Chapitre 1

Eco-Matriaux
Valorisation des matriaux

Matriaux naturels (Pierre, argiles pour les briques en terre crue stabilise, pouzzolanes naturelles)

Introduction

Les matriaux de construction trouvent leur origine dans le sol, en premier lieu les pierres qui sont depuis les
temps les plus anciens des lments de construction rsultent du refroidissement progressif de la masse de la terre
passant dans sa premire phase de formation de l'tat gazeux l'tat liquide (le magma) puis, au contact de
l'atmosphre, ltat solide (l'corce terrestre).

D'autres pierres naturelles rsultent de celles-ci par dsagrgation, sdimentation et altration. Les pierres
naturelles possdent des formes et dimensions trs varies. Depuis toujours, lHomme utilise les matriaux
naturels du sous-sol, les roches, pour ses industries et ses constructions. Les premiers outils prhistoriques, galets
amnags, datent denviron deux millions dannes. Depuis, lhumanit na cess dextraire les diverses matires
minrales dont elle a besoin pour vivre et se dvelopper.

Le cycle des roches

La cristallisation du magma donne des roches magmatiques.

Laltration, la sdimentation, la diagnse (transformation d'un sdiment meuble en une roche
cohrente) donnent des roches sdimentaires.
La temprature et la pression donnent des roches mtamorphiques

Les minraux

Un minral est une substance inorganique ou non vivante contrairement aux plantes et aux animaux qui sont
organiques.
Un minral est compos dun lment chimique ou dun ensemble de plusieurs lments. Ce sont des substances
solides qui apparaissent naturellement dans la crote terrestre et qui peuvent avoir diffrentes formes. Il existe
cependant des minraux liquides : leau, le ptrole et le mercure.

Notion sur les argiles

Les argile sont des matriaux sdimentaires de l'corce terrestre, obtenu par dgradation physique et altration
par l'hydrolyse (Dcomposition de certains composs chimiques) des minraux des roches ruptives et
magmatique (granite et basaltes) sous l'action physique et chimique des eaux de surface. Ces rsidus dtritiques
(qui rsulte de la dsgrgation d'une roche prexistante) sont dplacs par voie glaciaire, fluviale ou olienne
et se dposent dans les bassins de sdimentation.

Les mlanges de production des produits de terre cuite briques, tuiles et cramiques) sont prpars base
d'argiles, qui sont principalement des phyllosilicates hydrate d'aluminium. Le prfixe phyllo exprime que la
forme des silicate est en feuillets.

Principales formes minralogiques de l'argile

Les argiles se prsentent sous forme de trs petits feuillet dont la structure est caractris par la superposition de
deux couches :

Couche octadrique (O) (Octadre d'ion hydroxyle OH avec au centre un ion d'aluminium Al +++)

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Couche ttradrique (T) (Ttradre d'atome d'oxygne autour d'un atome central de silicium Si)

Ces deux couches peuvent s'associer de diffrentes faons:

On distingue les feuillets deux couches (O,T) et les feuillets trois couche (T, O, T)

Suivant l'arrangement des couches dans le feuillet et les substitution ioniques, on obtient de nombreuse types
d'argile dont les principales sont des silicates hydrats d'alumine structure en feuillet.

Les diffrents types d'argiles

Les minraux argileux forment un groupe important et complexe d'espces minrales voisines souvent associes
dans les gisements (kaolinite, illite, glauconite, smectite, vermiculite), d'autant que des formes mixtes (les inter
stratifis, comme l'illite-montmorillonite ou l'illite chlorite) sont frquentes.
Certains silicates d'alumine donnent des argiles par simple transformation: par exemple les micas en s'hydratant
peuvent donner des illites. On les appelle argiles transformes.

Lorsque l'altration continentale est puissante, les minraux silicats sont totalement dcomposs et l'eau entrane
la silice, l'alumine, le fer et d'autres lments comme les bases ou les mtaux. Ces lments en solution peuvent
se recombiner et donner naissance des argiles dites de noformation (exemple: smectites, kaolinite). Cela
peut se produire dans le sol, dans le sous-sol ou dans l'eau stagnante. Il y a environ quinze cents varits d'argiles
sur la plante.

Les proprits de l'argile

Distribution granulomtrique et plasticit

Les proprits de bonne plasticit et de forte absorption d'eau sont lies la fraction de la granulomtrique
inferieure 2 m, qui reprsente rellement la fraction argileuse.

