Memoire Online - Utilisation des cendres volantes pour la prévention des désordres dus à l'alcali-réaction

Le présent chapitre est une présentation générale des différents matériaux utilisés dans nos expériences, de leurs propriétés et de certaines de leurs caractéristiques.

La roche mère du granulat testé est d'origine volcanique, de type basalte andésitique porphyrique, à cristaux de petite taille de feldspaths noyés dans une matrice fine de couleur noire.

L'étude pétrographique [12][13] de cette roche montre qu'elle contient du verre, phase jugée d'une réactivité chimique importante. De plus ce faciès est riche en minéraux alcalins (Microlites et phénocristaux de plagioclase) susceptibles d`enrichir la solution interstitielle du béton en alcalins (Na⁺ et K⁺) et par conséquent favoriser l`attaque des phases siliceuses instables chimiquement.

Figure 6 : Faciès basaltique LPNA (Pl, Plagioclase ; M, Microlite ; Py, Pyroxène ; P, Pâte ; O, Opaque). [12]

Les cendres volantes sont des fines particules recueillies lors du dépoussiérage des gaz résultant de la combustion du charbon pulvérisé, utilisé dans les centrales thermiques. Leur composition est en relation avec les différents types de matières incombustibles présentes dans le charbon. D'une façon générale, les éléments présents sont : le silicium, l'aluminium le fer, le calcium et le magnésium.

L'intérêt des cendres volantes réside dans la faculté qu'elles possèdent à réagir avec l'hydroxyde de calcium pour former des silicates de calcium hydratés qui ont des propriétés pouzzolaniques et hydrauliques (prise en présence d'eau).

L'expression `'cendres volantes'' a été crée par l'industrie de l'énergie électrique vers 1930 lorsque les quantités récupérées de ces résidus de charbon deviennent de plus en plus importantes dans les centrales thermiques. En 1937, Davis et ses collaborateurs de l'université de Californie aux USA ont publié des résultats de recherches sur un béton contenant des cendres volantes. Ce travail a servi de base aux premières spécifications contribuant à la valorisation des cendres volantes dans la construction et l'industrie.

En Europe, l'utilisation des cendres volantes s'est beaucoup développée après la seconde guerre mondiale lorsqu'il a fallu faire face aux besoins grandissants de la construction. Il fallait toutefois attendre les années soixante-dix pour noter une bonne croissance de leur utilisation après la crise du pétrole et l'augmentation de du coût de l'énergie. [14]

Selon leurs compositions, on distingue deux grandes familles de cendres volantes : [15]

ü Cendres volantes dites siliceuses, Ayant des propriétés pouzzolaniques. Elles se présentent sous forme d'une poudre allant du gris au noir suivant les teneurs en imbrûlés et en oxyde de fer (plus foncée que le ciment) ; douces au toucher. Elles doivent contenir essentiellement de la silice SiO₂ réactive et de l'alumine Al₂O₃. Le restant contient de l'oxyde de fer Fe₂O₃ et d'autres oxydes. La proportion de la chaux réactive CaO doit être inférieure à 5% en masse et celle de la silice réactive ne doit pas être inférieure à 25% en masse.

ü Cendres calciques : à forte teneur en chaux (CaO). Se présentent sous forme d'une poudre fine de couleur grise ayant des propriétés physiques et/ou pouzzolaniques. Elles contiennent essentiellement de la chaux réactive, de la silice réactive et de l'alumine. La quantité de la chaux (CaO) dans ce type de cendres est élevée, c'est pourquoi elles sont susceptibles de faire prise sans liant. Elles font prise seulement avec de l'eau (d'où leur nom : Cendres hydrauliques) et dégagent de la chaleur en s'hydratant. La teneur en chaux réactive ne doit pas être inférieure à 5% en masse. La cendre volante contenant entre 5 et 15% de chaux réactive doit contenir plus de 25% en masse de silice réactive.

Au Maroc, plus de 467.000 tonnes de cendres volantes sont produites annuellement, par les centrales thermiques suivantes : [14]

Cette centrale est mise en service en 1970, sa puissance électrique est de 3*55 MW. Sa production annuelle en cendres volantes est 147 000 tonnes. Ces cendres sont évacuées simultanément avec les mâchefers par voie hydraulique vers un bassin à cendres situé à 2 km environ de la centrale.

Étant donné que ces cendres sont évacuées par voie humide, elles ne peuvent être réutilisées ni dans le béton ni dans le ciment.

Cette centrale est mise en service en 1981, sa puissance électrique est de 2*150 MW. Sa production annuelle en cendres volantes est de 80 000 tonnes. Ces cendres sont envoyées dans un silo à cendres avant d'être évacuées par voie hydraulique à la mer. Elles sont aussi stockées à l'état humide, inutilisables dans l'industrie du ciment et comme ajout dans les bétons.

Cette centrale est mise en service en 1994, sa puissance électrique est de 4*330 MW. Sa production annuelle en cendres volantes est de 240 000 tonnes. Elles sont évacuées par voie sèche, et sont les seules au Maroc susceptibles d'être utilisées dans le ciment et le béton.

