Soutenance mémoire
Caractéristiques des cendres volantes
Propriétés physiques [3]
1. Forme et état de surface des grains : Les cendres volantes sèches paraissent à une poudre de ciment. Ce sont des poudres fines, veloutées, douce au toucher. Par contre, les cendres volantes humides ont l’aspect d’un sable très fin.Les cendres volantes se présentent comme un ensemble de sphères de couleurs variées dont certaines à parois très minces sont transparentes, d’autres ont une apparence sombre. Elles sont constituées d’une forte proportion de particules sphériques pleines ou creuses. D’une façon générale, la surface des cendres volantes est lisse et brille.
2. Finesse : Les cendres volantes sont des matières très fines, elles ont une dimension comprise entre 0.5 et 200µm. Leur finesse varie en fonction de la nature du charbon (friabilité, teneur en matières volatiles), du type de chaudières et de l’état de broyeurs. La finesse est déterminée par la valeur de la surface spécifique Blaine qui est de l’ordre de 2200 à 4500 cm2/g, elle est comparable à celle d’un ciment. La surface spécifique est sensible à des différences dans la répartition granulométrique des particules les plus fines ainsi que dans leurs formes.
3. Densité : La masse volumique est aussi une caractéristique physique importante du matériau. Les cendres sèches ont une masse volumique apparente comprise entre 550 et 850 kg/m3 , et qui peut atteindre une tonne avec vibration et compactage. Les cendres volantes sont donc un matériau particulièrement léger en travaux publics. La masse volumique apparente moyenne des grains est de l’ordre de 1900 à 2400 kg/m3 ; et la masse volumique absolue ou la masse spécifique de la matière est comprise entre 2650 et 2800 kg/m3.
4. Granularité : Les cendres volantes sont des matériaux très fins, leur refus au tamis de 80µm est de l’ordre de 10 à 20 % en masse et le refus au tamis de 50µm varie de 15 à 40%. Leur courbe granulométrique est analogue à celle d’un limon. Pourtant, la granularité des cendres au sein d’une même production parait assez variable.
Caractéristiques chimiques [3] La composition élémentaire est une caractéristique de base des matériaux. Cependant, la composition chimique élémentaire constitue plutôt un outil qu’une caractéristique réellement utilisable.
1. Teneur en imbrûlés : Une combustion complète est un concept théorique car il existe toujours des particules de charbon combinées avec les cendres. Habituellement, la teneur en imbrûlés des cendres peut atteindre jusqu’ à 6% ; mais parfois, pour un charbon pauvre en matières volatiles, cette teneur peut s’élever à environ 10%.
2. Composition chimique élémentaire : Selon le type de charbon, les cendres provenant de la combustion de houille sont essentiellement silicoallumineuses, forte teneur en silice et en alumine et une faible teneur en chaux et sulfate. Tandis que les cendres qui viennent du lignite sont sulfocalciques, renfermant des teneurs faibles en silice et en alumine mais plus élevées en chaux et sulfate. En général, les cendres volantes à charbon pulvérisé sont principalement composées de deux éléments majeurs : la silice et l’alumine. Leur composition chimique varie dans la fourchette ci-dessous en fonction de la provenance du charbon.
3. Pouvoir pouzzolanique : Une propriété pouzzolanique est définie comme la capacité d‘un matériau à faire prise en présence de chaux et d’eau. A une température quelconque, les cendres volantes ont la capacité de fixer la chaux en donnant un liant hydraulique qui fait prise en présence d’eau. Ceci engendre deux phénomènes : combinaison avec la chaux pour donner des composés insolubles et un durcissement. Cette propriété est utilisée pour l’emploi des cendres volantes pour ajout dans le ciment et dans la confection du béton.
Normes d’utilisation des cendres volantes dans le béton
Les cendres volantes sont des résidus des centrales thermiques figurant dans la liste des déchets de l’Union Européenne. Dans la règlementation française et européenne, on les considère comme des produits non dangereux. Pourtant, elles peuvent contenir des teneurs considérables de métaux lourds, des composés organiques (les dioxines),… Dans le domaine d’application et règlements, les cendres volantes sont régies par les normes EN 197-1, EN 450-1, EN 450-2 et la norme NF P 98-111. D’après la norme EN 197-1, seules les cendres de chaudière à charbon pulvérisé sont utilisables dans la fabrication de ciment ; il en est de même pour les autres utilisations. Pour la norme EN 450-1, elle règlemente l’addition des cendres volantes dans le béton. Enfin, la norme NF P 98-111 concerne la règlementation des travaux routiers. Cependant, l’usage des cendres entant que comblements de cavité n’est pas mentionné dans les normes.