Les lment dgraissants

Souvent, les argiles naturelles prsentent une plasticit excessive, ce qui entraine des difficults de fabrication
(forte eau de faonnage, schage lent et retrait de schage important) Il est alors ncessaire d'ajouter des lments
inertes, appels dgraissants. Ils sont non plastique, n'induisent pas de variation dimensionnelle au schage. Ils
donnent aux produits une texture moins compacte qui facilite l'vacuation de l'eau pendant le schage et les
dgagements gazeux pendant la cuisson. Ils permettent aussi une meilleure oxydation cur des produits en
limitant l'apparition de cur noir. Par contre, il diminuent la plasticit, la compacit et les proprits mcaniques
aprs cuisson.

Les lment porosants

Les fabricants de briques cherchent diminuer la conductivit thermique de leur produit pour obtenir des
isolations thermiques meilleures des murs en briques. Il existe normment de types d'ajout qui augmentent la
porosit. On trouve de nombreux produits.

Les roches

Les roches dures telles que le granite, le calcaire, le grs ou certaines roches volcaniques, furent dbites et
utilises comme pierres de construction.

Lindustrie de la terre cuite se dveloppa il y a des milliers dannes. Elle permit de raliser des poteries, des
briques et des tuiles. De faon empirique, sans doute, on dcouvrit quen chauffant du gypse on obtenait du
pltre, que la cuisson du calcaire donnait la chaux et que le sable fondait pour donner le verre. La dcouverte du

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verre daterait denviron 1500 ans avant notre re. Quant au pltre, il fut, par exemple, utilis dans lancienne
gypte, lpoque des pharaons, pour sceller des pierres de construction et raliser des enduits, en particulier
dans la valle des rois, prs de Louksor. Pendant lpoque historique, les socits sorganisrent progressivement
avec un dveloppement de lhabitat urbain, des monuments, des systmes de dfense et des voies de
communication.

Quelques exemples des minraux et roches

La calcite

Cest le carbonate de calcium (CaCO3) cristallis (rhombodre six faces), minral des roches sdimentaires,
principal constituant des roches calcaires et mtamorphiques en drivant. Incolore transparent. Minral le plus
rpandu sur terre aprs le quartz.

Les roches carbones

Ce sont des roches sdimentaires contenant du carbone en proportion varie.

Les grs

Ce sont des roches dtritiques (qui rsulte de la dsgrgation d'une roche prexistante), poreuses, constitues
de sable li par un ciment siliceux ou calcaire.

Varits : grs pur ciment siliceux, grs ferrugineux ciment siliceux, grs quartzeux, grs ciment calcaire
(ciment form de calcite).

Le gypse

Cest un sulfate de calcium hydrat (CaSO4), minral des roches sdimentaires, structure cristalline
monoclinique.

Varits: gypse "fer de lance" ou "pied d'alouette", gypse saccharode ( grains fins), gypse fibreux (fines
aiguilles accoles), gypse "rose des sables", albtre (gypse blanc pur) donnent du pltre (sulfate de chaux) par
cuisson.
Le pltre, additionn de glatine et de colorants donne le stuc (marbre artificiel).
L'anhydrite est du gypse ne contenant pas d'eau.

Kaolin

Cest une roche argileuse, constitue de kaolinite, silicate d'aluminium hydrat (2SiO2, Al2O3, 2H2O). Il rsulte
de l'altration de roches feldspathiques potassiques (granites) de couleur blanche, friable, impermable,
rfractaire.

La marne

Cest une roche la fois argileuse et calcaire. On distingue les marnes argileuses (de 5% 35% de carbonate de
calcium), les marnes (35% 65%), les calcaires marneux (65% 95%). Couleur variable, aspect terreux, avide
d'eau. Chauffes, elles donnent respectivement la chaux (marne argileuse), la chaux hydraulique (marne), le
ciment (marne calcaire).

Le sable

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Cest une roche meuble, constitue de grains de quartz, d'une dimension de 0,1 2 mm. Au-dessus de 2 mm,
gravier et galets. D'autant plus pur en silice qu'il est clair. Provient de la destruction de roches riches en quartz
(granites, gneiss).

Varits : sables micacs, feldspathiques, glauconieux (de couleur verte), ferrugineux (de couleur jaune brun).
Fondu et mlang des carbonates de sodium et de calcium, donne du verre, qui peut tre color par des oxydes
mtalliques (l'ajout de plomb conduit au cristal).

