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S P C I A L

C l.

TOURENQ

Docteur en Gologie

At tach de Recherche

Se c t i on M c a n i qu e des R o c h e s

D parteme nt des Sols

Laboratoire C entral

LAITIERS tude ptrogr phique

etphysique

de

queques laitiers

del Est

P R E S E N T A T I O N

J b e r t h | e r

Ingnieur desPontset Chausses

Adjoint au Directeur

du Lab oratoire C entral

L a r t i c l e c i - a p r s a i t l o r i g i n e l e

compt e

r e n d u

d essai s

e f f e c t u p o u r l e

ompt e

d u G r o u p e

d e s l a i t i e r s

pa r

M. T o u r e n q , i n g i e u r a S e c t i o n d e Ma n i q u e d oches, d a n s l e but e

de r m i n e r l es

ssai s

p h y si q u e s et es de r m i n a t i o n s pr o g r a p h i q u e s l es

m i eux

a p p r o p r i s

l a n a t u r e p a r t i c u l i e d u l a i t i e r c o n c a s s M. T o u r e n q a j u g u t i l e d e r a p p r o ch e r c er t a i n s d e

c e s r u l t a t s p o u r

essayer d en

d u i r e d es o r ra t i o n s et d o n n e r une p o r t p l u s ga l e

c es ssai s.

I l

nous

a p a r u i n te ss a n t d e p r e n t e r ce

compt e

r e n d u d a n s l e c a d r e d u N u m o S pi a l

sur

l e s l a i t i e r s .

L e ss en t i e l d e ce N u m o S pi a l por te su r l e t r a i t e m e n t a u a i t i e r g r a n u l qui est a c t u e l l em en t

l u t i l i s a t i o n l a p l u s

noble

qu e

on

ui sse f a i r e d u l a i t i e r . G r ce en p a r t i c u l i er a ux t r a v a u x d u

L a b o r a t o i r e d A u t u n , ce n o u v ea u l i a n t a b ea u c ou p p e r d u d e son m y s t e . On sa i t en p a r t i c u

l i e r en m a t r i s e r l a f a b r i c a t i o n et son u t i l i s a t i o n n e

pose

g u e d e p r o b l m e i m p o r t a n t .

L e

m oment

est sans

d out e venu

d e f a i r e p o r t e r f f or t d e r e c h e r c h e su r d a u t r es u t i l i sa t i o n s

possi blesd u a i t i e r et n o t a m m e n t

su r

on u t i l i s a t i o n en a nt qu e o c h e , et non p l u s en a nt que

l i a n t

L e l a i t i e r c o u l est en f fet une oche que on f a b r i q u e , et on est e n td e

enser

qu a vec un

p eu d i m a g i n a t i o n

on

d e v r a i t p o u v o i r a r r i v er

e

f a b r i q u e r m i eux

que a

n a t u r e n a

su e

f a i r e

p o u r l es m a ti a u x d e nos c a r r i e s, p o u r en f a i r e

une

oche

a ux

q u a l i t

exceptionnelles.

I l est r m a t u r d e di n i r ces q u a l i t e x c e p t i o n n e l l e s qu i ne p o u r r o n t l r e

qu esure

ue

d e s u t i l i s a t i o n s n o u v e l l e s

ser ont

i m a g i ns, e l l e s -m m e s l i s l e p l u s ga l e m e n t l u t i l i s a t i on

d e l i a n t s n ou v e a u x . I l est en p a r t i c u l i er t r s i n s t r u c t i f

d obser ver

l a u r f a c e d e r u p t u r e d r ou -

vet t es d en r o b

base

d e r i n e s. Q u e l l e qu e

oi t

l a r i s t a n c e d e a roche n a t u r e l l e u t i l i s,

c est e g r a n u l a t qu i se r omp t , p r o u v a n t que a q u a l i t d u l i a n t est s u r a b on d a n t e p a r r a p p o r t

cell e

d e la roche o u p l u t t qu e

nous

n a v on s p a s de

roch es d ont

l es q u a l i t

soient

a

mesure

d e

cell es

d u l i a n t .

Cet article sera repris dans

le

Numro Spcial

les laitiers

de

hauts fourneaux

en

construction routire .

81

Bul l . L iaison Labo. Routiers P. et Ch. no 34 - O c t . - N o v . 1968 - Rf. 592

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A la demande du Groupe des Laitiers, nous avons

effectu une tude ptrographique, physique et

mcanique dtaille de cinq chantillons de laitier

qui nous ont t envoys par le Laboratoire des

Laitiers de Nancy.