Les ciments de la norme NF EN 197-1 (ciments courants)
Les ciments de la norme NF EN 197-1 sont définies comme ciments courants à l’instar des autres ciments plus spécifiques aussi bien dans la composition que dans leur utilisation.
-(1) : les valeurs indiquées se référent à la somme des constituants principaux et secondaires ;
-(2) : Signification des lettres :
• Les lettres A, B et C indiquent la quantité de constituants principaux autres que le clinker :
-A indique que cette quantité est faible ;
-B lorsque cette quantité est beaucoup plus grande ;
-C lorsque cette quantité est importante.
• La lettre M sert à signaler qu’on a au moins deux constituants principaux dans la composition du ciment.
• Les caractères S (laitier de haut fourneau), D (fumée de silice), P (pouzzolane naturelle), Q (pouzzolane naturel calciné), V (cendre volante siliceuse), W (cendre volante calcique), T (schiste calciné), L et LL (calcaire).
-(3) : la proportion de fumée de silice est limitée à 10 % ;
-(4) : présence de plusieurs constituants principaux de différentes proportions ;
-(5) : les constituants principaux utilisés doivent figurer dans la désignation du ciment, symbole entre parenthèse ( ) ;
-(6) : le laitier de haut fourneau est le seule principal ajout pour ce type de ciment ;
-(7) : les principaux ajouts sont de la fumée de silice, la pouzzolane naturelle et des cendres volantes.
L’EAU
C’est l’un des constituants du béton. Elle intervient, par ces propriétés mécaniques et physico-chimiques, à toutes les étapes de la vie du béton ; elle lui confère une plasticité pour son moulage. Elle doit être propre, exempte d’éléments nocifs qui influenceraient défavorablement le durcissement ou la corrosion des armatures, et potable si possible. Il ne faut pas aussi utiliser des eaux stagnantes. La quantité d’eau de gâchage varie avec un grand nombre de paramètre : le dosage en ciment, la granulométrie des granulats, la consistance désirée et le moyen de scellage du béton. Le dosage en eau est un facteur très important de la composition du béton, trop d’eau dans le béton entraîne la naissance de fissures et une perte de résistance lors du séchage, d’habitude il est compris entre 140 et 240 L/m3 de béton. Il faut bien voir l’influence qu’il a sur la porosité du béton par les vides crées lorsque l’eau s’élimine pour différentes raisons (évaporation, combinaison chimique, absorption par les granulats).Lors de la fabrication du béton, il faut tenir compte de l’eau apportée par les granulats (surtout par les sables). La quantité d’eau de gâchage E doit être toujours associée au dosage en ciment C ; et pour une composition de ciment bien déterminée, ces deux grandeurs sont caractérisés par le rapport C/E (ou E/C). La résistance finale d’un béton dépend de ce rapport C/E du mélange.
Impacts environnementaux
Emission de CO2 Le liant utilisé dans notre essai est le ciment qui est l’élément qui engendre une émission de CO2 considérable dans sa fabrication (la production d’une tonne de ciment engendre une tonne de CO2). Donc la substitution des ciments par des cendres dans le béton permet de réduire la quantité de ciment nécessaire et de diminuer l’émission de CO2 qui est un gaz à effet de serre.
Ressources naturelles Comme on a gain de ciment, donc on a aussi gain de ressource naturelle. Le remplacement d’une partie de ciment permet de diminuer la quantité des matières premières nécessaire dans sa production qui sont les argiles, les roches calcaires, les combustibles… De plus il permet de diminuer l’eau de gâchage pour les bétons ordinaires.