Le marbre

Cest des roches mtamorphiques drivant, par crasement et lvation de temprature de roches calcaires. Ils
sont composs de calcite et sont de couleur blanche l'tat pur, mais ils renferment souvent diverses impurets
qui forment des veines. Varits : marbre blanc, marbre rouge, marbre noir, marbre vert.

Les argiles et leurs domaines d'utilisations

Largile est une matire premire abondante qui possde une large gamme de proprits et dapplications. La
valeur commerciale dune argile dpend en premier lieu de ces proprits physiques et physico-chimiques, mais
aussi de la proximit des marchs o les produits dargile sont utiliss.

Les proprits des argiles ont t reconnues et utilises depuis la plus haute antiquit par nos anctres. Largile
rentre dans plusieurs domaines dapplications industriels, artisanaux, pharmaceutiques et autres :

a- Matriaux de construction

L'argile calcine est la matire premire principale avec quelques additions de sable, de chamotte comme
fondant dans la fabrication des briques, tuiles et cramiques, Les argiles peu fusibles sont rfractaires entre
1350 1580 C et servent pour la fabrication des briques, des carreaux de sol et muraux.

b- Ciment compos

Largile peut tre utilise comme ajout pouzzolanique dans la fabrication des ciments avec additions minrales
un taux de substitution de 30% environ.

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Les pouzzolanes naturelles

Le terme pouzzolane vient du latin pulvis puteolana, dsignant les sables de Pozzuoli, port italien situ au
pied du Vsuve Naples. Ce sable volcanique tait dj remarqu par Vitruve au 1er sicle avant J.-C. pour
la fabrication de bton romain rsistant leau.

Historique

Les Romains utilisaient le tuf rouge trouv prs de Naples (Pouzzoles) aprs avoir t finement broy et
mlang avec la chaux ou la chaux hydraulique et le sable. La coupole de 42 m de porte au Panthon,
Rome, est un des nombreux exemples des constructions romaines, utilisant un grand nombre de
pouzzolanes, qui a survcu prs de 2000 ans et est fabrique partir de bton de chaux-pouzzolane.

Au cours de l'volution technologique en Grce et Rome, les mortiers et enduits d'un grand nombre de
btiments anciens de l'Inde ont t fabriqus partir de la chaux-surkhi (un mlange de chaux et des briques
d'argile concasses). Du 19me sicle nos jours le mlange chaux-surkhi est encore utilis pour les barrages
parce il est moins susceptible de se rtrcir, il produit une structure plus impermable, le matriel peut
mieux tenir compte des contraintes internes.

En Europe du Nord, le trass (pierre volcanique utilise pour des enduits-ciments) de Rhin a t connu
depuis 2000 ans, les mortiers contenant du trass ont t trouvs dans les btiments romains le long du Rhin.

La prsence de la bauxite a galement t rapporte dans certains mortiers anciens - par exemple, la ruines
des Baux dans la valle du Rhne, quelques mortiers franais ont t fabriqus partir de la bauxite
pulvrise et de la chaux.

Aprs l'poque romaine il ne semble pas y avoir beaucoup de dveloppements dans les pratiques de
construction jusqu' la rvolution industrielle lorsque les ciments ont t ncessaires pour assurer le progrs.

Dfinition

Par pouzzolane naturelle on dsigne au sens strict les pyroclastites ou pyroclastiques veut dire "bris par le
feu", qui sont des projections des ruptions volcaniques.

Les pouzzolanes sont composes essentiellement de la silice (SiO2) et dalumine (Al2O2). La partie restante
contient de loxyde de fer et dautres oxydes ainsi quun pourcentage de chaux (CaO). Elles sont
gnralement rouge ou noire, avec toutes les teinte intermdiaires, exceptionnellement grise.

Les pouzzolanes sont dfinis comme des matriaux nayant pas de proprits liantes entre eux-mmes,
mais qui en se combinant avec de la chaux temprature ordinaire et en prsence deau, forment des
composs insolubles stables possdant des proprits liantes.

Selon la norme ASTM (American Society for the Testing of Materials) sur les ciments (dsignation C 340-
58 T), la dfinition est pratiquement similaire :

La pouzzolane se dfinit comme tant un matriau siliceux (SiO2) ou silico-alumineux (SiO2 + Al2O3), qui
ne possde pas de proprits liantes, mais qui sous forme de poudre trs fine et en prsence dhumidit,
ragit chimiquement avec lhydroxyde de calcium (Ca(OH)2) temprature ordinaire pour former des
composs possdant des proprits liantes.

