Chapitre 4 PROTOCOLE EXPERIMENTAL 64
2.1. Définition
Les argiles ont une origine géologique secondaire. Elles ont été formées par la dégradation des roches volcaniques. Il s’agit de matériaux hétérogènes à différentes échelles. A l’échelle macroscopique, elles sont souvent associées à d’autres minéraux résidus de la transformation: quartz, micas, feldspaths, calcites et divers détritus, en plus des impuretés telles les oxydes et hydroxydes de fer. A l’échelle microscopique, elles présentent une structure en feuillet. Les matériaux argileux silico-alumineux constituent souvent des mélanges naturels complexes de minéraux dont la granulométrie et les propriétés physico-chimiques sont très variables. A l'état de fines particules, les
matériaux argileux sont les constituants de nombreuses formations géologiques et des sols particulièrement [8]. Par ailleurs, ce mélange est caractérisé par une certaine plasticité et des grains ayant une taille inférieure à 2 μm.
Les pièces à base d’argiles sont, en général, mises en forme à température ambiante ou à basse température, puis séchées. Elles ont alors des propriétés mécaniques faibles. De plus, les produits obtenus contiennent des taux de porosité variables en fonction de la nature de la phase argileuse et du procédé de mise en forme.
Il est donc nécessaire de les cuire à haute température pour les consolider et les densifier.
Les microstructures se modifient alors fortement.
2.2 Les principaux types d’argile
La classification géotechnique des argiles est un sujet difficile à cerner vu la diversité de leurs propriétés. Néanmoins, trois grands groupes d’argiles sont souvent rencontrés en géotechnique : les kaolinites, les illites et les smectites. Ces argiles pures représentent des références pour la classification des différentes argiles qu’elles soient naturelles ou commerciales.
Les argiles les plus fréquentes dans les sols naturels sont les illites, les kaolinites et les smectites de type montmorillonite. Hormis ces grandes familles d’argiles, il existe d’autres minéraux argileux tels que :
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Les interstratifiés formés par l’intercalage régulier ou non des feuillets des smectites avec d’autres feuillets argileux, souvent illitiques.-
Le chlorite qui peut comporter quelques substitutions isomorphes et dans certains cas, perdre une couche de brucite (Cation Mg2+) ou de gibbsite (cation Al2+). Il peut être gonflant mais pas aussi actif que la montmorillonite.-
la vermiculite : c’est un minéral semblable à la montmorillonite mais qui ne comporte que deux espaces d’eau entre les couches.-
L’attapulgite : minéral argileux qui n’a pas une structure en feuillets ; elle est constituée d’une chaîne de silicates et par conséquent, elle a la forme d’une aiguille ou d’une tige.-
L’allophane : c’est un silicate d’aluminium, cependant on la classe souvent comme minéral argileux. Elle est cependant amorphe, c’est-à-dire qu’elle n’a pas de structure cristalline régulière [9].Les argiles d’utilisation industrielle sont en grande partie à base de montmorillonites de gisement. Lorsque la teneur en montmorillonite dépasse 65% ces argiles sont appelées des bentonites caractérisées par une capacité de gonflement très importante.
Tableau 2 : Quelques types d’argile et leurs caractéristiques [10]
3. LES CENDRES 3.1. Définition
Les cendres sont des résidus basiques de combustion ou d’incinération de matières organiques, et par extension de produits tels que le charbon, le lignite ou divers déchets brûlés dans les incinérateurs, en plein air ou dans les cheminées ou fours [11].
La composition des cendres varie selon le produit brûlé et selon son origine.
3.2. Cendres de bois
La composition des cendres varie selon de nombreux paramètres, qui sont essentiellement les espèces végétales brûlées, les parties des plantes (écorce, tronc, ou jeunes branches par exemple), la nature du sol, ainsi que la période de l'année durant laquelle ces plantes ont été récoltées.
