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Utilisation des scories LD en technique routiere

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Text of Utilisation des scories LD en technique routiere

  • BULLET IN of the International Association of ENGINEERING GEOLOGY N ~ 30 de I'Assocation }nternationale de GEOLOGIE DE L'INGENIEUR PARIS 1984 l

    UTIL ISAT1ON DES SCORIES LD EN TECHNIQUE ROUTIERE

    INVEST IGAT ION OF LD SLAGS FOR USE IN ROAD CONSTRUCTION

    PANIS A. *

    Rdsum6

    L'utilisation des scories LD comme ~anulats pour enduits superficiels et bdtons bitumineux, prdsente un int~rrt dans le cadre de la valorisation des sous-produits issus de la sidrrurgie.

    Les performances mdcaniques intrressantes des scories LD permettent d'envisager une utilisation mais la stabilit6 des matd- riaux pouvait 6tre mise en cause par la prrsence de silicate bicalcique sous la forme ~ mdtastable et de nodules de chaux rive.

    Les 6tudes entreprises en laboratoire ont permis de prrciser les conditions de traitement pour stabiliser le matrriau.

    Ces 6tudes ont dr6 poursuivies par la rralisation de chantiers exprrimentaux - en brton bitumineux et enduits superficiels - utilisant des scories traitres soit par vieillissement h l'air, soit par immersion dans l'eau en comparaison avec des matrriaux naturels.

    Le suivi de ces sections, soumises ~ un trafic important, montre une 6volution analogue des caractdristiques de surface quel que soit le mode de vieiUissement subi par les scories LD.

    La comparaison avec le matrriau naturel fait ressortir les meilleures caractrristiques de ce dernier apr~s la mise en oeuvre mais les effets de la circulation entrainent progressivement une diminution de cette diffrrence.

    Abstract

    The use of LD slags as aggregate for surface dressings, bituminous concrete, has an advantage within the upgrading of by- products coming from the iron and steel industry.

    The interesting mechanical performances of LD slags allow to use them in road courses, but the stability of the materials could be questionned by the existence of bicalcium silicate in the form/3 metastable and of inclusions of quicklime.

    The analysis executed in the laboratory could specify the conditions of processing to stabilize the material.

    The studies were carried on with the realization of tests on some road sections - in bituminous concrete and surface dressings - that use slags treated by air weathering or by immersion in water and compared with natural stone.

    The examination of these sections, subjected to an important traffic, shows a similar evolution of the surficial properties whatever the mode of weathering subjected by the LD slags may be.

    The comparison with the natural stones brings out the best properties of the last after paving but the effects of the traffic are followed gradually by a diminution of these differences.

    In t roduct ion

    Les capacitrs mondiales de production d'acier h l 'oxygrne pur pax le procrd6 LD qui augmentaient rrgulirrement, atteignent un palier /t partir des annres 1979 - 1980 ~t environ 520 millions de tonnes [2]. En Janvier 1981 la part de l 'Europe des neuf ressortait ~ 134 millions de tonnes, celle de la France 6tant de 16.84 millions de tonnes.

    Par voie de consequence, de grandes quantitrs de scories LD sont produites et leur rdutilisation en vue de diminuer ou de supprimer les pollutions et nuisances devient de plus en plus nrcessaire. Si le recyclage en haut fourneau con- somme une grande partie de scories, la part non utilisre est encore trrs importante.

    C'est donc darts un souci d'utiliser les drchets et sous produits afro d'rviter leur accumulation inesthrtique et insalubre, d'abaisser le coot de la construction routirre, de minimiser la consommation des ressources natureUes

    * Laboratoire des Ponts et Chauss~es - Nancy - 75, rue de la Grande Haie - 54510 Tomblaine - France.

    "nobles", qu'une 6tude pour la rCutilisation des scories LD en technique routi~re a 6t6 entreprise en collaboration avec la Socirt6 Usinor - Laitiernor, grfice A un financement conjoint de la Direction des Routes et de la Communaut6 Europrenne du Chaxbon et de l'Acier (C ~E.C.A.).

    Les Scor ies L.D.

    ~) ori~e Parmi les diffdrents proc~drs d'aff'mage de la fonte l 'oxygrne pur [3], le procrd6 LD a 6t6 mis au point vers les anndes 1950 en Autriche pour l'affmage des fontes hrmatites. I1 produit aussi un laitier qui est d'abord dryers6 dans une cuve ~t scories, puis darts une fosse o/t il se refroidit avant d'rtre repris, stock6 et concassr.

    2) Composition chimique et minrralogique

    Les principaux constituants des scories sont : -CaO (40 50%), -S iO 2 (7 b. 18%), -Fe (16 ~ 32%).

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    Les diffractogranunes de rayons X obtenus sur diff6rents 6chantiilons provenant de Dunkerque pr6sentent les tales :

    - d'orthosilicate de calcium (larnite) Ca2SiO4, de ferrite de calcium Ca 2 Fe2Os,

    - d'un oxyde de calcium et de fer CaO + 10% de FeO.

    3) Propddt6s physiques

    Au cours de l'affinage de la fonte, la dissolution de la chaux dans la scorie d'aci~rie est un phdnom~ne assez complexe qui d@end essentiellement de deux param~tres [ 1 ] :

    - les propri6tds de la chaux li6es 5. sa preparation ; - les conditions de son contact avec la scorie dans laquelle

    elle doit se dissoudre (temp6rature, composition).