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Types de pouzzolanes

Les matriaux pouzzolaniques sont diviss en deux grandes catgories: les matriaux pouzzolaniques
naturels et les matriaux pouzzolaniques artificiels.

Pouzzolanes naturelles

a. Verre volcanique

Il y a lieu de citer les pouzzolanes des roches pyroclastiques

meubles ou faible cohsion provenant des ruptions volcaniques.
Ce type de roche se trouve dans un tat vitreux (amorphe) ou du
moins sous une forme dinstabilit ou de ractivit qui les rend
sensibles lattaque par lhydroxyde de calcium (Ca(OH)2. On
mentionne titre dexemples :
pouzzolane de SANTORIN, de BALCOL en Italie et de SHIRASHU
au japon.

b. Tufs volcaniques compacts

Elles sont diffrentes des pouzzolanes de type verre volcanique. Ce sont les mmes roches, mais ayant subit
des transformations chimiques. Laltration du verre volcanique dans des conditions hydrothermiques se
traduit par la formation des minraux zolithiques de composition chimique variable. Ce genre de
pouzzolanes se distingue par une texture dure et compacte.

Produits pyroclastiques

La roche pyroclastique est une dsignation purement gntique, son origine est volcanique et elles sont
sdimentaires de par leur mode de dpt. Le terme pyroclaste, est employ pour dfinir de manire gnrale
tout matriau fragment produit par les ruptions dun volcan.
Selon ltat sous lequel la lave est mise, les produits pyroclastiques peuvent se diviser en plusieurs
catgories :

Les cendres, qui ont moins de 2 mm de diamtre, matriau rsultant de la pulvrisation de roches
prexistantes ou de ljection de magma finement fragment ou pulvris

Le lapilli, est un gravier dont la dimension maximale est comprise entre (2-64 mm), en gnral, il arrive la
surface dj consolids (consolidation des laves de la chemine djection), et il est le rsultat de la
fragmentation des vieilles roches.

Pierre ponce, Elle se forme gnralement partir des fragments de magmas solidifis qui ont emprisonns
une trs grande quantit de bulles, et se caractrise par une forme alvole. Elle est trs poreuse d'o sa faible
densit.

Les bombes ou blocs (plus de 64 mm de dimension). Elles ont des formes particulires selon leur
projection, leur atterrissage et leur mode de refroidissement. On peut trouver des bombes en chou-fleur, en
fuseau, en bouse de vache ou en boule (en basalte). Et des bombes en crote de pain (en trachyte). Pour
former ce type de bombe volcanique, le magma doit tre peu visqueux et donc dans la plupart des cas
basaltiques.
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Les scories, sont des morceaux de lave dchiquetes, sombres, et bulleux. Elles peuvent avoir une taille
variant de 1 10 cm de diamtre.

Matriaux artificiels.

Matriaux activs

(Argiles calcines (Metakaolin)

La disponibilit et le cot du bton en fait le matriau de prdilection pour rpondre la forte croissance des
pays en dveloppement. Mais comment viter que cette dernire alourdisse son bilan cologique? Une
recherche mene par des chercheurs ouvre des pistes intressantes par lutilisation de ressources locales, les
argiles, comme substituant au ciment. Contrairement ce quon croit, le bton dispose de nombreux atouts
pour rpondre intelligemment la forte demande de logements dans les pays en voie de dveloppement.
Dabord en raison de la large disponibilit de la roche calcaire qui sert de matire premire la fabrication
du ciment. Ensuite en raison de son cot de fabrication qui reste bas compar celui dautres matriaux
comme le bois ou la brique. Limpact environnemental du bton en terme de CO2 peut en outre tre rduit
par lutilisation de substituant. Cependant, le potentiel de substitution du ciment reste limit de par la faible
disponibilit des pouzzolanes) par rapport au volume de ciment lchelle mondiale. Dans les pays en voie
de dveloppement, cette carence en substituants est encore accentue par le manque dadditifs minraux
artificiels issus des processus industriels.

Argiles calcines

Les argiles sont de fines particules (< 2 microns) qui rsultent de lrosion des roches. Elles sont constitues
de plusieurs centaines de feuilles empiles les unes sur les autres. Chaque feuille est son tour compose de
diffrentes couches, qui varient dun type dargile lautre mais qui sont souvent une combinaison de
couches de silicate et daluminates.

