Arrangement granulaire

Les caractéristiques des différents granulats utilisés sont données dans les fiches techniques en Annexe B2.

Le squelette granulaire a été optimisé de la même façon pour toutes les formulations, afin d’être le plus compact possible. Pour mettre au point le mélange optimal, nous avons utilisé le solveur d’un tableur Excel, intégrant la granulométrie des sables et granulats, déterminant ainsi les proportions massiques qui permettent de correspondre au mieux à la courbe de Dreux théorique. Le Tableau B2- 11 nous donne les proportions massiques déterminées pour le meilleur arrangement granulaire avec la méthode de Dreux.

Tableau B2- 11 : Répartition granulaire des bétons

Classe de granulat G 0/0,315 G 0/4 G 4/14

Proportion (% massique) 9,4 30,6 60,0

Le graphique de la Figure B2- 8 représente le mélange granulaire obtenu pour une formulation de bétons de bâtiment avec les classes granulaires choisies. On peut remarquer qu’il y a une très bonne correspondance avec la courbe de Dreux théorique.

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Partie B : procédures expérimentales et matériaux utilises

Ta m is ats c um ul és (%) 100 0/0.315 0/4 4/14 90 80 Mélange 70 Courbe visée 60 50 40 30 20 10 0 0,01 0,1 1 10 100

Diamètre des particules (mm)

Figure B2- 8 Courbes granulométriques des granulats utilisés, du mélange réel et de la courbe de Dreux théorique

CONCLUSION

Ce chapitre a permis de caractériser brièvement des matériaux issus de l’île de la réunion afin de nous rapprocher le plus possible de ce qui pourrait se faire localement en termes de fabrication de ciment. Cependant, avant d’introduire un nouveau matériau dans des matrices cimentaires il est nécessaire d’effectuer une caractérisation physico-chimique complète. C’est pourquoi le chapitre suivant va traiter sur la caractérisation des CVSS pour leur incorporation dans des matrices cimentaires.

Partie B : procédures expérimentales et matériaux utilises

Chapitre B-3 : Les Cendres Volantes Spreader Stoker (CVSS)

Sommaire

Introduction et rappels bibliographiques ... 89 I. Processus de combustion Spreader stoker versus Charbon Pulvérisé ... 91 I.1. Les chaudières à charbon pulvérisé (CP) ... 91 I.2. Chaudières Spreader Stoker ... 92 II. Caractéristiques chimiques, minéralogiques et physiques ... 93 II.1. Caractéristiques chimiques ... 93 II.2. Caractéristiques minéralogiques ... 95 II.3. Caractéristiques physiques ... 97 III. Les CVSS dans les pâtes et mortiers de ciment ... 100 III.1.1. Propriétés aux états frais et durcissant ... 100 III.1.2. Propriétés à l’état durci... 104 CONCLUSION ... 106

Partie B : procédures expérimentales et matériaux utilises

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Introduction et rappels bibliographiques

Les cendres volantes utilisées couramment dans les matrices à base de ciment sont généralement des sous-produits de la combustion du charbon (charbon bitumineux, charbon sous-bitumineux, anthracite ou lignite), mais pourraient parfois être issues des déchets provenant de la combustion d'autres matières que le charbon (par exemple cendres volantes d’incinérateur municipal de déchets solides [Diaz-Loya et al. (2012), Ferreira et al. (2003), Polettini et al. (2001)], ou de désulfuration des gaz de combustion de déchets [Dermatas and Meng (2003)]). Au cours du processus thermique (divers procédés de combustion existent), le charbon est calciné et une petite partie de celui-ci tombe dans le fond de la chaudière produisant des cendres de foyer, souvent assez grossières. Une autre partie est plutôt emportée par les fumées de combustion, refroidie rapidement et solidifiée sous forme de petites particules sphériques vitreuses, qui forment les cendres volantes.

En fonction des propriétés physiques et chimiques du charbon brûlé et du processus de combustion, la composition et les propriétés des cendres volantes peuvent varier considérablement [Naik and Singh (1998)]. Les cendres volantes “normalisées“ apparaîssent comme une poudre relativement fine avec des diamètres de particules arrondies principalement entre 1 et 150 µm [Openshaw (1992), Berry et al. (1989)]. Il s'agit, cependant, d'un matériau hétérogène complexe essentiellement minéral, mais pouvant contenir des fractions organiques. Les principaux éléments des cendres volantes sont le silicium, l'aluminium, le calcium et le fer [Ramezanianpour (2014), Kutchko and Kim (2006), Moreno et al. (2005)]. En général, les cendres volantes provenant de la combustion du charbon bitumineux et de l'anthracite contiennent une faible quantité de calcium alors qu’avec un charbon sous-bitumineux ou de la lignite, les cendres sont composées de plus de 10% de calcium. Une classification des cendres volantes pour des applications industrielles, principalement pour une utilisation constituant principal autre que le clinker dans le ciment et comme additif minéral le béton, se fait en fonction de la source de charbon et de la teneur en oxyde (cf. NF EN 197-1 [2012], NF EN 450-1 [2012] et la norme ASTM C618 [2012]). Une méthode développée par l'American Society for Testing and Materials permet une classification des cendres volantes à utiliser comme addition minérale dans les bétons : cendres volantes de classe F et cendres volantes de classe C [ASTM C618 (2012)]. D'une part, le type F (c-à-d faible teneur en calcium) contient au moins 70% de SiO2 + Al2O3 +