Le but de cette tude tait d'aider le Groupe des

Laitiers choisir les dterminations les plus utiles

pour caractriser les laitiers.

Les laitiers tudis venaient de Pompey, Neuves-

Maisons, Moyeuvre, Senelle (Longwy), Lorraine-

Escaut (Mont-Saint-Martin).

COMPOSITION CHIMIQUE

C ette composition semble peu variable pour un

mme laitier, car ceia conditionne la bonne marche

du haut fourneau.

Les quelques analyses de laitiers franais que l'on

trouve dans la littrature, montrent aussi une faible

variation pour l'ensemble de ces produits.

On peut donner comme valeurs extrmes, les

chiffres suivants :

Si 0

2

29 38

Al, 0

3

13 24

Fe

2

0

3

C a 0

0 3

e

2

0

3

C a 0

33 48

Mg 0 0,5 5

SO,

0,1 1,5

Il n'existe pas de roches naturelles ayant cette com

position chimique. Les plus proches sont les roches

ultrabasiques (okates, turjates). Elles en diffrent

cependant beaucoup, le fer joue dans ces roches un

rle plus important (5 15 % ) et la chaux est beau

coup moins abondante (< 27 % ).

COMPOSITION MINERALOGIQUE

Etude des lames minces au microscope polarisant

Il a t possible, par cette mthode, de reconnatre

un certain nombre de constituants communs aux

cinq laitiers tudis, mais dans des proportions

variables.

L a mlilite,

est le nom d'une srie isomorphe dont

les termes extrmes sont

l'akermanite : [S i

2

0

7

] ~

6

C a

2

+

4

M g +

2

et la ghlenite : [S iA I 0

7

]~

7

C a

2

+

4

A I +

3

elle constitue une solution solide continue reprsen

te par : x Ak + (100 x) Ge.

L'akermanite est constitue par deux ttradres

S i0

4

ayant un oxygne en commun :

1

Fig. 1

Dans la ghlenite un Si sur deux est remplac par

Al.

D aprs

l'orientation de l'indice de rfraction le plus

lev, on peut conclure que la ghlenite est plus

abondante que l'akermanite dans la solution solide.

Il est impossible au microscope de dterminer la

proportion relative exacte des deux constituants. Les

cristaux ont la forme de tablettes carres.

Fig. 2 - C ristaux aciculaires de merwinite, plages grises

de mlilite, fond noir de verre, minraux opaques et trs

rfringents (Pompey - X 40).

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La duret des mlilites figurant dans les chantil

lons tudis, varie de 325 400 kg/mm

2

, ce qui

laisse supposer une variation de teneur en ghienite,

mais la duret des termes extrmes tant inconnue

ce critre ne peut pour l'instant tre utilis.

Rappelons la duret de quelques autres minraux :

calcite : 110 kg/mm

2

- feldspaths : 750 kg/ mm

2

-

quartz : 1 200 kg/mm

2

Merwinite

- silicate du groupe de l'olivine de formule

S i

2

0

8

C a

3

Mg

Ses cristaux ont la forme de tablettes section

losangique, polariss dans des teintes du premier

ordre (couleurs vives).

Duret : 500 kg/mm

2

.

Inconnu

Un minral en petits cristaux arrondis (quelques

microns) formant des amas ou des inclusions orien

tes dans la mlilite.

Le relief fort rend les amas pratiquement opaques

au microscope. La birfringence est leve.

Minraux opaques

pyrite : Fe S

2

, en cristaux arrondis de quelques

microns ;

hmatite : Fe

2

0

3

, en cristaux arrondis de quel

ques microns.

Verre

formant des amas transparents isotropes et

craquels, ou une bordure brune isotrope autour de

certains cristaux de mlilite (cette bordure pourrait

tre une mlilite du type Ge 40 - Ak 60 qui est

isotrope).

Duret : 450 630 kg/ mm

2

.

Etude aux rayons X

L'analyse aux rayons X de l'chantillon de Moyeuvre,

a confirm la prsence de mlilite, il apparatrait en

plus de la ghienite.

Le recuit de l'chantillon 1 000C , suivi d'un refroi

dissement lent pour faire cristalliser les phases

amorphes, n'a apport aucun lment nouveau.

Calcul thorique de la composition minralogique

partir d'une analyse chimique

En admettant que toute l'alumine et la magnsie

sont combines sous forme de mlilite, le calcul

nous laisse un excs de silice et de chaux.

Il est donc en thorie possible de former de la

wollastonite Si 0

2

- Ca O, et cela, mme si l'on

introduit dans le calcul un certain pourcentage de

merwinite.