Leur composition chimique et leur taille leur confrent un rel potentiel pour une utilisation en tant que
pouzzolane dans le ciment.

La calcination est une tape essentielle dans le dveloppement dune pouzzolane artificielle partir dune
argile, car elle permet le passage dune structure cristalline (un arrangement ordonn des atomes) une
structure amorphe (une structure dsordonne des atomes). Sans cette calcination ou activation thermique,
les cristaux dargiles seraient dans un tat trop stable qui empcherait toute raction avec lhydroxyde de
calcium Ca(OH)2 provenant du ciment.

Le mtakaolin

Le mtakaolin est un exemple dargile calcine dj utilise par les cimentiers. Il est produit par calcination
du kaolin, une argile quon trouve partout dans la crote terrestre. Cette pouzzolane est trs ractive; la
substitution de 5 % 10% de ciment par du mtakaolin peut augmenter sensiblement les proprits
mcaniques du bton.

Le problme: C'est que le kaolin dispose de proprits recherches pour dautre types dapplications,
comme les cosmtiques, lalimentaire ou encore la porcelaine, ce qui renchrit sensiblement son prix et
diminue fortement sa disponibilit pour lindustrie de la construction.

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Par consquent, le mtakaolin nest aujourdhui employ dans le bton qu de trs faibles taux de
substitution de ciment et pour des applications trs spcifiques.

Solution: Des recherches ont t faites pour voir sil serait possible de produire des pouzzolanes en
calcinant des mlanges dargiles largement disponibles contenant de la kaolinite. Ceci a permis de
comprendre le mcanisme de dcomposition thermique de diverses structures argileuses et linfluence de
cette dcomposition sur la ractivit pouzzolanique du matriau calcin une fois mlang au ciment et
leau.

Une pouzzolane est donc un matriau riche en silice SiO2) ou alumine Al2O3), qui seul ne prsente pas de
proprits cimentaires mais peut, en prsence deau, ragir avec lhydroxyde de calcium et former des
composs aux proprits cimentaires contribuant au durcissement du mlange.

Les ractions ci-dessous permet dillustrer linteraction chimique que peuvent avoir le ciment et la
pouzzolane une attention particulire doit tre porte la nomenclature utilise en chimie des ciments
dtaille dans la lgende). Un grain de ciment, principalement form de silicate tricalcique Ca3SiO5 ou C3S
dans la nomenclature des cimentiers) ragit avec leau pour former des hydrates de type hydrosilicate de
calcium C-S-H) et hydroxyde de calcium Ca(OH)2 ou CH). La pouzzolane ragit avec lhydroxyde de
calcium produit par la raction dhydratation du ciment pour former davantage dhydrosilicate de calcium ou
hydro-aluminate de calcium C-S-H ou C-A-H), ou mme un mlange des deux composs C-A-S-H).

La prsence de pouzzolane induit donc une consommation de lhydroxyde de calcium au bnfice de la

formation de produits de Type C-S-H. Ce phnomne est bnfique pour la matrice cimentaire car elle
permet une meilleure rpartition des hydrates de type C-S- H et une modification des pores vers des tailles
plus petites, ce qui contribue laugmentation des proprits mcaniques de lensemble.

(1) C3S + 5,3 H C1,7-S-H4 + 1,3 CH Interactions chimiques entre ciment et pouzzolanes:
(2) S + x CH + H Cx-S-H(1+x) (1) raction principale dhydratation du ciment,
(3) A + x CH + H Cx-A-H(1+x) (2) et (3) exemples de raction pouzzolanique
Nomenclature : S = SiO2, C = CaO, H = H2O A= Al2O3)

Les cendres de balle de riz (les cendres d'corces de riz) en anglais Rice Husk ash (RHA)

Sur plus de 650 millions de tonnes de riz brut produites chaque

anne [FAO Statistics Division, 2009], les balles de riz
(Enveloppe protectrice du riz) (voir figure cot) constituent
environ le quart et sont considres comme un rsidu parfois
valoris nergtiquement.
Toutefois, une combustion optimise de ces balles de riz peut
produire entre 14 et 20 % de cendres avec des concentrations de
silice de l'ordre de 90 %:
Les cendres de balle de riz peuvent alors devenir un matriau
cimentaire pouzzolanique avec des proprits similaires la
fume de silice (FS) dont le taux de silice amorphe est de l'ordre
de 97 %.

