valorisation des laitiers d’aciérie ld pour les...

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Valorisation des laitiers d Valorisation des laitiers d aci aci é é rie LD pour rie LD pour les infrastructures routi les infrastructures routi è è res res Convention LCPC/CTPL du 20/12/2002 Convention LCPC/CTPL du 20/12/2002 Séminaire de clôture opération LCPC "Recyclage et matériaux non conventionnels" Du 12 et 13 décembre 2006 JC Auriol, E.Rayssac, G. Platret, D.Deneele, F. de Larrard, V. Lédée Intervenant : E.RAYSSAC Intervenant : E.RAYSSAC 12 et 13 d 12 et 13 d é é cembre 2006 cembre 2006

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Valorisation des laitiers dValorisation des laitiers d’’aciaciéérie LD pour rie LD pour les infrastructures routiles infrastructures routièèresres

Convention LCPC/CTPL du 20/12/2002Convention LCPC/CTPL du 20/12/2002

Séminaire de clôture opération LCPC"Recyclage et matériaux non conventionnels"

Du 12 et 13 décembre 2006

JC Auriol, E.Rayssac, G. Platret, D.Deneele, F. de Larrard, V. Lédée

Intervenant : E.RAYSSACIntervenant : E.RAYSSAC 12 et 13 d12 et 13 déécembre 2006cembre 2006

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PlanPlan

1) La problématique2) Convention CTPL/LCPC3) Présentation des études4) Bilans

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Les laitiers LD: production Les laitiers LD: production

TP34%

Construction2%

Stock26%

Autres21%

TxHydrauliques

13%

Agriculture4%

Voies de valorisation en 2005

Co-produit issu de la conversion de la fonte en acier dans un convertisseur à oxygène de type Linz-Donavitz (LD),1,2 M t., 1/10e tonnes d’acier produit en France,2 sites de production: Dunkerque, Fos sur Mer.

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Les laitiers LD: caractLes laitiers LD: caractééristiquesristiques

LA 12-13 CPA/PSV 0,55-0,60MDE 8-10 Masse Volumique (abs) ≥ 3,2

Présence importante de grains de chaux et de magnésie libre dans la matière,

Stabilité dimensionnelle insuffisante avec gonflements,CaO (1 cm3) +H2O Ca(OH)2 (1,93 cm3)Réactions d’oxydation ou d’hydratation (FeO-MgO, C2S, C3S…)

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Utilisation actuelle du laitier LD et Utilisation actuelle du laitier LD et EnjeuxEnjeux

Recherches existent depuis les années 70, sans véritables avancées,Deux approches pour limiter les gonflements:1. Traitement par vieillissement en tas après fabrication

Brésil: couche de 30-40 cm arrosée et brasséeBelgique: couche de 1 à 2 m arrosée et brassée

2. Traitement à la fabricationAllemagne: procédé Thyssen (introduction de sable dans le laitier liquide G%<0.5%)

Enjeux à venir:Utilisation de stocks très importants,Valorisation des fractions fines notamment le 0/10 mm.

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Convention LCPC/CTPL (12/2002)Convention LCPC/CTPL (12/2002)

Deux problématiques traitées:1. Optimiser le vieillissement du laitier LD sur site

pour réduire les gonflements ultérieurs2. Mise au point d’une formulation de mélanges

Laitiers LD/granulats inertes à gonflement contrôlé

Organisation:Installation et suivi au LCPC Nantes Division TGCE (Granulats) et RMS (CDOT),Analyses physico chimiques au LCPC Paris Service PCM.

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11°° PARTIE: Vieillissement du laitier PARTIE: Vieillissement du laitier LDLD

2002 / 2005

La commande1.Connaître la cinétique d’hydratation

de la chaux et de la magnésie libre d’un laitier LD dans un tas, en fonction du temps,

2.Quelle géométrie de tas pour un vieillissement optimum ?

3.Quelles risques de pollution ?

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OrganisationOrganisation

Hydratation par arrosage de laitier LD dans une colonne simulant un tas,Hauteur simulée: 3 mètres, Ø 1m (environ 7 tonnes),Laitier LD représentatif d’une production actuelle teneur et répartition du CaO et MgO,Granulométrie 0/80 mm,Hydratation par eau naturelle et eau chargée en NaCl, avec ou sans recyclage,Durée maximum d’hydratation : 9 mois

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Montage et planning expMontage et planning expéérimentalrimental

8 colonnes avec arrosage par:eau douce flux direct (ED - 2)eau salée recyclée (ESr - 2)eau douce recyclée (EDr - 4)

