Les cendres volantes de boues de papeteries

Ces cendres volantes proviennent de la combustion des déchets de biomasse issus des activités papetières. Trois types de déchets sont typiquement co-incinérés: les boues de traitement des eaux servant à la fabrication de papier, les boues de désencrage, et les déchets de papeterie (bois, rebus de papiers,…). Nous nous intéresserons plus particulièrement aux cendres volantes issues de l’Usine Kruger (Sherbrooke, Québec) où les déchets de biomasse sont incinérés dans un four à lit fluidisé, dans un but de récupération d’énergie.

II.4.1 Composition

La composition des cendres est assez variable. Des études préalables (Roby 2010; Xie 2009) ont montré la grande dispersion de la composition des cendres (tableau 1-6). Ceci est dû aux paramètres du procédé de combustion (température, temps), ainsi qu’aux types de combustibles utilisés, l’usine récupère en effet les boues des usines présentes aux alentours.

Tableau 1-6 : Variabilité de la composition des cendres volantes issues de l’usine Kruger.

élément Min max

SiO2 20,2% 35,5% CaO 31,4% 49,6% Al2O3 10,2% 20,6% Fe2O3 1,6% 2,0% P2O5 0,6% 1,0% MgO 1,9% 3,0% SO3 1,6% 8,0% Na2O 0,4% 0,7% K2O 0,7% 1,0% TiO2 0,9% 2,3% LOI 0,6% 13,1%

La composition élémentaire des cendres volantes de Kruger (CVK) est basée sur le système CaO/SiO2/Al2O3. Les matériaux présentent une forte teneur en CaO, le SiO2 est le second élément le plus présent, et enfin, vient l’Al2O3. Nous retiendrons aussi la forte teneur en sulfates provenant des sels utilisés comme coagulant, ainsi que la grande dispersion des pertes au feu. Par ailleurs, les auteurs ont relevé une teneur non négligeable en carbone résiduel, ce qui peut nuire à l’entrainement d’air dans les bétons.

D’un point de vue minéralogique, les CVK sont composées de quartz. On retrouve le calcium sous forme de sulfate (gypse, hémihydrate) ou d’oxyde. Il est possible de retrouver des traces de carbonates de calcium, dans les cas où la chaux aurait commencé à réagir avec le CO2 de l’air. Le quartz, le gypse et la chaux vive sont les trois principales phases minérales présentes. La

littérature montre qu’il est possible de retrouver des minéraux argileux dans les cendres volantes de papeterie, car ces composés entrent dans la composition du papier (Pera & Amrouz 1998; García et al. 2008; Frías et al. 2008).

II.4.2 Utilisation en matrice cimentaire

II.4.2.1 Ouvrabilité

Les études (Xie 2009; Roby 2010) montrent que l’incorporation de cendres volantes de papeterie entraine une demande en eau supérieure à un témoin, ce qui rend nécessaire l’utilisation de plastifiants. La morphologie, la finesse, et la teneur en carbone résiduel peuvent en être la cause.

II.4.2.2 Prise et hydratation

(Xie 2009) a reporté que la prise de mortiers incorporant ces cendres volantes peut être accélérée. Cet effet peut être attribué à la présence de métakaolin, dont la réaction avec la portlandite accélère l’hydratation du C3S. Cet effet peut également être attribué à un effet filler, où l’ajout cimentaire constituerait un site de nucléation pour les hydrates.

II.4.2.3 Performances et durabilité

Les performances mécaniques de mortiers sont susceptibles être altérées par l’introduction des cendres volantes de papeteries. Cet effet peut être relié à la baisse de la densité des mortiers. Les bétons ou mortiers peuvent être altérés par un fort retrait au séchage lorsque de ce type de cendres volantes sont introduites (Mohammed & Fang 2011; Roby 2010). (Roby 2010) a également rencontré des problèmes de gonflement dont l’origine n’a pas été définie. Des études montrent aussi l’introduction de ce type de cendre peut diminuer la résistance à la pénétration des chlorures, mesurée par RCPT (Roby 2010; Mohammed & Fang 2011). En revanche, les bétons réalisés lors de l’étude menée par (Mocaer 2011) présentent des résistances en compression satisfaisantes. Et, malgré une augmentation de la porosité, ces bétons présentent une amélioration de la perméabilité aux ions chlorure.

Il ressort aussi que le type d’adjuvant, et notamment de superplastifiant, joue un rôle primordial dans le développement des propriétés des bétons (Roby 2010; A. Xie 2009). Le polynaphtalène sulfonate peut poser des problèmes d’incompatibilité avec les cendres volantes, nuisant aux propriétés à l’état frais et au développement des propriétés mécaniques. L’utilisation d’un polycarboxylate est recommandée.

Enfin, d’après (Mohammed & Fang 2011), l’introduction des cendres volantes de papeterie dans des mélanges à base de ciment et de cendres volantes peut permettre de combiner avec synergie le comportement et la réactivité de l’ajout.

II.5 Conclusion

Les études réalisées sur les ajouts cimentaires alternatifs considérés dans ce travail ont, dans un premier temps, porté sur les aspects de formulation. Les effets de ces ajouts sur

l’ouvrabilité et la prise des matériaux cimentaires sont reconnus. La poudre de verre n’influe que très peu l’ouvrabilité et la prise. Les sédiments, les boues d’épuration calcinées et les cendres volantes de papeterie réduisent l’ouvrabilité. Les sédiments et les boues d’épuration calcinées tendent à augmenter le temps de prise, alors que les cendres volantes de papeterie peuvent l’augmenter.

Les taux de substitution acceptables ont été définis généralement à partir de leur impact sur les performances mécaniques. Différents indicateurs de durabilité ont été investigués sur les bétons ou les mortiers incorporant une addition cimentaire alternative, comme la tendance aux retraits au jeune âge, du gonflement dû à des réactions internes (alcali-réaction, réaction sulfatique différée). Les propriétés de transfert (chlorures, CO2) ont parfois été évaluées. Enfin, l’impact environnemental a été considéré sur certaines additions contenant des polluants. C’est notamment le cas du relargage de métaux lourds des mortiers contenant des cendres de boues de station d’épuration calcinées.

Les formulations incorporant les ajouts considérés, présentent dans la littérature, montrent des résultats intéressants en termes de résistance mécanique et de durabilité. La pouzzolanicité de la poudre de verre permet d’améliorer les propriétés de transfert des bétons. Les sédiments et les boues calcinées peuvent apporter un effet filler et une légère réactivité dans les bétons. Les cendres volantes de papeterie peuvent également apporter une certaine réactivité dans les bétons. Toutefois, il reste certains points à maitriser en ce qui concerne les aspects de durabilité et les aspects environnementaux.

Les aspects liés à la corrosion des armatures de bétons armés n’ont pas ou peu été abordés, dépendamment des additions considérées. Il est nécessaire d’aborder ce thème afin de valider la pérennité de bétons dans lesquels seront incorporées des additions alternatives.