Emission dans l’air et dans l’eau Le stockage des cendres dans des milieux non recouvert entraîne des envols de poussières qui peuvent entrainer des maladies. Son utilisation dans le béton permet de réduire la quantité de déchets mis en dépôt de la centrale thermique de la société et les nuisances qui en résultent.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
PREMIERE PARTIE : ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES
INTRODUCTION
CHAPITRE I : NOTIONS SUR LES CENDRES VOLANTES
1 .Généralité
2 .Genèse du charbon
3 Composition des charbons
4 Formation des cendres volantes
5 Caractéristiques des cendres volantes
5.1. Propriétés physiques
5.1.1. Forme et état de surface des grains
5.1.2. Finesse
5.1.3. Densité
5.1.4. Granularité
5.2. Caractéristiques chimiques
5.2.1. Teneur en imbrûlés
5.2.2. Composition chimique élémentaire
5.2.3. Pouvoir pouzzolanique
6 Normes d’utilisation des cendres volantes dans le béton
7 Utilisation des cendres volantes
7.1. Utilisation en agriculture
7.2. Utilisation dans le traitement des sols
7.3. Utilisation en construction routière
7.4. Utilisation en cimenterie
7.5. Utilisation dans la confection du béton
8 Avantage des cendres volantes dans le béton
Conclusion
CHAPITRE II : LES PRINCIPAUX COMPOSANTS DU BETON E. LES CIMENTS
1. Définition
2. Les constituants du ciment
2.1. Le clinker
2.2. Les autres constituants principaux
2.2.1. Le laitier granulé de haut fourneau (S)
2.2.2. Les pouzzolanes naturelles (P ou Q)
2.2.3. Les cendres volantes (V ou W)
2.2.4. Les schistes calcinés (T)
2.2.5. Les calcaires (L)
2.2.6. Les fumées de silice (D)
2.3. Les constituants secondaires
2.4. Les sulfates de calcium
2.5. Les additifs
3. Normalisation et classification
3.1. Les normes Européenne
3.1.1. Désignation et marquage
3.1.2. Classes de résistance
3.1.3. Les ciments de la norme NF EN 197-1 (ciments courants)
4. Caractéristiques des ciments
4.1. Caractéristiques chimiques et minéralogiques
4.1.1. Composition chimique élémentaire
4.1.2. Hydraulicité
4.1.3. Chaux de saturation
4.1.4. Chaux libre
4.1.5. Module et valeurs requises
4.2. Caractéristiques physiques
4.2.1. Masses volumiques et densités
4.2.2. Début de prise (NF EN 197-3)
4.2.3. Expansion (NF EN 196-3)
4.2.4. Retrait (NF P 15 433)
4.2.5. Eau de consistance normale (NF EN 196-1)
4.2.6. Finesse de mouture (NF EN 196-6)
4.2.7. Couleur
5. Utilisation
F. LES GRANULATS
1. Définition
2. Les caractéristiques géométriques
2.1. Granulométrie
2.2. Classes granulaires
2.3. Module de finesse d’un granulat Mf
2.3.1. Module AFNOR d’un tamis
a) Pour analyse granulométrique par tamisage
b) Pour analyse granulométrique par sédimentométrie
2.3.2. Module de finesse
2.3.3 Coefficient d’aplatissement
3. Les caractéristiques physiques
3.1. Masses volumiques
3.1.1. Masse volumique apparente ρ
3.1.2. Masse spécifique γ
3.2. Porosité et compacité
3.3. Propreté
4. Les caractéristiques mécaniques
4.1. Essai Los-Angeles
4.2. Essai Micro-Deval
5. Les différents types de granulats
5.1. Les granulats naturels
5.1.1. Les granulats alluvionnaires
5.1.2. Les granulats de carrières
5.2. Les granulats artificiels
5.2.1. Le laitier
5.2.2. Les granulats à hautes caractéristiques élaborés industriellement
5.2.3. Les granulats légers
G. L’EAU
H. LES ADJUVANTS ET ADDITIFS
1. Les adjuvants
1.1. Définition
1.2. Classification et utilisation
2. Les additifs
2.1. Définition
2.2. Classification
CHAPITRE III : NOTIONS SUR LE BETON
1. Définition
2. Classification des bétons
2.1. Suivant la masse volumique
2.2. Suivant la nature du liant
2.3. Suivant la nature du plus gros granulat utilisé
2.4. Classe de résistance