TABLEAU 1

Exemple de Pompey

%

Si 0

2

Al

O s

MgO CaO

Total

%

30,6 21,2 4,6

40,7

97,1

Poids mol

culaire

60

10=

40 56

Mol . 510 208

115

727

Mol.

P. mol.

%

Ghienite

S i0

2

- A I

2

O

a

-

2 CaO

302

0

115

311

208

274 57

Akermanite

2 Si 0 , -

MgO- 2C aO 72

0

0

81 115

272 31.3

Reste 72

0

0

81

Mais au microscope, le minral inconnu est trop

petit pour tre dtermin et les rayons X nont pas

donn de rsultats dans le sens wollastonite. Nous

essaierons de reprendre ce point en traitant le laitier

au sparateur magntique ou par des liqueurs

lourdes.

STRUCTURE ET COMPOSITION MINERALOGIQUE

DES DIFFERENTS LAITIERS

Pompey

Aspect trs massif, peu de pores visibles l oel nu,

scoriac l'extrme surface des blocs sur 0,5

1 cm (sommet et base de coules) trous de 1

20 mm.

Au microscope on observe des pores de 0,05

0,1 mm. Les cristaux de mlilite ont une dimension

moyenne d'environ 0,3 mm, ce sont des tablettes

enchevtres (fig. z ) . C es cristaux sont trs fissurs

ce qui est d une phase de refroidissement

rapide.

Les tablettes montrent souvent une orientation trs

locale.

Le minral principal est la mlilite qui reprsente 70

80 '% de l'chantillon.

On observe quelques cristaux aciculaires clivage

net, plus birfringents et macls : il s'agit probable

ment de merwinite, et une substance interstitielle

brune forme de petits cristaux (5/2a ) trs birfrin

gents, et d'opaques (pyrite + hmatite).

C ertains cristaux montrent une zone parallle leur

bord,

trs faible birfringence. Il s'agit probable

ment de verre, soit que la solution solide nait pas

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Fig.

3 - Baguettes et carrs gris de mlilite, pores

blancs aux formes irrgulires ou arrondies (Neuves-

Maisons - X 50).

Fig.

4 - La mlilite en gros cristaux montre ici de

nombreuses inclusions plus sombres (Moyeuvre -

X 50).

eu le temps de cristalliser, mais on comprend mal

qu'il y ait une forme minralogique, soit qu'il y ait

eu une refusion des bords, soit enfin que l'on se

rapproche de la composition Ge 40 - Ak 60.

Durets en kg/mm

2

mlilite 389

verre 580

opaques 900

C omposition dtermine au compteur de points .-

mlilite 75 %

merwinite 4 %

inconnu 18,5 %

opaques 0,5 %

verre 2 %

Neuves-Maisons

L'aspect est aussi massif, il y a peu de pores sinon

sur quelques centimtres en haut et la base des

coules (1 20 mm). C ertains blocs sont plus

poreux.

Les cristaux tabulaires ont en moyenne 0,2 mm,

c'est toujours de la mlilite. C ertains d'entre eux

sont entours d'une aurole brune vitreuse. La

substance interstitielle est reprsente d'une part

par le minral inconnu qui est ici plus opaque

(forme d'une poussire de petits minraux trs

rfringents), et d'autre part de verre souvent inco

lore en petites plages craqueles entre les autres

cristaux { f i g . _?)

On observe parfois, baignant dans le verre, des

formes prismatiques peine birfringentes.

Duret en kg/mm

2

mlilite 393

C omposition dtermine au compteur de points

(analyse modale)

mlilite 64 %

merwinite 1 %

inconnu 21 %

opaques 1 %

verre 14 %

85

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Fig. 5 - Baguettes grises de mlilite (S rielle - X 50).

Fig. 6 - Les baguettes et les carrs gris sont de la mlilite,

le fond sombre est un mlange de verre et de petits

minraux trs rfringents (Mont-S aint-Martin - X 40).

Moyeuvre

Aspect trs poreux et trs homogne. Les pores ont

0,1 quelques millimtres. Les cristaux ont en

moyenne 0,5 mm. C 'est toujours une mlilite mais

avec de nombreuses inclusions arrondies trs rfrin

gentes, parfois orientes dans le cristal

(fig. .j).

Beaucoup de cristaux ont une marge, peu ou pas

birfringente, trs nette.

Il y a peu de substance interstitielle brune (minral

inconnu), de verre et de la merwinite.