L'intrt moderne pour l'utilisation des RHA dans les btons provient principalement de Metha en 1978 qui
a obtenu un brevet sur le sujet. Une multitude d'articles scientifiques ont par la suite t publis et ils
abordent la question sous diffrents angles:

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de la combustion des balles de riz la durabilit des btons avec cendre de balle deriz, en passant par
l'optimisation de la ractivit des cendres de balle de riz et des proportions de cendre de balle de riz dans les
mlanges.

Production des cendres de balles de riz

L'tape de production des cendres d'corces de riz est trs importante, car c'est ce moment que sont
dtermines la qualit et la ractivit de la silice des cendres de balles de riz. Si les caractristiques vises
et les contraintes de combustion optimales sont plutt bien dfinies, diffrentes mthodes de combustion et
de broyage peuvent toutefois tre utilises pour y arriver.

Caractristiques vises et contraintes de combustion

Avec les annes, plusieurs travaux ont t raliss afin de dterminer le mode de production optimal des
cendres de balles de riz. Quoique les auteurs sentendent sur les caractristiques optimales des RHA,
diffrentes conditions de combustion peuvent permettre d'y arriver.

Les cendres de balles de riz sont constitues d'un squelette de silice amorphe rempli de matire organique.
Afin de produire des cendres de balles de riz trs ractives, il est ncessaire:
De minimiser le contenu en carbone par combustion,
Maximiser le contenu en silice amorphe facilement soluble et possdant une grande surface
spcifique.

Les laitiers

Origine des laitiers

Lors de la fabrication dacier ou dalliage silicium-manganse, il se forme des coproduits tels que les laitiers.
Chaque laitier peut tre considr comme un produit unique car il rsulte du type dacier ou de lalliage que
lon a voulu fabriquer. Pendant la fabrication de lacier par haut fourneau et convertisseur, on obtient deux
types de laitiers: les laitiers de haut fourneau et les laitiers dacirie de conversion (LD).

Le laitier de haut fourneau

Pour fabriquer de lacier industriel, le minerai de fer agglomr est charg dans la partie suprieure du haut
fourneau en couches alternes avec du coke, un combustible puissant proche du carbone pur fabriqu partir
de charbon. On insuffle de lair chaud et du charbon pulvris dans le bas du haut fourneau une
temprature proche de 1200C. Ceci provoque la combustion du coke qui entraine la fusion du minerai, ainsi
que la formation dun gaz rducteur qui transforme les oxydes de fer du minerai en mtal, formant ainsi du
CO et du CO2. On recueille alors la fonte liquide 1500C (environ 96% Fe et 4% C) et le laitier dans le bas
du haut fourneau (Voir Figure ci-dessous).

Les constituants non-mtalliques et/ou non absorbs par la fonte et non gazeux constituent le laitier de haut
fourneau, qui est ltat liquide. Il surnage car sa densit denviron 3, est infrieure celle de la fonte qui
est de 7. La sparation de la fonte et du laitier se fait par un dispositif de siphonage. On parle de laitiers de
fraiche production lorsquils entrent, ds leur laboration, dans la filire de valorisation par opposition aux
laitiers de stock ou de crassiers, qui sont issus de productions non valorises constitues au fil des dcennies.

On peut obtenir deux types de laitiers de haut fourneau suivant le processus de refroidissement :

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- Le laitier de haut fourneau est cristallis lorsquil est dirig par une rigole vers des fosses o il refroidit et se cristallise
lentement lair sous forme de roche dure. Aprs le dbut de la solidification, ce laitier est arros afin den abaisser la temprature
puis fragment, concass et cribl.

- Le laitier de haut fourneau est dit vitrifi, ou granul, sil est dirig vers un dispositif dans lequel il subit une trempe
(arrosage violent et abondant deau sous haute pression). Lnergie calorifique contenue dans le laitier en fusion provoque son
explosion et forme instantanment de fines particules dun produit vitreux dsordonn. Il possde ainsi une nergie interne plus
leve qu ltat cristallin, ce qui le rend plus ractif chimiquement. Lors de son hydratation, le laitier voluera sous une forme
cristalline stable pouvant tre mise profit pour les formulations de ciments ou de btons.

