Study of a road material composed of blast furnace slag and sand of dune

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1 Study of a road material composed of blast furnace slag and sand of dune H. CHERFA a, D. E. TELMAT a & K.AIT MOKHTAR a a Faculty of Civil Engineering / University of Science and Technology Houari Boumediene, Algeria Résumé : L objectif de notre travail de recherche est de combiner le sable de dune au laitier de haut fourneau activé par la chaux afin de les utiliser en technique routière au moyen de mélange du sable laitier. Il sera question de formuler le sable laitier afin de voir l influence de différents pourcentages de laitier granulé, sur la portance et les caractéristiques mécaniques d un sable laitier dans le but de déterminer la teneur optimale en laitier permettant d obtenir des indices portant et des résistances à la compression simples permettant d utiliser le mélange obtenu comme couches d une chaussée routière semi rigide. Les résultats obtenus, sur des éprouvettes à 0, 7, 28, 60, 90 et 180 jours, montrent que l incorporation progressive du laitier activé par une chaux entraîne une augmentation de l indice portant immédiat, de la résistance à la compression simple et de la résistance à la traction. Abstract: The objective of our research is to combine the sand of dune with the slag of blast furnace activated by lime in order to use them in road engineering by means of mixture of slag sand. It will be a question of formulating slag sand in order to see the influence of various percentages of granulated slag on the bearing pressure and the mechanical characteristics of a slag sand with an aim of determining the optimal content of slag making it possible to obtain values bearing capacity and of the simple compressive strengths making it possible to use the mixture obtained like layers of a road semi rigid pavement. The results got, on test tubes at 0, 7,28,60,90 and 180 days, show that the progressive incorporation of the slag activated by a lime involves an increase in immediate value bearing capacity, of the compressive strength simple and the tensile strength. Mots clefs: laitier, sable laitier, chaussée. 1 Introduction L immense étendue désertique de l Algérie recèle des quantités inestimables de sable de dune généralement de granulométrie 0/2. Ce sable de dune est le seul un matériau local des régions du grand sud Algérien et il est resté très longtemps marginalisé. Actuellement, de grands efforts sont consentis afin de valoriser le sable de dune et notre travail s inscrit dans ce cadre puisqu on se propose de valoriser le sable de dune par la technique du sable laitier ; le laitier étant lui-même un déchet sidérurgique très courant en Algérie [1]. En Algérie la production annuelle du laitier est estimée à tonnes. Le laitier ne possède par lui-même aucune vertu liante, mais en présence d eau et d un activant hydraulique tel que la chaux, il réagit chimiquement pour former des composés possédant des valeurs liantes [2]. Dans cette étude, on a d abord présenté le mélange de base qui est le mélange de référence, la formulation du sable laitier, les courbes et les performances mécaniques sont ensuite évaluées et interprétées. 1

2 2 Le laitier de haut fourneau Le laitier de haut fourneau est un produit issu de la fabrication de la fonte dans un haut fourneau, où il correspond aux éléments résiduels qui parviennent de la gangue du minerai de fer (des cendres du combustible et des fondants), isolés et rejetés de la fonte liquide par flottation. Etant donné la différence de densité entre la fonte (7) et le laitier(3), ils sont donc séparés par décantation. Le laitier granulé de haut fourneau s obtient par refroidissement brusque par un courant d eau (jet d eau), ce qui permet de freiner le processus de cristallisation et d obtenir ainsi, un matériau vitrifié et granulé [3]. Ce mode de refroidissement transforme le laitier liquide en un granulat fin (procédé de granulation du laitier) à grains déchiquetés de granulométrie 0/5mm (figure 1), qui sera utilisé comme ajout au liant ou comme liant hydraulique. FIG. 1 - Obtention du laitier granulé par le procédé de granulation 3 Le sable de dune Le sable de dune est un produit de la désagrégation lente des roches sous l action des agents d érosion tels que l air, la pluie etc. Les déserts de sable, ou ergs, se localisent dans les vastes cuvettes d épandage ou des puissantes accumulations alluviales se sont concentrées par de grands écoulements liés aux périodes pluviales du début du quaternaire [4]. Le site de prélèvement de ce sable de dune est situé dans la partie nord de la ville de Boussaâda(Algérie), où d importantes constructions ont été édifiées sur des terrains constitués essentiellement de dunes de sable. Le choix de ce site a été motivé, notamment, en raison des dégradations apparues dans certaines constructions visiblement fondées directement sur les dunes (figure 2). FIG. 2 Localisation du site de prélèvement du sable de dune à Boussaâda. [5] 4 Le sable laitier Un sable laitier SL peut être défini comme le mélange, effectué en centrale de malaxage, d un (ou plusieurs) sable(s), d un certain pourcentage de laitier vitrifié (granulé ou bouleté) et d un activant basique à un dosage généralement voisin de 1% [6]. Il est principalement utilisé dans la confection des assises de chaussées. On parle de sable-laitier lorsque le matériau de base est un sable (figure3). 2