Échafaudage

3

4

5 6 2

1

8

7

Treill isdeprot ectio n

NaCl

Douce

Douce

Tuyau d’évacuationBuse témoin avec800 kg de laitier brutAnalyse à 9 mois

Bac témoin avec 200kgde laitier immergédans de l’eau douceAnalyse à 9 mois

P

P

9

10

ArrosageÉvacuation/recyclage

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Les Analyses & essais rLes Analyses & essais rééalisalisééss

3 prélèvements de matériaux d’environ 600 kg chacun (Ep.40cm) Surface, Milieu, Base (au dessus de l’évacuation)

Tout venant 0/80 mm, fractions 0/8 – 8/20 – 20/40 – 40/70 mm,Analyses et mesures:

Suivie de l’évolution granulométrique,Propriétés physico-chimiques: Analyses thermiques, ATD/ATG, analyses chimiques, RX CaO total, CaO libre, CaOhydratée, CaCO3Test d’expansion à la vapeur (NF EN 1744-1 &19.3) évolution du potentiel de gonflement,

0 3 mois 5 mois 9 mois

E.Doucerecyclée

1.E.Douce NR2.E.Douce R3.E. Salée R

1.5 mois

1.E.Douce NR & R2.E. Salée R3.Air libre4.Immergé

Laitier brut

E.Douce R

• 0/80mm• Fractions

• 0/80mm• Fractions

• 0/80mm • 0/80mm • 0/80mm

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Mesure de lMesure de l’’expansionexpansion

Norme EN 1744-1 sur laitier 0/22 mm fullerCompactage avec une table vibrante porosité,Mesure de l’augmentation de volume de l ’éprouvette soumis à un courant de vapeur à 100°C (168 heures).

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Observations dans les colonnesObservations dans les colonnes

Variation de la cimentation suivant le procédé d’arrosage:

Eau recycléeDouce ou Salée

Fort encroûtement de surface (CaCO3) puis matériau toujours meuble sous cette surface,

Eau flux direct

Absence d’encroûtement de surface, mais forte prise en masse de l’ensemble du matériau dans la colonne, augmentant avec le temps.

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Quelques rQuelques réésultatssultats

Evolution granulométrique difficile à interpréter,Au cours du temps, légère évolution du gonflement

éclatements des grains (nodules de chaux).Augmentation des carbonates et de la portlandite,CaO libre évolue peuÉvolution plus marquée avec l’eau douce non recyclée.

0

2

4

6

8

10

12

Initia l E.Do uce no nrecyc lée

Initia l E.Do uce no nrecyc lée

Initia l E.Do uce no nrecyc lée

%Go nflement (168h) Ca(OH)2+CaCO3 CaO libre

3 mois 9 mois Initial

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PhPhéénomnoméénologienologie

La dissolution des laitiers au contact de l’eau libère du Ca++ + CO2 atmosphérique précipitation de CaCO3

formation d’une couche protectrice en surface des grainsLimite l’accès de l’eau à l’intérieur des grains, retarde l’hydratation et donc le vieillissement,Provoque un phénomène de cimentation non souhaité pour la manutention ultérieure des laitiers

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CONCLUSIONS: RCONCLUSIONS: Rééponse ponse àà la la commandecommande

Expérimentation avec du laitier LD classique, riche en chaux : 10 % de CaO libre,

1. Connaître la cinétique d’hydratation de la CaO et de la MgO libre d’un LD dans un tas, en fonction du temps,

Hydratation assez lente,Limitée en dessous de la couche de surface,Non complète au bout de 9 mois,Plus efficace avec de l’eau non saturée (non recyclée).

(diminution des taux de gonflement,.des teneurs en chaux libre non hydratée..)

2. Quelle géométrie de tas pour un vieillissement optimum ?

Épaisseur maximale : 1 mètres,Tas plutôt aplatis, à brasser régulièrement (pb de prises).

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CONCLUSIONS: RCONCLUSIONS: Rééponse ponse àà la la commandecommande

3. Quelles risques de pollution ?Peu ou pas de relargage hors normes constatés.

4. Éditer un guide méthodologique ?Gonflements résiduels à 9 mois encore peu compatibles (6.3 %) avec les recommandations d’utilisation (< 5% en couche de forme),Limite du vieillissement par arrosage en tas : contraintes industrielles, efficacité réduite (développement d’un ciment carbonaté réduisant l’hydratation de la chaux),

Guide méthodologique: trop d’inconnues, notamment l’aspect physico-chimique et la réactivité des laitiers.

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22°° PARTIE: Optimisation dPARTIE: Optimisation d’’un un mméélange lange

Avril 2004 / septembre 2005Avril 2004 / septembre 2005

Objectif:Formulation de mélanges Laitiers LD/Granulats inertes à gonflement contrôlé

La commande1. Valider le principe de calcul théorique,2. Vérifier expérimentalement le résultat des

simulations,3. Proposer une procédure d’optimisation de

mélanges conforme à l’objectif.

