de référence « Le laitier de haut fourneau » des ingénieurs Jacques Alexandre et Jean-Louis Sébileau (1988). Les origines de la sidérurgie sont très anciennes, elles remontent à l'antiquité. Les premiers hauts-fourneaux datent du moyen âge, et l'on peut parler de modernité dès le milieu du 19e siècle.

Les laitiers de haut-fourneau ont longtemps constitué un produit dont on cherchait à se défaire, et que l'on évacuait sur des lieux de stockage qui sont devenus des « crassiers historiques », de volume très important.

Grâce aux progrès des techniques, ils sont passés de ce statut négatif, à celui d'un coproduit de la sidérurgie, dont l'éventail des propriétés est aujourd'hui apprécié et recherché.

Le laitier de haut-fourneau fait parti des laitiers sidérurgiques avec les autres coproduits des différentes filières de fabrication de l'acier, à savoir les laitiers d'aciérie. Toutefois, il nous est apparu utile de fournir ci-haut une présentation sommaire des différents laitiers sidérurgiques, à travers notamment les sources de production. Les exposés qui suivent concernent l'origine, la formation et les caractérisations physico-chimiques, et géotechniques des LHF sous leurs différentes formes, en vue de leur emploi dans le Génie Civil, et plus particulièrement, dans les techniques routières.

Les exposés sur les laitiers de haut-fourneau font l'objet de deux articles :

  • la nature et les propriétés de ces sous-produits industriels, en vue de leur emploi dans le Génie Civil notamment dans les techniques routières.

  • les possibilités d'emploi de ces matériaux en fonction de prescriptions techniques et d'aspects environnementaux

Les techniques de traitement des laitiers ont permis une utilisation de plus en plus importante des LHF sous ses différentes formes (cristallisé, vitrifié), en particulier dans les techniques routières.

La valorisation des LHF a d'abord pris forme dans les années 1960 par une utilisation très importante de graves-laitier, puis de sables-laitier. Les caractéristiques remarquables que procure l'hydraulicité du laitier sous sa forme vitrifiée ont suscité ces nombreuses utilisations, à l'origine de leur succès en technique routière.

À partir des années 2000, la valorisation des LHF a trouvé sa majeure part dans la fabrication de liants à partir de LHF vitrifiés, généralement granulés et pré-broyés, entrant dans la composition de liants hydrauliques routiers et de ciments.

Aujourd'hui, les LHF de fraîche production sont valorisés à près de 100 %, et les laitiers cristallisés des crassiers historiques sont exploités pour fournir des granulats de qualité. D'une façon générale, leur utilisation dans les travaux publics, et plus particulièrement dans les infrastructures routières, est largement justifiée au plan économique.

Scories d'aciéries :

Les laitiers d'aciérie sont des coproduits de l'industrie sidérurgique, ils sont considérés comme déchets. Toutefois, l'envisagement de la valorisation de ces matériaux dans le domaine du BTP[1] et de la fabrication des matériaux de construction leurs donne tendance de sortir du statut de déchet et de devenir une source de matières premières.

Laitiers d'aciéries de conversion (LAC) :

Le laitier d'aciérie de conversion est le sous-produit de l'opération de conversion de la fonte en acier. Après séparation entre ces deux produits (acier et LAC) par gravimétrie, ce dernier est transporté et vidé dans des fosses de refroidissement. L'existence de plusieurs fosses permet d'effectuer un tri du laitier en fonction de sa teneur en CaO. Après refroidissement du LAC, on obtient une roche artificielle de couleur grise foncé. Très dur et très résistante à l'usure et à l'écrasement. Cette roche à une densité de l'ordre de 20 à 25 % supérieure à celle du basalte ou du laitier de haut-fourneau cristallisé. Les principaux composants chimiques des LAC sont la chaux (environ 50%), le fer (15% environ), la silice (12 % environ), et la magnésie (5% environ).

Le LAC peut être sujet à des modifications dimensionnelles (expansion) du fait de la chaux libre (CaO) contenue dedans. Néanmoins, l'hydratation de celle–ci en chaux éteinte Ca(OH) 2 et / ou les réactions de carbonatations naturelles (CaCO3) permettent de réduire cette instabilité qui conditionne sa valorisation, surtout dans le domaine du BTP.

Laitiers d'aciéries électriques (LAE)

Les aciéries électriques utilisent deux procédés (carbone ou inox), permettant d'avoir deux types d'acier. Les différents laitiers d'aciéries électriques cités ci-avant, accompagnant la production de ces aciers disposent chacun de propriétés particulières. Deux types de laitiers d'aciéries électriques sont disponibles à savoir :

  • Laitiers issus de l'élaboration de l'acier électrique "carbone"

  • Laitiers issus de l'élaboration de l'acier inoxydable "inox"

Les principales caractéristiques physiques des laitiers d'aciérie sont :

  • La résistance à l'usure (essai micro-Deval entre 6 et 12).

  • Résistance à la fragmentation (coefficient Los angles entre 10 et 20).

  • Résistance à la compression simple (environ 80 MPa).

Cendres volantes :

Les cendres volantes sont les résidus de la combustion du charbon dans les centrales thermiques.

L'importance des productions de cendres dépend de la politique énergétique du pays concerné. Les sous-produits industriels que constituent les cendres volantes, sont disponibles en grandes quantités dans le monde.

A travers le monde, le charbon dont les réserves sont encore extrêmement importantes constitue la première ressource utilisée pour la production de l'électricité.

En France, la production d'électricité n'est fournie actuellement qu'à hauteur de 4 % par les centrales thermiques à flammes fonctionnant au charbon. Depuis l'épuisement des ressources françaises, le charbon est importé pour ces besoins depuis différents pays.

La modernisation des centrales thermiques, les techniques nouvelles, dites de « charbon propre », participent à réduire les effets polluants de la combustion des charbons. Les cendres volantes ont des caractéristiques remarquables comme le pouvoir pouzzolanique. Ces propriétés en font des produits très intéressants pour la construction.

  1. BTP : bâtiment et travaux publics

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