2.5. Classe de consistance
3. Propriétés des bétons
3.1. Caractéristique principale du béton frais
3.1.1. L’ouvrabilité du béton frais
3.1.2. Résistance du béton frais
3.2. Caractéristiques principales du béton durci
3.2.1. Résistance à la compression
3.2.2. Résistance à la traction par flexion
CHAPITRE IV : NOTIONS SUR LES BHP
1. Définition
2. Historique
3. Les constituants du BHP
4. Formulation des BHP : Méthode BARON-OLIVIER avancée
4.1. Objectifs
4.2. Principe
4.2.1. Augmentation de la résistance
4.2.2. Volume absolu des fines
4.2.3. Mode opératoire
4.3. Propriétés du BHP
Conclusion
DEUXIEME PARTIE : ETUDES EXPERIMENTALES
CHAPITRE V : CARACTERISATION DES MATIERES PREMIERES
Introduction
1. Les cendres volantes
1.1. Caractéristiques physiques
1.1.1. Couleur
1.1.2. Teneur en eau
1.1.3. Masse volumique apparente ρ
1.1.4. Masse spécifique γ
1.1.5. Surface spécifique Blaine SSB
1.2. Caractéristiques géométriques
1.3. Caractéristiques chimiques
2. Le ciment
2.1. Caractéristiques physiques
2.1.1. Couleur
2.1.2. Masse volumique apparente
2.1.3. Masse spécifique
2.1.4. Surface spécifique Blaine
2.1.5. Classe vraie du ciment
2.2. Caractéristiques chimiques du CEM I 42.5 N
2.2.1. Composition chimique du CEM I 42.5 N
2.2.2. Indice d’hydraulicité
2.2.3. Modules et valeurs requises
2.2.4. Composition minéralogique potentielle
3. Les granulats
3.1. Caractéristiques physiques
3.1.1. Masse volumique apparente
3.1.2. Masse spécifique
3.1.3. Equivalent de sable ES
3.2. Caractéristiques géométriques
3.2.1. Granulométrie
3.2.2. Module de finesse des sables
3.2.3. Coefficient d’applatissement AP des graviers
3.2.4. Coefficient volumétrique CV des graviers
3.3. Caractéristiques mécaniques
3.3.1. Essai Los Angeles
3.3.2. Essai Micro-Deval
4. L’eau de gâchage
5. L’adjuvant
5.1. Spécification
5.2. Mode d’emploi
5.3. Domaines d’application
Conclusion
CHAPITRE VI : LES ESSAIS DE FABRICATION
1. Essai n°1 : Confection du béton témoin et des bétons à 5% et 10% de cendres volantes
1.1. Données de base
1.2. Données sur les granulats
1.3. Données sur les liants
1.4. Données sur l’adjuvant
1.5. Composition pour 1m3 de béton
1.6. Caractéristiques des bétons obtenus
1.6.1. A l’état frais
1.6.2. A l’état durci
1.7. Interprétation
2. Essai n°2 : Confection des bétons à 15%, 20% et 25% de cendres volantes
2.1. Données de base
2.2. Données sur les granulats
2.3. Données sur les liants
2.4. Données sur l’adjuvant
2.5. Composition pour 1m3 de béton
2.6. Caractéristiques des bétons obtenus
2.6.1. A l’état frais
2.6.2. A l’état durci
2.7. Interprétation
3. Essai n° 3 : Confection des bétons hautes performances (5%, 10%, 15%, 20% et 25% de cendres volantes)
3.1. Données de base
3.2. Données sur les granulats
3.3. Données sur les liants
3.4. Données sur l’adjuvant
3.5. Composition pour 1m3 de béton
3.6. Caractéristiques des bétons obtenus
3.6.1. A l’état frais
3.6.2. A l’état durci
3.7. Interprétation
4. Essai n° 4 : confection de béton ordinaire à 50% de cendres volantes
4.1. Données de base
4.2. Données sur les granulats
4.3. Données sur les liants
4.4. Données sur l’adjuvant
4.5. Composition pour 1m3 de béton
4.6. Caractéristiques du béton obtenu
4.6.1 A l’état frais
4.6.2. A l’état durci
4.7. Interprétation
Conclusion
CHAPITRE VII : ETUDES DES IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX ET ECONOMIQUES
Introduction
1. Impacts environnementaux
1.1. Emission de CO2
1.2. Ressources naturelles
1.3. Emission dans l’air et dans l’eau
2. Intérêts techniques
3. Intérêts économiques
Conclusion
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
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