Durets en kg/mm

2

mlilite 349

verre 630

opaques (rares) 404

x 568

C omposition modale

mlilite 60 %

inconnu et merwinite 34 %

opaques 1 %

verre 5 %

Dans cet chantillon et dans le suivant (Senelle)

la merwinite est peut-tre abondante mais les

cri

tres de dtermination sont douteux.

Senelle Longwy

Aspect trs poreux, les pores sont souvent aligns

ou allongs probablement dans le sens de la cou

le,

ils ont en moyenne 0,3 mm (fig. 5).

Durets en kg/mm

2

mlilite 327

verre 550

C ompos ition modale

mlilite

62

86

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Durets en kg/mm

2

mlilite 350-401

verre 450-500

Analyse modale

mlilite 55 %

inconnu 41 %

merwinite 1 %

opaques rares

verre 3 %

Fig. 7 - Autre aspec t de Mont-S aint-Martin montrant une

structure trs fine.

inconnu et merwinite 33,5 %

opaques 0,5 %

verre 4 %

Mont Saint-Martin

Aspect trs htrogne, on observe soit une struc

ture conglomratique avec des fragments de quel

ques centimtres, soit un passage progressif du bas

vers le sommet de la coule d'un laitier massif de

type 1 un laitier gros pores (quelques millim

tres 2 cm).

Les parties massives montrent des cristaux de mli

lite enchevtrs entre eux, assez petits 0,2 mm. La

substance interstitielle brune est ici importante et

renferme une forte proportion de verre.

Les parties poreuses ont des cristaux de mlilite

petits 0,2 mm, riches en inclusions opaques ( f i g .

6),

et montrent quelques zones (1 2 cm) trs petits

cristaux : 10 p ( f i g . 7).

ESSAIS EFFECTUES

Liste des essais

Y , par la mthode du pic- Masse volumique

nomtre eau.

Masse volumique apparente

Y

d

volume total de l'chantillon

Le volume est obtenu sur cube rod quelques

centimes de mm prs.

Poids sec

Porosit totale calcule

T

s

Yd

Ts

100 = n %

Essai de porosit par absorption d'eau sous

vide (normalis). Dans cet essai seule reste l eau

retenue par capil larit ; une partie de l eau des

gros pores s'coule par gravit : n

c

% .

Poids d'eau absorb

Volume de l'chantillon

Pese hydrostatique de l'chantillon satur pour

dterminer le pourcentage des pores isols :

v,

i ;

p

H

Rsistance la compression :

essai normalis sur cube sec,

essai aprs imbibition suivant la norme (n

c

).

Deval sec et humide.

Los Angeles sur 6,3 - 10 et 10 - 20 mm.

Vitesse du son sur prismes de 16 cm.

Rsultats obtenus - Corrlation

Le tableau 2 donne l'ensemble des rsultats obtenus.

Lorsqu'il y a deux sries de rsultats sur un

mme laitier, c'est qu'il existait deux blocs d'aspect

diffrent. C ette distinc tion n'a pu tre faite en Deval

et Los Angeles, le laitier nous ayant t fourni par

Nancy dj concass.

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TABLEAU 2

Rsultats obtenus

Laitiers

Essais ^^^

Pompey

Neuves-Ma isons Moyeuvre Senelle

Saint-Martin

diamtre moyen des

cristaux (mm)

0,4

0,3

0,5 0.3

0.4

0,2 0,01

Gros vides

rares

quelques-uns nombreux

nombreux

nombreux

nomi >reux

> 1 mm

bien

rpartis

souvent

orients

nombreux

mal n

spartis

n totale (%) 10

7

25 14

30

25 45

n

c

(%)

3

3

5

5,5

10

3

11

pores isols (%)

7 4

18

8 17

17

27

Ts

3 270 3 030

3 030

2 980

3010

3 480

3 480

Td

2 850 2 820

2 350

2610

2 080

2 600 850

R

c

sec (bars)

1680

2000

900

1180 680

1250

460

R

c

satur (bars)

1350

1580

900

1050 560

1250

365

R

c

satur

R

c

sec

0,80

0,79 1

0,89

0,82

1

0,78

Deval sec

8

9

6,2

8,3

7.6

Deval humide

4

4

4,7

4,9

5

Dh

D

s

0,50

0,44

0.75

0,59 0,66

LA 6.3/10 (%)

28,7

28,7

28,1

24,6 30

LA 10/20 (%) 21,4

23,6

25,1 27,9

22,9

Vitesse du son (m/s)

5950

6570 6000 5400

5070

6600 3970

La

figure

8 illustre une forte hrtognit de cer

tains laitiers quant leur porosit. f

s

est trs

constant pour un mme laitier.