    Des variations dans la conduite de l'affinage de la fonte et dans la qualitd de la chaux introduite font que la scorie LD contient parfois des quantit6s variables de chaux libre. Les 6chantillons franqais et allemands que nous avons analys~s en contenaient jusqu'~ 12 %.

    Cette chaux peut se rencontrer :

    - soit sous forme de nodules impr6gn6s ou non d'oxydes de fer et de mangan6se et enrob~s d'orthosilicate de calcium,

    - soit sous forme de cristaux d'une dimension de quelques microns uniformdment disperses dans la scorie.

    C'est l'hydratation de la chaux libre, sous forme de nodules, par l'eau percolant ~ travers la scorie qui entraine l'~clate- ment du granulat provenant de l'augmentation de volume li~ A l'extinction de la chaux.

    Apr~s avoir constat6 que des scories LD, utilisdes en techni- que routi6re ~taient 5. l'origine, dans certaines conditions d'utilisation et de trafic, d'apparitions de gonflements accompagn~s de l~g~res fissurations, nous avons essay6 d'une part de simuler en laboratoire les causes responsables de l'apparition de ces anomalies et d'autre part, de d~termi- ner le moyen de les ~liminer.

    E tudes pr61iminaires

    Le vieillissement des scories LD a 6t6 entrepris 5 deux tem- p6ratures : 20 et 40 degr6s centigrades.

    Les granulats concass~s en fractions granulaires 6/10 mm et 10/14 mm ont 6t6 stock6s ~ Fair libre ou immerg6s dans l'eau port6e aux temp6ratures pr6cis6es ci-dessus.

    Apr6s des dur6es de stockage variables, des 6prouvettes de b6ton bitumineux ont 6t6 r6alis6es avec ces granulats, et des compacit6s de l'ordre de 95 % ont dtd obtenues apr6s moulage suivant l'essai norrnalisd LCPC. Les 6prouvettes ont alors 6t6 immer#es darts une eau maintenue ~ 40 degr6s centigrades, et observ6es au cours du s6jour dans cette eau.

    Les fissurations constat6es sont tr~s importantes, surtout pour les 6prouvettes r6alis6es avec des granulats non vieillis. A l'origine de chaque fissure, nous avons rencontr6 un nodule de chaux plus ou moins teint6 qui n'avait pas 6t6 remarqu6 darts les granulats au cours de la pr6paration des 6prouvettes et qui pourtant avalt une dimension corn- prise entre 5 et 10 mm.

    I1 ressort de ces essais de vieillissement, que les scories LD sont neutralis6es vis-a-vis de leur aptitude ~t la cr6ation de fissures par gonflement, lorsqu'elles ont subi un traitement par immersion d'au moins 28 jours 5. 40 degr6s centigrades.

    Des vieillissements plus importants ~ Fair libre ou dans l'eau 20 degr6s centigrades diminuent la vitesse d'apparition

    des fissures et leur nombre, mais le traitement n'est pas suffisant pour ~liminer totalement ces ddgradations.

    E laborat ion des mat6r iaux pour les exp6r imentat ions

    Afro de tester deux conditions de stockage pour la prdpara- tion de grandes quantit6s de scories LD stabilis@s, nous avons compard le comportement de scories de m~me origine ayant subi un traitement diff6rent :

    - soit une stabilisation darts l'eau chaude, - soit un vieillissement 5. Fair libre (soumis aux conditions

    atmospMriques pendant une longue p~riode).

    Les mat~riaux (3600 tonnes environ) pour la r~alisation des chantiers exl~rimentaux ont 6t~ pr6par6s industriellement dans les granulom~tries 0/4 mm - 4/6.3 mm - 6.3/10 mm et 10/14 ram.

    Le vieillissement 5. l'air a seulement 6t6 rdalis~ sur les gra- villons r6partis en tas de deux m~tre de hauteur.

    Pour le vieillissement dans l'eau, une fosse de 1000 m 2 a dt~ creus~e et rendue dtanche. Les gravillons mis en tas ont dt6 recouverts d'eau chaude dont la temperature moyenne a ~t6 de 25 degr~s centigrades. La dur~e du vieillissement a ~t~ de six semaines.

    Les essais m~caniques effectu6s sur les gravillons au cours du vieillissement, n'ont pas montr~ d'~volution sensible des caract~ristiques, le coefficient de fragmentation dyna- mique est encore situs entre 8 et 11, le coefficient micro deval en pr6sence d'eau passe de 7 A 8 et le coefficient de polissage acc616r6 se maintient ~ 0,45. La teneur en chaux libre a tr~s l~g6rement diminu~ au cours des deux traite- ments, passant de 8 % 5. 7 %.

    Les ~prouvettes de b~ton bitumineux r~alis6es au fur et 5. mesure du vieillissement et immerg6es dans l'eau 5. 40 degrds centigrades pr~sentent un gonflement et une fissuration r~duits 5. partir de 60 jours de traitement des gravillons dans l'eau.

    Par contre, le vieillissement ~ Fair ne modifie pas le com- portement des 6prouvettes qui gonflent et se fissurent d'une faqon analogue /l celle qui 6tait obtenue avec des granulats non vieiUis.

    Chant iers exp6r imentaux