Schma de principe d'un haut fourneau

Laitier granul de haut fourneau (LGHF)

Dfinition

Le laitier granul de haut fourneau (LGHF) est un produit non mtallique compos essentiellement de silicates, daluminosilicates
de calcium et dautres bases, qui provient de fusion du minerai de fer dans un haut fourneau, et qui est ensuite refroidi rapidement
leau pour former des particules vitreuses granules, puis broy une finesse gale ou infrieure celle du ciment. Dans le
bton, le LGHF ragit avec le ciment Portland pour former des produits cimentaires. Le laitier prsente des proprits
pouzzolaniques et de cimentation.

Proprits physiques et exigences

Le LGHF est broy jusqu un diamtre ou une surface spcifique donn, selon le degr dactivation ncessaire et des
considrations conomiques. Des donnes indiquent que les particules de laitier de diamtre infrieur 10 m contribuent au
dveloppement de la rsistance initiale (jusqu 28 jours); les particules de 10 m 45 m continuent de shydrater au-del de 28
jours et contribuent au dveloppement de la rsistance long terme; les particules de plus de 45 m ne prsentent aucune activit,
ou trs peu. La norme CSA limite la proportion de particules de plus de 45 m 20 %.
En gnral, pour un dveloppement de rsistance satisfaisant du bton, la surface spcifique Blaine du LGHF doit se situer entre
4000 cm2/g et 6000 cm2/g.

Composition minralogique

Les analyses minralogiques dchantillons de LGHF indiquent que la teneur en verre varie de 80 % 100 %. La ractivit du
LGHF dpend fortement de sa teneur en verre.

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Caractristiques physico-chimiques

Les principaux composants chimiques de ce type de laitier sont la chaux, la silice, lalumine et la magnsie qui reprsentent 95
97% de la composition totale du laitier.

Constituant Teneur en %
CaO 35-48
SiO2 32-41
Al2O3 9-18
MgO 1-9
MnO 0,4-0,7
Fe 0,2-3
S 0,4-1,5

Domaines d'applications, valorisation

Le laitier de haut fourneau cristallis peut tre valoris en tant que granulats pour btons ou enrobs bitumineux. Il peut
galement tre employ comme matire premire pour la laine de roche.

Le laitier de haut fourneau vitrifi moulu, est principalement valoris comme addition pour liants hydrauliques dans la
fabrication de btons, mortiers ou coulis. Il peut tre aussi valoris comme addition minrale pour une application dassise de
chausses. Il est utilis aussi comme sable ou encore dans lindustrie du verre comme source dalumine et de silice.

Le laitier de convertisseur LD ( oxygne suivant la mthode (Linz-Donavitz)

La fonte liquide obtenue dans le haut fourneau est verse sur un lit de ferrailles dans un convertisseur LD (voir figure ci-
dessous). On y insuffle de loxygne pour brler la plus grande partie du carbone et oxyder les impurets contenues dans la fonte.
Ces ractions sont favorises par laction combine du brassage du bain par le jet doxygne et de la temprature (temprature du
bain suprieure 1650C en fin dlaboration).

Laffinage par loxygne transforme la fonte liquide en acier liquide en assurant simultanment llimination du carbone, et le
transfert du silicium, du manganse et du phosphore vers le laitier.

Lors de cette opration, de la chaux libre (CaO) est introduite dans le convertisseur LD, elle y joue un rle trs important dans la
rtention des composs issus de loxydation. En effet, les poisons (C, Si, Mn, P, S) ont une affinit plus ou moins marque
pour loxygne. La chaux fixe dans le laitier les lments poisons pour lacier, pour obtenir un acier plus pur.

Elle permet galement de protger les briques rfractaires constitues de magnsie prsentes dans le convertisseur car cause de
lacidit du laitier venant de la silice, ces briques srodent : la magnsie est consomme et se retrouve dans le laitier.
Caractristiques physico-chimiques et minralogiques

Les principaux composants chimiques des laitiers dacirie de convertisseur de type LD sont des oxydes de fer, de calcium, de
silicium, de magnsium et dans une moindre mesure daluminium et de manganse. Le Tableau ci-dessous prsente les valeurs
caractristiques et les teneurs des constituants majeurs sous forme doxydes du laitier de convertisseur de type LD.

