Approche théorique par la lecture des diagrammes de phases

Une approche théorique de la corrosion des bétons a été réalisée à l’aide du logiciel de calcul thermodynamique FactSage^® (version 6.0). Cette étude a pour but de déterminer, à la température d’essai (1η00°C), les phases solides susceptibles de précipiter lorsque le laitier se retrouve saturé par les oxydes provenant du réfractaire.

Pour cette étude, les oxydes de phosphore (P2O5) et de fer (Fe2O3) ne sont pas pris en compte.

Les données thermodynamiques du logiciel FactSage^® ne permettent pas une description des solutions liquides et solides dans lequel P₂O₅ est présent. Le système thermodynamique est donc constitué de CaO-Al2O3-SiO2 (CAS), ou CaO-Al2O3-SiO2-MgO et CaO-Al2O3-SiO2 -Cr2O3.

Les compositions du laitier et du réfractaire sont positionnés sur les pseudos diagrammes d’équilibre CAS, établis à 1η00°C avec la base FT oxid de FactSage^®.

Le point figuratif du réfractaire se place en R et celui du laitier en L (Figure IV-33 à Figure IV-37). δe laitier est totalement liquide, conformément à l’étude de la température de liquidus de la composition S établie au paragraphe II.4.3.1. Au fur et à mesure de la corrosion par le laitier, la composition du produit de réaction se déplace sur la ligne R-L, permettant ainsi de prévoir les phases solides pouvant se former lors de la corrosion du réfractaire selon un mécanisme de dissolution précipitation. En effet, il existe un gradient de concentration chimique, créé par la dissolution et la diffusion des espèces du réfractaire et du laitier. Si le laitier s’enrichit suffisamment et atteint le niveau de saturation d’une espèce, un composé stable pourra précipiter à 1500°C. Les notations utilisées dans les diagrammes sont les suivantes : P pour précipitation d’une nouvelle phase et F pour disparition d’une phase solide.

Béton A (andalousite\ chamotte\ corindon)

Le réfractaire A (au point R), replacé dans le diagramme CaO-Al₂O₃-SiO₂ (Figure IV-33) est composé de mullite et d’un verre riche en SiO2.

Par mise en contact avec le laitier (reporté au point δ), la composition va s’appauvrir en Al2O3, jusqu’à atteindre le point P1 où l’anorthite va précipiter. On obtient alors un mélange d’anorthite, de mullite et de liquide.

Au point F1, pour des teneurs en alumine plus faible, la mullite se dissout dans le laitier. La phase stable pour cette composition est l’anorthite. Au point Fβ l’anorthite disparait.

Entre le point Fβ et δ, aucune phase solide n’est stable.

Figure IV-33 chemin de corrosion pour le béton A dans le diagramme CAS

Béton B (bauxite)

Le béton B (point R), replacé dans le diagramme de phase CaO-Al2O3-SiO2 (Figure IV-34) est composé de mullite, d’alumine et d’anorthite. Aux points F1, Fβ, Fγ la disparition respective de corindon, de mullite et d’anorthite est observée. Entre F3 et L, tout est liquide.

Figure IV-34 Chemin de corrosion pour le béton B dans le diagramme CAS

Béton C (alumine tabulaire)

Le béton C (point R, Figure IV-35) est composé de corindon et de CA6 (hibonite). Au point F1, la disparition de CA₆ est observée. Aux points P1 et Pβ les phases stables sont l’anorthite et la mullite. Puis, les disparitions respectives de corindon, de mullite et d’anorthite sont observées en F2, F3, F4. Enfin, aucune phase solide ne précipite entre F4 et L.

Figure IV-35 Chemin de corrosion pour le béton C dans le diagramme CAS

Béton D (alumine\ alumine spinelle)

Le béton D (point R) ainsi que le laitier (point L) sont replacés dans le pseudo-diagramme CaO-Al2O3-SiO2-MgO (Figure IV-36) avec un ratio massique constant de MgO. Il est composé de spinelle, d’alumine, de CA6et d’une phase liquide.

Aux points F1, F2, F3 la disparition respective de CA6, de spinelle et d’alumine est observée.

Aucune phase solide stable ne précipite entre F3 et L

Figure IV-36 Chemin de corrosion pour le béton D dans le diagramme CASMg

Béton E (alumine\ oxyde de chrome)

Le béton E (point R) ainsi que le laitier (point L) sont replacés dans le pseudo diagramme de phase CaO-Al2O3-SiO2-Cr2O3 (Figure IV-37). Il est composé d’une solution solide Al2O3 -Cr₂O₃ (notée ss Al-Cr), d’anorthite (CAS2) et de gehlenite (C₂AS).

Au point P1, la disparition de la gehlenite et la cristallisation de la mullite sont observées. En F1, on observe la disparition de la mullite suivie de peu par la cristallisation de la wollastonite au point P2.

Entre Pβ et δ, aucune évolution de phase n’est à noter. Dans ce système quaternaire, le laitier est entièrement cristallisé (sous forme d’anorthite, de wollastonite et d’une solution solide Al2O3-Cr2O3). δa présence d’oxyde de chrome a un effet extrêmement important. En effet, il conduit à la disparition des phases liquides. Sur le chemin de corrosion, il n’y a pas de liquide mais précipitation de nouvelles phases à l’état solide.

Figure IV-37 Chemin de corrosion pour le béton E dans le diagramme CASCr

Cette approche théorique permet de connaitre les phases susceptibles de se former lors de la corrosion des réfractaires. Elle permet aussi de prévoir la succession de zones réactionnelles.

Le Tableau IV-13 synthétise les principaux résultats. On constate que la corrosion conduit à la formation de zonations différentes suivant les qualités. On obtient le même type de succession de phases précipitées pour les qualités A et B. La différence observée porte sur l’étendue de ces zones et l’absence de certaines d’entre elles.

Béton A mullite anorthite laitier

Béton B corindon mullite anorthite laitier Béton C anorthite mullite laitier

Pour le béton D, on a dissolution sans précipitation de nouvelles phases. Il s’agit donc d’une corrosion active.

Pour le béton E, la présence de chrome limite fortement l’apparition de liquide.

béton

Diagramme C-A-S. Phases précipitées à 1500°C par réaction réfractaire/ L

Tableau IV-13 synthèse des phases susceptibles de précipiter par lecture du diagramme CAS à 1500°C.

En gras : phase précipitant, souligné : phase disparaissant

δ’analyse théorique permet de déduire une excellente tenue du réfractaire E à base d’Al2O₃ -Cr₂O₃, une forte corrosion de béton D à base d’alumine et de spinelle, un mécanisme de corrosion semblable pour les bétons A, B et C, les différences de résistance à la corrosion s’expliquant par la composition des liquides.