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Optimisation dOptimisation d’’un mun méélangelange

En accord avec le CTPL:laitier frais LD 0/10 mm

(fraction la plus riche en chaux et difficilement valorisable)

confection d’une grave non traité (GNT) avec des granulats inertes 10/20 mm,

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MatMatéériels et mriels et mééthodesthodes

Caractérisation des constituants normes EN,Caractérisation des mélanges: mesure du gonflement Essai à la vapeur (EN 1744-1 &19.3)Modélisation numérique : Logiciel : Logiciel RenéRené--LPCLPC (Thierry Sedran, François de Larrard 1999)Logiciel d'optimisation granulaire

Modèle d'Empilement Compressible,Prédit la compacité de toute combinaison des constituants caractérisés par leur granulométrie et leur compacité,

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matmatéériaux riaux éétuditudiéés et ds et déémarchemarche

Préparation1. Criblage en fractions élémentaires: <0.08, 0.08/0.315,

0.315/2, 2/6.3, 6.3/10, 10/20 mm,2. Maturation des fractions élémentaires de laitier LD (essai

vapeur),3. Granulométrie (EN 933-1), Masse volumique réelle

(EN1097-6), Compacité (LPC N°61),Étude de la stabilité volumique de mélanges

1. Optimisation de mélanges via René-LPC Estimation du gonflement en fonction du % laitier LD,

2. Vérifications expérimentales des gonflements via l’essai vapeur.

Calcaire du boulonnais

(10-20 mm)

Laitier Cristallisé de HF

(10-20 mm)

Laitier LD(0-10 mm)

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Simulation RenSimulation Renéé LPCLPCMélange 0-10 LD - 10/20 inerte

René-LPC calcule pour un compactage donné

1. Mesure de la porosité d’un mélange avant et après compactage

2. Description de chaque fraction pour LD frais, maturé et G.inerte

(Granulométrie/Masse volumique réelle/Compacité)

Indice de compaction K=13,37

La porosité des mélanges

René-LPC calcule

3. On en déduit : La compacité (Poro=1 – Comp )

Gonflement théorique1001 *d*Cd*CG

MM

ii% ⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

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VVéérif. Exprif. Expéérim.rim.MMéélange laitier LD / HFlange laitier LD / HF

10.0

9.1

8.1

6.9

4.8

2.1

0.80.30.20.10.00.0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100% de laitier LD

% d

e go

nfle

men

t

Mesurée

Calculée

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VVéérif. Exprif. Expéérim. rim. MMéélange thlange thééorique / mesurorique / mesuréé

80%

100%

20%

30%

60%

50%

25%

50%

70%

40%

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12gonflement théorique (%)

Gon

flem

ent m

esur

é (%

)

CalcaireLaitier HFX=Y

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InterprInterpréétationstations

LD <= 50%: Les mélanges à « gros grains dominants » suffisamment poreux et perméables.

Les fines de laitier se répartissent bien dans les vides laissés par les gros grains,

hydratation est totale,

Le modèle René-LCPC s’applique bien

Au maximum de compacité (>50% LD), comblement important des pores limite la perméabilité du mélange,

Hydratation incomplète ?

Le modèle classique peut être appliqué

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La GNT 0/20 mmLa GNT 0/20 mm

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.001 0.01 0.1 1 10 100Tamis en mm

Pass

ant e

n %

Fuseau despécif ication

Fuseau valeursdéclarées

60 % LD

50 % LD

40 % LD

30 % LD

25 % LD

20 % LD

Mélange à 60 % laitier LD 0/10 mm proche des spécifications Gtheo % = 4.8 (Norme <=5%)

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Conclusions et perspectivesConclusions et perspectives

Approche de formulation satisfaisante,Stabilité dimensionnelle satisfaisante de mélanges composés de la fraction fine de LD,Méthode de prédiction du gonflement validée expérimentalement pour des mélanges <= 50% LD,Mais problème pour mesurer le gonflement si LD >50%

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Bilan programmeBilan programme

Valorisation des laitiers LD toujours problématique !!

Vieillissement par arrosage possible mais complexe et plutôt lent,D’autres voies semblent envisagées pour réduire les stocks procédé Thyssen,

Modélisation numérique permet d’approcher la mise au point de mélanges à base de laitier LD 0/10 mm (<=50%) et granulats inertes,

Limite des techniques de mesures de l’expansion,Hydratation de la chaux ?Reste à valider ces mélanges sur le terrain,