Les cendres de bois sont généralement riches en potasse alors que celles d'herbes sont riches en silice. On peut considérer que les éléments non organiques qui constituent les cendres de bois sont en majorité basiques avec 25 à 50 % de chaux (oxyde de calcium ou chaux vive), 13 % de potasse (hydroxyde de potassium) et soude (hydroxyde de sodium), 9 % au total d'oxydes tels que : oxyde de magnésium (magnésie), oxyde de fer,
NOM ORIGINE TEMPS
FUSION PLASTICITE UTILISATION COULEUR
Kaolin Argile
primaire 1800°C Mauvaise:
utilisation liquide
En mélange dans les pâtes à
faïence Blanche
Ball clay Argile
secondaire 1300°C Très bonne Améliore la plasticité des pâtes Grise Terre à
faïence Argile
primaire 900-1050°C Pâte à faïence reste blanche
après cuisson blanche
Argile
réfractaire Argile
primaire 1600-1750°C Moyenne :
riche en kaolin Elle doit être chamottée avant
utilisation Du crème au gris
Terre à
grès Argile
secondaire 1200-1300°C Bonne Vitrification à la cuisine Gris à brun
oxyde de manganèse. Les hydroxydes de calcium, de potassium et de sodium sont des bases fortes.
Les constituants acides : acide phosphorique, acide silicique, acide sulfurique sont peu présents, et, en présence des bases citées ci-dessus, se retrouvent généralement sous forme de sels, respectivement des phosphates, des silicates et des sulfates. D'autres substances telles que le soufre, le chlore, le fer ou le sodium n'apparaissent qu'en faibles quantités et d'autres encore ne se trouvent dans le bois qu'exceptionnellement comme l'aluminium, le zinc, le bore etc. (selon notamment les oligo-éléments puisés dans le sol par les plantes qui ont été brûlées afin de produire ces cendres).
On constate une variation des matières minérales avec l'espèce de bois brûlé.
Ainsi nous trouvons davantage de chlore dans les résineux que dans les bois feuillus (sept fois plus dans l'épicéa que dans le chêne). Nous trouverons deux fois plus d'acide phosphorique dans le peuplier tremble que dans le chêne, et deux fois plus de magnésie dans l'orme que dans le pin sylvestre. Les comparaisons portent évidemment sur des bois ayant poussé dans les mêmes conditions.
La nature du sol a une influence considérable sur la composition chimique des cendres de végétaux. La nature et la quantité des matières minérales formant les cendres varient également avec les diverses parties de l'arbre. L'écorce en contient plus que le bois, les branches plus que le tronc et le tronc plus que les racines. Les sels de silicium et de calcium sont plus abondants dans l'écorce que dans le bois tandis que les sels de potassium prédominent dans le bois. À proprement parler, ce n'est que lors de la combustion des matières organiques que ces sels de calcium et de potassium donnent respectivement la chaux et la potasse retrouvées dans les cendres. On a constaté aussi une variation suivant la saison d'abattage. Si l'on abat en été, on trouve une plus forte proportion de potasse et d'acide phosphorique. Ces éléments favorisant certains organismes de fermentation, la conservation de tels bois sera moins bonne. Les cendres ont aussi des propriétés nettoyantes [11].
3.3. Cendres d’incinérateurs
Les cendres et autres résidus d'incinération, ainsi que les carbocendres (cendres de charbon) issues des installations individuelles ou industrielles (incinérateurs, centrales
thermiques..) contiennent souvent de nombreux produits toxiques (résidus carbonés, métaux lourds, organochlorés et traces de radionucléides). Ce sont des produits en partie chimiquement réactifs que l'on cherche à valoriser pour éviter leur coûteuse mise en décharge (décharge de classe 1 en France). Comme pour certaines boues d'épuration, une des possibilités de valorisation est de les inclure dans des matériaux de construction compatibles avec leurs natures physicochimique et toxique [11].
Les cendres et mâchefers produits par les centrales thermiques et les usines d’incinération sont utilisés dans le traitement des sols. Les centrales thermiques fonctionnant au charbon produisent des cendres qui pour certains modes de combustion peuvent sortir sous forme de poudre extrêmement fine (d’où leur nom de volante) mise en décharge. Ces cendres ont trouvé une utilisation dans le traitement des sols : mélangées à la terre avec de la chaux elles se comportent comme un véritable ciment à prise lente ce qui permet d’améliorer la portance des sols de mauvaise qualité.