La

figure o

montre la relation obtenue entre la rsis

tance la compression et la porosit totale. Nous

avons port sur le graphique la courbe obtenue par

F. Keil (Laltiers-Tarmacadam, n 21). La mme rela

tion existe si l'on considre la porosit n

c

. Cela

est d au fait qu'il y a une liaison entre les deux

porosits

(fig.

io .

Si la porosit semble tre le paramtre essentiel

pour les laitiers en gnral, il faut remarquer en

outre que pour un mme laitier il varie parfois dans

des limites trs larges, ce qui pose un problme

d'htrognit qui nest pas ngligeable.

La vitesse du son est au moins aussi bien lie que

2,0

o Pompy

V Neuves Ma i son s

\ N

s. a

Moy * u v r

Se nt i i *

Mo nt S

f

Mar

tin

S i

i L

X

10 20 30 40 50 n' / .

Fig. 8 - Variation de la poros it des laitiers en fonction

de Y

s

et r

d

88

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9/10

2000

1500

1000

500

5 0

4 0

30

2 0

0

\

\

0 0 ^

\

\

\

N

o \

\

N

V

K

N

s*

\

\

\

0

N

40 n tota le Y .

5000 6000

V

s

m/s

Fig. 9 - Variation de la rsistance la compress ion

en fonction de la porosit totale.

Fig.

11 - Relation entre la vitesse du son

et la porosit totale - Influence de la densit.

oi 5

-

-

0 10 20 30 40 n

t

7.

Fig.

10 - Re lation entre les porosits totale et capillaire.

R

c

Y

D

et n ( f i g . i o e t n ) . On observe une ten

dance en fonction de -f

s

qui peut tre intressante :

porosit gale V

s

semble plus grand si Y

s

est

plus lev

( f i g . n ) .

C ette tendance apparat dj

sur la figure 9 o le laitier de Lorraine

(Y

s

= 3,50) a une R

c

meilleure, porosit gale,

que les autres laitiers ou Y

s

< 3,50.

CONCLUS IONS

Du point de vue de la structure, on peut rapprocher

les laitiers des laves poreuses type andsite. On a

cependant des cristaux beaucoup plus enchevtrs,

alors que dans les laves les prismes de feldspaths

sont plus ou moins orients.

Il faut remarquer que dans les roches, porosit et

composition minralogique gale, la dimension des

cristaux joue un rle important et c'est le plus sou

vent la taille des plus gros cristaux de la roche qui

conditionne sa rsistance [1].

Dans le cas des granites [ ] :

dimension des cristaux

les plus grands en mm

10

6

3

rsistance la

compression en bars

1 850

2 350

3 380

Pour des calcaires (L.C.P.C.) on a de mme

2,5

0,3

0,2

0,01

800

1 200

1 500

2 000

Par contre, et dans l tat actuel des techniques de

production des laitiers, la porosit varie de 5

45 '% et constitue la variable importante.

Les gros vides dans lesquels l eau ne reste pas

par capillarit, reprsentent en gros les 2/3 de la

porosit totale. Ces matriaux devraient donc tre

insensibles l'action du gel.

89

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Le minral essentiel est une mlilite o la ghlenite

domine toujours. Les limites de composition se si

tuent toujours entre Ge90 Ak10 et Ge58 Ak42 ;

Ak42 correspondrait 5 % de Mg O.

Ge90 correspondrait 1 % de Mg O.

Il est noter que les bords de nombreux cristaux

sont dans un tat plus ou moins amorphe.

La duret de la mlilite est plus faible que celle des

minraux constituant les laves :

mlilite = 350 kg/ mm

2

, feldspaths = 750 kg/mm

2

pourtant, porosit gale, le laitier est plus rsis

tant ;

andsite de Vo lvic : n = 20 % ; R

c

= 900 bars ;

vitesse du son : 2 500 m/s ; Deval = 4 ; LA = 38 ;

- laitier : n = 20 % ; R

c

= 1 100 bars, vitess e

du son : 5 900 m/s ; Deval = 7 ; LA = 25.

C ela ne peut s'expliquer que par la structure enche

vtre des cristaux dans les laitiers, ou par une

microfissuration plus intense de l'andsite comme le

montre la vitesse du son.

La plus petite porosit trouve est de 7 '%, qui cor

respond une rsistance la compres sion de 2 250

bars.

Rdig en septembre 1967

BIBLIOGRAPHIE

[1] W . F . B R C E - D en d a n c e o f f r a c t u r e s t r e n g t h o f rocks

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1 9 6 7

90