3 FIG 3 - mélange de sable laitier 5 Programme expérimental Dans ce travail expérimental, Il s agit de tester un sable laitier (SL) à base de sable de dune traité au laitier de haut fourneau, la caractérisation des matériaux constituants ce mélange sera étudiée, le sable laitier sera formulé, en laboratoire, à différents pourcentages de laitier puis ses caractéristiques mécaniques (indice portant immédiat IPI, compression simple et traction) seront étudiées. 6 Caractérisation des matériaux 6.1. Le sable de dune C est un sable fin de granulométrie 0/2mm provenant de la région de Boussaâda (Msila). Sa teneur en Silice (SiO2) est de 95% le sable correcteur C est un sable de carrière de granulométrie 0/6 mm de nature calcaire avec une teneur en Carbonates(CaCO3) de 98% La chaux C est une chaux éteinte qui joue le rôle d activant du laitier et provenant de la wilaya de Ghardaïa 6.4. Le laitier Il s agit d un laitier granulé de fraiche production et de granulométrie 0/5mm provenant du complexe sidérurgique d El-Hadjar (Annaba), obtenu par un refroidissement rapide dans les bassins d eau. Il présente les principales caractéristiques représentées dans le tableau 1. Il répond aux critères fixés par le catalogue algérien de dimensionnement des chaussées neuves qui spécifie une valeur minimale du coefficient de réactivité α supérieure à 20. Tableau 1. Composition chimique du laitier granulé d EL HADJAR [7] La masse volumique apparente (g/cm3) 1.2 La masse volumique absolue (g/cm3) 2.8 Coefficient de réactivité α 39 Module de basicité 1.3 Le produit A.C * CaO SiO Al2O MgO 3.92 Fe2O * On note que le produit A.C représente une réactivité potentielle du laitier dans lequel C représente la teneur en CaO et A la teneur en Al2O3. 3

4 Le diffractogramme aux rayons X utilisé, est destiné à l identification des phases cristallines dans un composé donné. Cela nous a permis de montrer que notre laitier granulé est amorphe et il est principalement composé de Mililite comme le montre la figure 4. Counts Position [2Theta] FIG.4- Diffractogramme au rayon X du laitier granulé d El-Hadjar Les courbes granulométriques des matériaux constituants le sable laitier sont représentées dans la figure cidessous. FIG. 5 - Les courbes granulométriques des constituants du SL Par ailleurs ces sables sont caractérisés par des équivalents de sable de 74% pour la sable de carrière et de 94% pour le sable de dune avec des valeurs au bleu de méthylène respectives de 0.5 et de 0.4, ce qui atteste de leur faible pollution. 7. Etude de mélange de sable laitier 7.1. Méthodologie de formulation du sable laitier SL Le choix des compositions des mélanges de sables laitier s appuie essentiellement sur les deux critères suivants [8] : La stabilité immédiate qui traduit globalement l aptitude au compactage et à la circulation des engins de chantiers ; Les performances mécaniques qui caractérisent l aptitude du matériau à résister à long terme aux différents modes de sollicitations dues au trafic. Plusieurs formulations ont été réalisées en faisant varier les pourcentages du laitier, la figure 8 donne les courbes Proctor des formulations retenues en respectant les conditions de la stabilité immédiate, sachant que pour chaque mélange, 1% de chaux a été incorporé 7.2. Déterminations de l indice portant immédiat (IPI) de sable laitier SL Après avoir satisfait la première condition de la stabilité immédiate avant compactage, on va tester les formulations retenues vis-à-vis de l indice portant immédiat et cela après la détermination des caractéristiques Proctor modifié. Pour mieux voir l influence de l ajout de laitier sur la stabilité immédiate des sables laitier, on a tracé la courbe qui donne l indice portant immédiat en fonction de dosage en laitier et la courbe ainsi obtenue est donnée sur la figure 6. 4