500.000 tonnes sur les 2.000.000 produites sont réutilisées chaque année. Les usines d’incinération des ordures ménagères produisent de grandes quantités de mâchefer (MIOM) issu de la combustion de ces déchets. Après dé-ferraillage et traitement de dépollution éventuel, ces mâchefers sont largement réutilisés sur les chantiers de terrassement comme sous-couches de plate-forme, couches drainantes et anti-contaminants, tranchées drainantes. La moitié des 4.000.000 tonnes produites chaque année sont valorisées par les travaux publics [12].
3.4. Les cendres volantes
Résidus de la combustion du charbon pulvérisé, les cendres volantes constituent une matière première intéressante pour la fabrication de certains ciments, voire pour la formulation de bétons. Les cendres volantes sont le résidu finement divisé résultant de la combustion du charbon pulvérisé. Elles constituent un produit minéral pulvérulent, consécutif du dépoussiérage des fumées rejetées par les centrales thermiques qui utilisent du charbon broyé comme combustible en présence ou non de matériaux de Co-combustibles. Ces cendres sont obtenues par précipitation électrostatique ou mécanique de particules pulvérulentes contenues dans les gaz de fumée des chaudières. Selon les types de charbon et le type de chaudière utilisés, on obtient des cendres volantes de
différentes natures : siliceuses, silico-calciques ou calciques avec des propriétés pouzzolaniques et ou hydrauliques latentes. Ces trois types de cendres volantes sont utilisés dans la production de bétons et de ciments composés dans certains pays européens, en fonction de l’expérience et de la tradition nationales [13].
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Cendres siliceusesLes cendres volantes siliceuses sont constituées principalement de particules sphériques vitrifiées ayant des propriétés pouzzolaniques. Elles se présentent sous forme d’une poudre fine, allant du gris au noir suivant les teneurs en imbrûlés et en oxyde de fer (plus foncé que le ciment). Douce au toucher, elles sont composées essentiellement de silice réactive (teneur supérieure à 25 % en masse) et d’alumine. Le restant contient de l’oxyde de fer et d’autres oxydes. La proportion de chaux réactive doit être inférieure à 5 % en masse.
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Cendres volantes calciquesLes cendres volantes calciques sont sous la forme d’une poudre fine ayant des propriétés hydrauliques et pouzzolaniques composée essentiellement de chaux réactive (supérieure à 5 % en masse), de silice réactive et d’alumine. Elles contiennent par ailleurs de l’oxyde de fer et d’autres oxydes. La quantité de la chaux (CaO) dans ce type de cendres est élevée, c’est pourquoi elles sont susceptibles de faire prise sans liant, seulement au contact de l’eau (d’où leur nom : cendres hydrauliques) et dégagent de la chaleur en s’hydratant.
3.5. Différentes applications
En cimenterie, les cendres volantes sont utilisées pour la préparation de la matière première (le cru). Elles apportent essentiellement la silice, l’alumine et le fer. Elles peuvent être ajoutées lors du broyage final (avec le clinker, le gypse et les éventuels autres constituants secondaires). Leur passage dans le broyeur augmente le rendement de ce dernier (grâce aux imbrûlés). Le temps de prise des ciments contenant des cendres volantes est plus long que dans le cas de ciments sans ajouts minéraux. De même, les résistances mécaniques sont un peu plus faibles les premiers jours, mais elles deviennent plus importantes à long terme (effet pouzzolanique des cendres). Les cendres volantes siliceuses (identifiées V dans la norme-ciment NF EN 197-1) et ou calciques (identifiées
W dans la norme-ciment NF EN 197-1) entrent donc dans la composition de certains ciments comme les CEMII/A-V, CEMII/B-V, CEMII/A-W, CEMII/B-W, CEMV/A, CEMV/B et les CEMIV.
Aussi, les cendres peuvent entrer sous un taux de l’ordre de 80 à 100 kg/m3 dans la composition des bétons fabriqués sur chantier, des bétons prêts à l’emploi (bétons auto-plaçant y compris), des bétons pour la préfabrication, des bétons de chaussée ou encore, des bétons d’injection. Sur le béton frais, les cendres contribuent à améliorer l’ouvrabilité, augmentent la compacité, améliorent l’aspect de surface après décoffrage et allègent les produits préfabriqués (pour un taux de cendres supérieur à 7 %). Sur le béton durci, elles augmentent la résistance mécanique finale (en raison de leur pouvoir pouzzolanique), diminuent la fissuration (en relation avec la diminution de la chaleur d’hydratation), accroissent la résistance aux eaux pures et aux eaux sulfatées, assurent une meilleure résistance au feu et aux chocs thermiques et minorent la réaction alcali-silice.