Cours de matriaux innovants

Master 1; 2016/2017
Responsable du cours: Mr Chelouah
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 Constituant Teneur en %
CaO 40-55
SiO2 10-15
Fe tot (Fe2O3 + FeO + fer mtal) 15-30
MnO 3-7
MgO 2-8
P2O5 1-3
Al2O3 1-2

Domaine d'application, valorisation

Dans le secteur des travaux publics, ce type de laitier dacirie de convertisseur LD est surtout employ sous la forme de granulat
comme matriau de remblai, en couches de forme. Il sert galement de matriau de confortement douvrages hydrauliques mais
son utilisation est encore limite du fait des seuils rglementaires de gonflement.

Le laitier de convertisseur, de granulomtrie fine, peut tre utilis comme liant hydraulique routier. Il sagit dun mlange prt
lemploi de laitier granul de haut fourneau (505%) et de laitier dacirie de convertisseur (405%) moulus sparment, et dun
activant de prise, du sulfate de calcium (51%). Il est destin la fabrication des matriaux dassises traites, graves et sables de
toutes natures et au traitement des sols.

Un ciment au laitier dacirie de convertisseur a t dvelopp. Il sagit dun mlange de laitier de convertisseur (40%), de laitier
de haut fourneau (45%) et de ciment Portland (15%) qui a t test et qui a montr des valeurs de rsistance la compression de
45 MPa 28 jours contre 41 MPa pour le ciment seul. Ltude a port sur lconomie dnergie pouvant tre produite en
fabriquant ce type de ciment.

Deux approches pour limiter le gonflement

Les Laitiers de convertisseur LD prsentent dexcellentes proprits mcaniques ainsi quun bon coefficient de polissage.
Cependant, ces matriaux sont sujets des gonflements rsultant de lhydratation de la chaux libre et de la magnsie libres
prsentent en forte quantit dans la matrice du laitier. Ces risques de gonflements limitent en consquence lusage de ces
matriaux dans les structures routires.

Pour minimiser les effets expansifs (gonflement) dus l'hydratation de la chaux libre et de la magnsie libre, il est possible de
vieillir artificiellement le laitier LD par hydratation acclre (arrosage ou traitement la vapeur deau par exemple), ou de
neutraliser une partie de la chaux et de la magnsie la source (introduction du sable dans le laitier liquide lors de la fabrication).

La chaux et la magnsie sont plus ou moins bien encapsuls dans le laitier, ce qui nempche pas leur susceptibilit leau ou au
gaz carbonique de lair, entranant leur lente hydratation et leur carbonatation, et se traduisant par une expansion volumique du
minral et un dlitement du granulat de laitier. On estime que lhydratation de la chaux vive saccompagne dun doublement de
volume :

CaO (1 cm3) + H2O Ca(OH)2 (1,93 cm3)

CaO (1 cm3) + CO2 CaCO3 (2,14 cm3)
Verre de rcupration

Des millions de tonnes de verre sont rcupres chaque anne. En gnral, la rsistance du bton contenant du verre est infrieure
celle du bton contenant du gravier. La rsistance est particulirement faible lorsque du ciment teneur alcaline leve est
utilis. On remarque la mme tendance dans le cas de la rsistance la flexion.
Le verre de rcupration ragit en prsence de granules alcalins. On remarque une dilatation leve lorsqu'il est en contact avec du
ciment teneur alcaline leve, ce qui explique la faible rsistance des btons base de verre. Par exemple, pour une priode de
12 mois, la dilatation du bton contenant du gravier est de 0,018%, alors que celle du bton contenant du verre est d'environ 0,3%.

Le verre de rcupration peut aussi servir la fabrication de granulats lgers. On a produit des granules lgers expanss d'une
masse volumique de 528 kg/m par pelletisation (bouletage) d'un mlange de verre de rcupration broy, d'argile et de silicate de
sodium chauff une temprature de 850C. Le bton ainsi obtenu prsente une rsistance la compression d'environ 17 MPa
aprs une priode de cure la vapeur de 28 jours.
Plusieurs problmes relatifs l'utilisation du verre de rcupration doivent tre rsolus avant que le procd soit rentable. Le verre
rcupr est de composition varie et est souvent contamin par de la salet ou d'autres substances qui doivent tre limines. Une
fois broy, le verre se prsente sous forme de particules allonges et sa surface, tant des points de vue chimique que physique, le
rend impropre tre utilis comme granulat pour le bton. De plus, le verre doit tre bien nettoy pour le dbarrasser de toute
trace de sucre car ceci pourrait avoir une influence nfaste sur le temps de prise du bton.
Cours de matriaux innovants
Master 1; 2016/2017
Responsable du cours: Mr Chelouah
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