5 FIG. 6 - Évolution de l indice portant immédiat en fonction de dosage en laitier Nous remarquons que l indice portant immédiat augmente avec l augmentation de la teneur en laitier sans pour autant atteindre un optimum avec les teneurs testées Détermination de la résistance à la compression simple du sable laitier Les éprouvettes de sable laitier de diamètre 50mm et de hauteur 100 mm sont confectionnées par un compactage statique (figure7). FIG. 7 - Confection des éprouvettes par le compactage statique L essai de compression simple est réalisé sur des éprouvettes de sable laitier compactées à l OPM et conservées à une température de 20 C pendant des durées bien déterminées. Des séries de deux éprouvettes sur chaque mélange retenu ont été confectionnées et testées à 0, 7, 28, 60,90 et 180 jours. Les courbes qui traduisent l évolution de la résistance à la compression au cours du temps à différents pourcentages de laitier sont représentées dans la figure 8. FIG. 8 - La résistance à la compression simple en fonction de dosage en laitier au cours du temps 5

6 La résistance à la traction de sable laitier Des séries de trois éprouvettes de diamètre 5 cm et de hauteur 10 cm, obtenues par compactage statique ont subit l essai de traction à 90 et 180 jours. Les valeurs obtenues sont projetées en valeurs équivalentes à un an grâce à des coefficients empiriques donnés par la norme NF P , et sont calculés comme suit : Rt 360j (bars) = Rt90j /0.7 (1) Le tableau 2 donne les valeurs de la résistance à la traction du sable laitier pour les différents dosages en laitier à 360 jours. Tableau 2 - Les valeurs de la résistance à la traction à un an Laitier (%) Rt 360 (bars) conclusion Cette étude montre que l incorporation progressive du laitier granulé améliore la portance et entraîne une augmentation des résistances mécaniques des sables laitier à travers le temps. Vu les propriétés des laitiers qui sont très proches de celles de ciment, on peut dire que les performances mécaniques remarquables sont dues au rôle chimique du laitier qui consiste à améliorer la microstructure du mélange en fixant la Portlandite Ca(OH) 2 libérée par l hydratation du laitier. Cette réaction hydraulique donne naissance à un deuxième silicate de calcium hydraté supplémentaire (CSH), principal responsable de durcissement du mélange de sable laitier. Il est évident que les résistances mécaniques à la compression simple et à la traction du sable traité à plusieurs pourcentages de laitier, sont meilleures comparées à celles du sable non traité (à 0% de laitier). Ces résultats expérimentaux montrent qu il est tout à fait possible de fabriquer un matériau tel que le sable laitier présentant des meilleurs caractéristiques mécaniques dans les conditions Algériennes et avec des matériaux locaux tels que le laitier d El Hadjar et le sable de dune qui se trouve en quantités immenses. 9. Références [1] Cherfa H. (2010), stabilisation des sols et des couches de chaussée par des résidus industriels application au laitier de haut fourneau, Thèse de Magister. Université des Sciences et de technologie Houari Boumediene. Alger. 145 p. [2] Zeghichi, L. (1998). Etude des liants et bétons à base des alcalis et ciments au laitier. Thèse de magister, Université de Biskra, Biskra, Algérie, 120 p. [3] Behim M., Redjel B., Jauberthie R. (2002) «réactivité du laitier de hauts fourneaux d Annaba (Algérie) en substitution partielle du ciment, Journal de Physique. [4] Tafraoui A. (2009). Contribution à la valorisation de sable de dune de l erg occidental (Algérie). Thèse de doctorat, université de Toulouse (France). 67,77 p. [5] Meddah A. (2008). Étude du comportement d un sable de dune sous sollicitations triaxiales. Thèse de Magister, université de M SILA.31 p. [6] Alexandre J. et Sebileau J.L. (1988) «le laitier de haut fourneau (élaborations, traitements, propriétés et emplois)». [7] Cherfa H., Ait Mokhtar K. (2009), Valorisation des déchets industriels pour la stabilisation des couches de chaussées : cas des laitiers des hauts fourneaux, Séminaire International «Innovation et Valorisation dans le Génie Civil». Les 5 7 février 2009 à Hammamet, Tunisie. Communication pages [8] Patier (2001) «les techniques routières à base de laitiers vitrifiés de haut fourneau», (extrait de la conférence Banque mondiale d AMMAN), séminaire sur les laitiers de haut fourneau les 08 et 09 Mars NF P (1994) Norme française. Assises de chaussées «méthodologie d étude en laboratoire des matériaux traités aux liants hydrauliques partie 1 : sables traitées aux liants hydrauliques» 6