Valorisation des laitiers d’aciérie LD pour les...

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  • Valorisation des laitiers dValorisation des laitiers daciacirie LD pour rie LD pour les infrastructures routiles infrastructures routiresres

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

    Sminaire de clture opration LCPC"Recyclage et matriaux non conventionnels"

    Du 12 et 13 dcembre 2006

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

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

  • 2

    PlanPlan

    1) La problmatique2) Convention CTPL/LCPC3) Prsentation des tudes4) Bilans

  • 3

    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 oxygne de type Linz-Donavitz (LD),1,2 M t., 1/10e tonnes dacier produit en France,2 sites de production: Dunkerque, Fos sur Mer.

  • 4

    Les laitiers LD: caractLes laitiers LD: caractristiquesristiques

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

    Prsence importante de grains de chaux et de magnsie libre dans la matire,

    Stabilit dimensionnelle insuffisante avec gonflements,CaO (1 cm3) +H2O Ca(OH)2 (1,93 cm3)Ractions doxydation ou dhydratation (FeO-MgO, C2S, C3S)

  • 5

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

    Recherches existent depuis les annes 70, sans vritables avances,Deux approches pour limiter les gonflements:1. Traitement par vieillissement en tas aprs fabrication

    Brsil: couche de 30-40 cm arrose et brasseBelgique: couche de 1 2 m arrose et brasse

    2. Traitement la fabricationAllemagne: procd Thyssen (introduction de sable dans le laitier liquide G%

  • 6

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

    Deux problmatiques traites:1. Optimiser le vieillissement du laitier LD sur site

    pour rduire les gonflements ultrieurs2. Mise au point dune formulation de mlanges

    Laitiers LD/granulats inertes gonflement contrl

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

  • 7

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

    2002 / 2005

    La commande1.Connatre la cintique dhydratation

    de la chaux et de la magnsie libre dun laitier LD dans un tas, en fonction du temps,

    2.Quelle gomtrie de tas pour un vieillissement optimum ?

    3.Quelles risques de pollution ?

  • 8

    OrganisationOrganisation

    Hydratation par arrosage de laitier LD dans une colonne simulant un tas,Hauteur simule: 3 mtres, 1m (environ 7 tonnes),Laitier LD reprsentatif dune production actuelle teneur et rpartition du CaO et MgO,Granulomtrie 0/80 mm,Hydratation par eau naturelle et eau charge en NaCl, avec ou sans recyclage,Dure maximum dhydratation : 9 mois

  • 9

    Montage et planning expMontage et planning exprimentalrimental

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

    chafaudage

    3

    4

    5 6 2

    1

    8

    7

    Treill isdeprot ectio n

    NaCl

    Douce

    Douce

    Tuyau dvacuationBuse tmoin avec800 kg de laitier brutAnalyse 9 mois

    Bac tmoin avec 200kgde laitier immergdans de leau douceAnalyse 9 mois

    P

    P

    9

    10

    Arrosagevacuation/recyclage

  • 10

    Les Analyses & essais rLes Analyses & essais ralisalisss

    3 prlvements de matriaux denviron 600 kg chacun (Ep.40cm) Surface, Milieu, Base (au dessus de lvacuation)

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

    Suivie de lvolution granulomtrique,Proprits physico-chimiques: Analyses thermiques, ATD/ATG, analyses chimiques, RX CaO total, CaO libre, CaOhydrate, CaCO3Test dexpansion la vapeur (NF EN 1744-1 &19.3) volution du potentiel de gonflement,

    0 3 mois 5 mois 9 mois

    E.Doucerecycle

    1.E.Douce NR2.E.Douce R3.E. Sale R

    1.5 mois

    1.E.Douce NR & R2.E. Sale R3.Air libre4.Immerg

    Laitier brut

    E.Douce R

    0/80mm Fractions

    0/80mm Fractions

    0/80mm 0/80mm 0/80mm

  • 11

    Mesure de lMesure de lexpansionexpansion

    Norme EN 1744-1 sur laitier 0/22 mm fullerCompactage avec une table vibrante porosit,Mesure de laugmentation de volume de l prouvette soumis un courant de vapeur 100C (168 heures).

  • 12

    Observations dans les colonnesObservations dans les colonnes

    Variation de la cimentation suivant le procd darrosage:

    Eau recycleDouce ou Sale

    Fort encrotement de surface (CaCO3) puis matriau toujours meuble sous cette surface,

    Eau flux direct

    Absence dencrotement de surface, mais forte prise en masse de lensemble du matriau dans la colonne, augmentant avec le temps.