Fe2O3. Cette cendre volante présente des propriétés pouzzolaniques mais possède peu ou pas

de propriété auto-durcissante. D'autre part, le type C (à taux élevé en calcium) contient un minimum de 50% de SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 et une quantité importante d'hydroxyde de

calcium (au moins 10%) ; ces cendres présentent à la fois des propriétés pouzzolaniques et hydrauliques. D’autres exigences chimiques et physiques de cette classification comprennent les Cl-_{, le SO}

3 et le contenu en Na2O, l'humidité, la taille des particules et la perte au feu.

La plupart des centrales thermiques ont de bons rendements de combustion et utilisent des fours alimentées au charbon finement broyé. Les cendres volantes résultant de ce procédé possèdent des propriétés qui leur permettent d'être utilisées en tant que matériaux cimentaires,

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Chapitre B-3: Les Cendres Volantes Spreader Stoker (CVSS)

ou encore dans d'autres applications telles que la céramique, les matériaux de remplissage, les engrais, le traitement des sols et les géopolymères [Moreno et al. (2005), Blissett and Rowson (2012), Loya and Rawani (2014)]. Remplacer une partie du ciment Portland par des cendres volantes s’est avéré être bénéfique car elle permet d'améliorer la maniabilité et les performances des matériaux en béton et en même temps réduit la nécessité d'utiliser des matières premières primaires [Ramezanianpour (2014), Malhotra and Mehta (2012)]. Cependant, ces applications ne sont pas suffisantes pour l'utilisation complète de la grande quantité de cendres volantes générées. Le reste est considéré comme un déchet et doit être mis en décharge. La nécessité de développer de nouvelles filières de recyclage et d'applications innovantes pour les cendres volantes de charbon, ainsi qu'une meilleure caractérisation des cendres volantes disponibles, apparaît essentielle [Yao et al. (2015), Foner et al. (1999), Yeboah et al. (2014)].

Un processus de combustion de type Spreader Stoker (SS) est actuellement utilisé sur l'île de la Réunion. Il est optimisé pour la combustion de la biomasse et la co-combustion avec des combustibles fossiles [Turn et al. (2006), Cobb (2002), EPA (2007), Bain et al. (1998)]. De ce fait, il brûle de la bagasse pendant la période de récolte de la canne à sucre et du charbon le reste de la saison. Les cendres volantes de charbon résultant de ce système de combustion spécifique, que nous appellerons CVSS, sont actuellement envoyées en décharge. Ces cendres ne peuvent pas être utilisées dans des applications de génie civil en raison de la teneur en carbone, sous forme d’imbrûlés, plus élevée que celle prescrite par la norme européenne NF EN 450-1 (moins de 5 à 9%, en fonction de la catégorie de cendres volantes) [EN 450-1 (2012)]. Le manque de connaissances générales sur ce type de cendres volantes, ses propriétés, ainsi que l'absence de réglementation standard adéquate concernant ses applications potentielles, sont les obstacles dominants à sa valorisation. Le processus de combustion semble jouer un rôle important dans la classification des cendres volantes. Les CVSS subissent une transformation physique conduisant à des changements par rapport aux cendres volantes traditionnelles de type Charbon Pulvérisé (CP).

Le but de ce chapitre est donc de présenter les caractéristiques des CVSS et de mettre en évidence les similitudes et les différences entre trois types de cendres volantes :

- CVSS qui sont les cendres volantes de Spreader Stoker de notre étude,

- CPG qui sont des cendres de charbon pulvérisé à haute teneur en imbrûlés, provenant d’une centrale thermique de l'île de la Réunion,

- et CP, qui sont des cendres volantes normalisées actuellement utilisées dans la production de ciment selon la norme européenne NF EN 197-1 [2012].

Ces cendres volantes seront caractérisées par des analyses chimiques, minéralogiques et physiques, puis une comparaison sera faite pour déterminer les particularités des CVSS. Une série d'essais sur des mortiers aux états frais et durcis, composés de 75% de ciment Portland et 25% des cendres volantes (les trois cendres volantes), est présentée pour donner un aperçu du comportement de ces matériaux dans les matrice à base de ciment.

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Partie B : procédures expérimentales et matériaux utilisés