	CV Jorf Lasfar	CV Mohammedia	CV Jerrada	NF P18-505
SiO₂	56.7	47	50	25
Al₂O₃	28.4	25.1	24.2
Fe₂O₃	8.58	8.54	9.49
SiO₂+Al₂O₃+ Fe₂O₃	93.7	80.6	83.7
MgO	0.99	0.87	1.44
CaO	2.48	1.83	0.92	10
Na₂O	0.38	0.3	0.73
K₂O	2.63	2.33	3.3
SO₃	1.78	0.53	0.41	3

Tableau 1 : Composition des cendres volantes marocaines et spécifications de la norme NF P18-505.

ü Soit pour la préparation de la matière première (le cru), en remplaçant de l'argile puisqu'elles apportent la silice, l'alumine et le fer. Le cimentier n'a plus à broyer et à sécher l'argile, les cendres sont faciles à doser, à transporter et les imbrûlés qu'elles contiennent constituent un apport de combustible suffisant.

ü Soit lors du broyage final (avec le clinker, le gypse et les éventuels autres constituants secondaires). Le passage dans le broyeur permet d'augmenter leur réactivité et d'obtenir un mélange homogène. De plus, les cendres volantes favorisent le broyage et augmentent le rendement des broyeurs (grâce aux imbrûlés).

D'une manière générale les ciments contenant des cendres volantes présentent les caractéristiques suivantes :

minéraux, de même les résistances mécaniques sont un peu plus faibles les premiers jours, mais elles deviennent plus importantes à long terme (effet de la pouzzolanicité des cendres). Cependant, par temps froid ou pour décoffrer plus rapidement, on peut ajouter des accélérateurs chimiques (aluminate de soude par exemple).

Ø Les chaleurs d'hydratation ont diminué, d'où l'utilisation des ciments aux cendres pour le bétonnage en grande masse par temps chaud.

Les cendres volantes peuvent être ajoutées au béton à raison de 40 à 100 kg par

de béton, soit à l'état sec, soit à l'état humide. Il convient de bien les mélanger au béton pour obtenir une teinte uniforme.

L'action des cendres volantes permet une amélioration de l'ouvrabilité, de la plasticité et de la compacité des bétons. Elles remplissent plus facilement les coffrages et l'aspect du béton au démoulage est amélioré (cela est dû en partie à la forme arrondie des cendres brutes jouant un peu le rôle de petits roulements à billes).

Les cendres permettent de réduire la teneur en eau à ouvrabilité égale et dans ce cas de diminuer le ressuage, d'augmenter l'imperméabilité et par conséquent la durabilité. L'amélioration est d'autant plus marquée que les cendres sont plus fines.

La cuisson à haute température (vers 1450°C) d'un mélange minéral composé essentiellement du calcaire et de l'argile donne lieu au Clinker sous forme de poudres constituées de minéraux anhydres et instables. Ces poudres forment avec l'eau une pâte capable, par hydratation, de faire prise et de durcir progressivement. Au moment du broyage, on ajoute au Clinker une faible quantité de sulfate de gypse pour régulariser sa prise et des ajouts de mouture.

Le clinker doit être constitué d'au moins deux tiers en masse de silicates de calcium [(CaO)₃.SiO₂] et [(CaO)₂.SiO₂], la partie restante contenant de l'oxyde d'aluminium (Al₂O₃), de l'oxyde de fer (Fe₂O₃) et d'autres oxydes. Le rapport en masse (CaO)/(SiO₂) ne doit pas être inférieur à 2.0. la teneur en oxyde de magnésium (MgO) ne doit pas dépasser 5% en masse.[15]

La quantité du clinker présente dans le ciment varie, selon le type de ciment, de 20% à 100% en masse. Par exemple dans un ciment Composé, la norme tolère une teneur en clinker variant de 20% à 39% en masse du ciment, et dans un ciment Portland la teneur en clinker peut varier de 95% à 100% en masse du ciment. [16]

Il s'agit d'un matériau sec et fin obtenu par broyage et/ou sélection des gisements de roches calcaires ; parfois dolomitiques, massives ou meubles. Les fillers doivent être préparés correctement et ce en tenant compte de leurs conditions de production ou de livraison.

L'utilisation des fillers calcaire dans la préparation des ciments est réglementée par la norme (NF P15-301) . Lorsqu'ils sont employés dans une proportion excédant 5% en masse, ils doivent répondre aux caractéristiques suivantes :

Le principal avantage des fillers calcaire est de réduire le coût final unitaire du ciment en réduisant son contenu énergétique. De plus, l'addition de fillers calcaire au clinker permet d'augmenter significativement la capacité de mouture des broyeurs, et d'améliorer les propriétés physiques du béton, à savoir l'ouvrabilité du béton frais, tout en permettant de densifier la matrice de mortier en retenant de l'eau.

Les fillers calcaire présentent deux inconvénients majeurs : d'une part la diminution légère des résistances en compression à court terme des bétons, et d'autre part, la vulnérabilité du béton frais contenant des fillers calcaire au retrait plastique.

- Eau d'hydratation du ciment : cette eau (0.25 à 0.6 du poids de ciment) reste chimiquement liée à la microstructure du béton durci.

- Eau libre : Elle joue un rôle rhéologique en permettant une bonne ouvrabilité du mélange à l'état frais. Cette eau, ainsi que celle absorbée par les granulats poreux, est destinée à s'évaporer. Le temps de séchage peut être long suivant les dimensions de l'élément, la qualité du béton et l'hygrométrie environnante. [17]

Utilisation des cendres volantes pour la prévention des désordres dus à l'alcali-réaction

Choix et caractérisation des matériaux