  • 13

    Quelques rQuelques rsultatssultats

    Evolution granulomtrique difficile interprter,Au cours du temps, lgre volution du gonflement

    clatements des grains (nodules de chaux).Augmentation des carbonates et de la portlandite,CaO libre volue peuvolution plus marque avec leau douce non recycle.

    0

    2

    4

    6

    8

    10

    12

    Initia l E.Do uce no nrecyc le

    Initia l E.Do uce no nrecyc le

    Initia l E.Do uce no nrecyc le

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

    3 mois 9 mois Initial

  • 14

    PhPhnomnomnologienologie

    La dissolution des laitiers au contact de leau libre du Ca++ + CO2 atmosphrique prcipitation de CaCO3

    formation dune couche protectrice en surface des grainsLimite laccs de leau lintrieur des grains, retarde lhydratation et donc le vieillissement,Provoque un phnomne de cimentation non souhait pour la manutention ultrieure des laitiers

  • 15

    CONCLUSIONS: RCONCLUSIONS: Rponse ponse la la commandecommande

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

    1. Connatre la cintique dhydratation de la CaO et de la MgO libre dun LD dans un tas, en fonction du temps,

    Hydratation assez lente,Limite en dessous de la couche de surface,Non complte au bout de 9 mois,Plus efficace avec de leau non sature (non recycle).

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

    2. Quelle gomtrie de tas pour un vieillissement optimum ?

    paisseur maximale : 1 mtres,Tas plutt aplatis, brasser rgulirement (pb de prises).

  • 16

    CONCLUSIONS: RCONCLUSIONS: Rponse ponse la la commandecommande

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

    4. diter un guide mthodologique ?Gonflements rsiduels 9 mois encore peu compatibles (6.3 %) avec les recommandations dutilisation (< 5% en couche de forme),Limite du vieillissement par arrosage en tas : contraintes industrielles, efficacit rduite (dveloppement dun ciment carbonat rduisant lhydratation de la chaux),

    Guide mthodologique: trop dinconnues, notamment laspect physico-chimique et la ractivit des laitiers.

  • 17

    22 PARTIE: Optimisation dPARTIE: Optimisation dun un mmlange lange

    Avril 2004 / septembre 2005Avril 2004 / septembre 2005

    Objectif:Formulation de mlanges Laitiers LD/Granulats inertes gonflement contrl

    La commande1. Valider le principe de calcul thorique,2. Vrifier exprimentalement le rsultat des

    simulations,3. Proposer une procdure doptimisation de

    mlanges conforme lobjectif.

  • 18

    Optimisation dOptimisation dun mun mlangelange

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

    (fraction la plus riche en chaux et difficilement valorisable)

    confection dune grave non trait (GNT) avec des granulats inertes 10/20 mm,

  • 19

    MatMatriels et mriels et mthodesthodes

    Caractrisation des constituants normes EN,Caractrisation des mlanges: mesure du gonflement Essai la vapeur (EN 1744-1 &19.3)Modlisation numrique : Logiciel : Logiciel RenRen--LPCLPC (Thierry Sedran, Franois de Larrard 1999)Logiciel d'optimisation granulaire

    Modle d'Empilement Compressible,Prdit la compacit de toute combinaison des constituants caractriss par leur granulomtrie et leur compacit,

  • 20

    matmatriaux riaux tuditudis et ds et dmarchemarche

    Prparation1. Criblage en fractions lmentaires:

  • 21

    Simulation RenSimulation Ren LPCLPCMlange 0-10 LD - 10/20 inerte

    Ren-LPC calcule pour un compactage donn

    1. Mesure de la porosit dun mlange avant et aprs compactage

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

    (Granulomtrie/Masse volumique relle/Compacit)

    Indice de compaction K=13,37

    La porosit des mlanges

    Ren-LPC calcule

    3. On en dduit : La compacit (Poro=1 Comp )

    Gonflement thorique1001 *d*Cd*CG

    MM

    ii%

    =

  • 22

    VVrif. Exprif. Exprim.rim.MMlange 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

    Mesure

    Calcule

  • 23

    VVrif. Exprif. Exprim. rim. MMlange thlange thorique / mesurorique / mesur

    80%

    100%

    20%

    30%

    60%

    50%

    25%

    50%

    70%

    40%

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7