En dehors des utilisations classiques comme les ajouts dans le ciment ou pour permettre la formulation de certains bétons, les cendres volantes trouvent aussi des applications dans d’autres domaines de la construction. Elles peuvent être employées pour la réalisation de liants hydrauliques routiers, en terrassement pour la création de remblais, de couches de formes ou de couches de chaussées (fondations et bases). A ce niveau, les cendres permettent en particulier d’améliorer les caractéristiques mécaniques des sols en place. Les cendres permettent également la formulation de coulis d’injection destinés à la stabilisation des sols.
Le principal intérêt des cendres volantes est leur impact environnemental réduit.
Ce sont des produits énergétiques dans la mesure où leur utilisation peut se faire en substitution du ciment. Le remplacement d’une partie du ciment par une cendre volante lors de la fabrication du béton, ainsi que son utilisation dans la fabrication de certains ciments composés, constituent une solution complémentaire pour diminuer de manière importante les émissions de CO2. La fabrication d'un ciment classique, comme le ciment Portland, libère du dioxyde de carbone, grand contributeur au réchauffement climatique global. L'utilisation de cendres volantes préserve les ressources naturelles et économise l'énergie [14]. L'équipe de chercheurs des scientifiques de l'Université technique de Brno
a réussi à créer un liant à base de cendres volantes, laitier de haut fourneau et d'un activateur alcalin alternatif dont le prix peut rivaliser avec celui du ciment Portland. Ce nouveau matériau de construction, attend maintenant les résultats des tests auquel il a été soumis. S'il se révèle à la hauteur des attentes des chercheurs, d'un mètre cube de cendres (après ajout de liants et d'agrégats) résulteraient cinq mètres cubes de béton.
Pour construire un kilomètre d'autoroute, 3 500 mètres cubes de béton sont nécessaires.
La production annuelle d'une centrale à charbon permettrait ainsi de produire une centaine de kilomètres de nouvelle autoroute [14].
La demande de brevet WO 2005/072188 décrit un matériau composite polymère contenant entre autres des cendres issues de la combustion du charbon, en tant que charge. Les cendres décrites sont indifféremment de nature légère ou lourde dans la mesure où les propriétés recherchées sont celles d'un matériau inorganique sous forme particulaire. Là encore, ces cendres sont susceptibles de donner lieu à différentes réactions chimiques pouvant aboutir à une altération des propriétés mécaniques et des qualités esthétiques du matériau thermoplastique ainsi obtenu. Les brevets US 6.916.863 et US 6.695.902 décrivent des polymères composites contenant des charges de deux natures différentes dont l'une au moins est constituée de cendres issues de la combustion du charbon et de granulométrie donnée. Tous ces brevets mettent en œuvre uniquement des cendres issues de la combustion du charbon et ne décrivent aucune autre nature de cendres car les propriétés recherchées sont uniquement des propriétés de remplissage ou de granulométrie [15].
Des chercheurs de l'Université d'Alicante ont développé un nouveau procédé de fabrication de béton, qui permet d'obtenir un matériau d'une plus grande résistance.
Dans un communiqué de presse, l'Université précise qu'il s'agit d'un nouveau mortier à base de ciment "Portland", auquel ont été ajoutées 5 à 15% de cendres d'une algue méditerranéenne, Posidonia oceanica. Ce mélange, développé par l'unité de recherche Technologie des Matériaux et Territoire, améliore les propriétés mécaniques et la résistance du béton, mais apporte également une solution à un problème environnemental, en permettant la valorisation de ces résidus d'algue [16].
La demande de brevet WO 2008/094529 décrit des matériaux composites à base de résines polymères thermoplastiques combinés à des charges d'origine minérale
naturelle dont des cendres volcaniques ou des cendres issues de la combustion du charbon. Les matériaux composites présentent des performances mécaniques accrues notamment en termes de propriétés de flexion et de stabilité thermique. Les résines préférées sont des polyoléfines. Les cendres volcaniques contiennent en particulier de fines particules de roches et de minéraux, mais également des particules métalliques.
Comme évoqué ci-dessus, la nature des cendres décrites par cette demande de brevet est particulière et est susceptible de donner lieu à différentes réactions chimiques pouvant aboutir à une altération des propriétés mécaniques et des qualités esthétiques du matériau thermoplastique ainsi obtenu [15].
L’objet de ce travail [17] est le recyclage de deux sous-produits industriels : le phosphogypse (rejet de la production de l’acide phosphorique) et les cendres volantes (résidus de centrales thermiques) par leur intégration dans la formulation de produits de la terre cuite. L’avantage est que la microstructure de ces matériaux présente une phase vitreuse susceptible de confiner certains métaux lourds sources de radioactivité.
Plusieurs formulations ont ainsi été préparées. Les produits sont caractérisés (DRX, porosité, comportement mécanique,..) en fonction de leur teneur en additifs, de la température de cuisson. L’ensemble des résultats est encourageant et permet de proposer les paramètres optimaux pour une substitution avantageuse des argiles par le phosphogypse et les cendres volantes pour l’élaboration de briques de terre cuite.
Les travaux publics sont de très grands consommateurs de matériaux, et utilisent depuis des années des millions de tonnes de sous-produits industriels. La papeterie de Golbey produit 60000 tonnes de cendres volante par an. Sa valorisation peut se révéler avantageuse, d’autant plus que cette cendre réagit avec la chaux pour donner un liant hydraulique. Cette étude a permis d’établir un traitement efficace de sol ou de grave, à base de cendres volante de Golbey. Elle a aussi démontré la valorisation des cendres volantes en remblai, comme granulat ou comme liant d’un matériau auto compactant.
Finalement, l’innocuité environnementale des cendres volantes de Golbey a été vérifiée [18].
A la traction :
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Les cendres volantes diminuent la résistance à la traction du béton à 2j, 7j et à 28 jours.-
Lorsqu'on dépasse 33% de cendres volantes, la diminution de la résistance devienne plus significative : une chute de résistance à la traction à 28 jours de 8.07 MPa pour 33.33% de cendres à 5.23 MPa pour 50% de cendres.-
La substitution des fillers calcaires par les cendres volantes diminue légèrement la résistance à la traction à 2, 7 et à 28 jours.A la compression :
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Les cendres volantes diminuent la résistance à la compression du béton à 2j, 7j et à 28 jours.-
Avec 50% de cendres volantes, la résistance à la compression chute énormément : de 50% par rapport à un CPA55.-
La substitution des fillers calcaire par les cendres volantes diminue légèrement la résistance à la compression à 2, 7 et à 28 jours [19].L’objectif du projet de recherche évoqué dans [20] est l’étude des effets d’une forte teneur en cendres volantes (type C) sur la résistance et la tenue aux sulfates des matériaux de construction. A ces fins, les propriétés physiques et mécaniques et la tenue aux sulfates d’éprouvettes d’un diamètre de 50 mm et 100 mm ont été étudiées. Les essais physiques pratiqués sur les éprouvettes étaient destinés à déterminer la gravité spécifique apparente, l’absorption d’eau et le poids volumique sec tandis que les propriétés mécaniques examinées ont été la résistance en compression et en flexion.
Pour finir, les propriétés de durabilité étudiées ont été celles ayant trait à la tenue aux sulfates. De manière générale, l’on peut dire que la quantité de cendres volantes influe de façon considérable sur la résistance et la tenue aux sulfates des bétons à forte teneur en cendres volantes. Les mélanges béton contenant 20 % de cendres volantes ont présenté une résistance comparable, voire meilleure, que les mélanges sans cendres volantes. La tenue aux sulfates des matériaux composites à forte teneur en cendres volantes s’est avérée comparable, voire supérieure, à celle des matériaux composites sans cendres volantes. Toutefois, tous les mélanges étudiés au cours du présent projet avec ou sans cendres volantes ont satisfait aux obligations de durabilité et de résistance des bétons structurels de haute qualité. Les résultats de l’étude de la tenue aux sulfates ont indiqué que les performances techniques du produit final étaient adaptées à la production de matériaux de construction tels que les blocs béton, les