B U L L E T I N of the International Association of ENGINEERING GEOLOGY N ~ 3 0 de I'Assocation }nternationale de GEOLOGIE DE L'INGENIEUR PARIS 1984 l

U T I L I S A T 1 O N D E S S C O R I E S LD E N T E C H N I Q U E ROUTIERE

I N V E S T I G A T I O N O F LD S L A G S F O R U S E IN R O A D C O N S T R U C T I O N

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 permet tent 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 exprr imentaux - en br ton bi tumineux et enduits superficiels - utilisant des scories traitres soit par vieillissement h l'air, soit par immersion dans l 'eau en comparaison avec des matrr iaux 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 diminut ion de cette diffrrence.

Abstract

The use of LD slags as aggregate for surface dressings, bi tuminous 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 condit ions 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.

I n t r o d u c t i o n

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 ' rvi ter leur accumulation inesthrtique et insalubre, d'abaisser le coot de la construction routirre, de minimiser la consommat ion 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 f inancement conjoint de la Direction des Routes et de la Communaut6 Europrenne du Chaxbon et de l 'Acier (C ~E.C.A.).

Les S c o r i e s 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 hrmati tes . 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 ' r t re repris, stock6 et concassr.

2) Composit ion chimique et minrralogique

Les principaux constituants des scories sont : - C a O (40 50%), - S i O 2 (7 b. 18%), - F e (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 t u d e s pr61iminai res

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'apparit ion

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

E l a b o r a t i o n des m a t 6 r i a u x p o u r les e x p 6 r i m e n t a t i o n s

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 bi tumineux 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.

Chan t i e r s e x p 6 r i m e n t a u x

1) B6tons bitumineux

Six chantiers exp6rimentaux o n t 6t6 r6alis6s en Juillet 1978 sur un itindraire 5. trafic To.

Les deux types de scories vieillies ont ~t6 utilis~s ainsi qu'un prophyre comme r~f~rence. Quatre compositions ont ~t6 retenues ; un bdton bi tumineux BB 0/10 turn ~ base dc porphyre clout6 par des scories 10/14 mm vieiUies dans l'eau, un Mton bitumineux BB 0/14 mm tout scories, un Mton bitumineux BB 0/14 turn mixte (sable de porphyre, gravillons de scories), un b~ton bitumineux BB 0/14 mm tout polphyre (t6moin).

Les contr61es de fabrication o n t montr6 des variations dans les formulations surtout en ce qui concerne les frees et le bitume. I1 en est r~sult6 des h6t~rog~n6it6s sur le chantier qui se traduisent par une succession de zones lisses et rugueuses.

Les suivis des chantiers exp6rimentaux de b6tons bitumineux ont dt~ effectu~s en Ao~t 1978, Mai 1979, Juillet 1980 et Mai 1981.

Apr~s trois arm6es de circulation, les coefficients de frotte-

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ment longitudinal (C.F.L.) & 40 km/h sur la voie lente sont du m6me ordre pour les quatre planches de BB 0/14 mm scones, ldg6rement infdrieurs cependant ~ ceux de la plan- che en BB 0/14 mm porphyre, ces derniers dtant infdrieurs

ceux de la planche en BB cloutd. Le polissage des gra- villons de scones qui est net tement visible explique Ie niveau bas des C.F.L.

A 110 km/h sur la voie lente, les constatations prdcddentes sont & conserver, seule la planche en BB 0/14 mm scones eau, ressort par son meilleur C.F.L., influencd par une pro- fondeur au sable plus dlevde que celle des autres planches en BB 0/14 ram.

Le suivi visuel et photographique fait apparaitre un polis- sage gdn6ralis6 des granulats de scories dans les bandes de roulement. On ne constate ni orni6rage sur les relevds de profils en travers, ni ddgradations.

2) Enduits superficiels

Sept chantiers exp6rimentaux en enduits superficiels ont 6t6 r6alisds en Septembre 1978 sur un itin6raire & trafic To.

Les formulations ont fait intervenir les scories vieillies dans I'air et darts l 'eau, ainsi qu 'un porphyre comme r6f6- rence. Les gravillons de scories 6talent associ6s en technique monocouche double gravitlonnage, d'abord avec un b imme goudron, puis avec un b imme flux6 ; en technique bicouche, le liant utilis6 6tait l '6mulsion de bitume, Le mat6riau de r6f6rence 6talt, en monocouche double gravillonnage, associ6 avec le bitume goudron.

Les contrOles de mise en oeuvre font apparaitre des r6sultats

assez proches de ce qui 6tait souhait6 en ce qui concerne les quantit6s de liant et de granulats r6pandus.

Les suivis des chantiers exp6rimentaux d 'enduits superfi- ciels ont 6t6 effectu6s en Novembre 1978, en Mai 1979, en Juin 1980 et en Jui/tet 1981.

Apr~s trois ans de circulation, les r6sultats de C.F.L. & 40 km/h et & 90 km/h sont du m6me ordre de grandeur pour les six planches qui ont encore un niveau de service satis- faisant. Quelques d6gradations li6es aux d6parts de gra- villons sont apparues rapidement puis se sont stabilisdes, sauf pour la planche en 6mulsion d e bitume-scories eau, pour laquelle le suivi a dfi 6tre abandonn6. Comme pour les planches en b6ton b immineux on note un polissage g6n6ralis6 des granulats de scones dans les bandes de rou- lement.

Cette rdsistance insuffisante au polissage des scories LD ressort comme l'61~ment & am61iorer af'm que les scones LD puissent, apr~s un vieillissement suffisant, ~tre utilis6es sans d6rogation quel que soit le trafic consid6r~.

Bibliographie

It ] JON M., RIBOUD P, (1972) : Influence des propridt6s physiques de la chaux sur sa rdactivit~ vis-&-vis d'une scorie d'aei6rie, R. de mdtallurgie, F~v., p. 93-115.

[2]STONE J.K., ~,IICFIAELIS E.M. (1981) : Worldwide LD steel- making capacity shows pause, Iron and steel Engineer, Mai, 58, n. 5, p. 56-61.

[3 ]TRENTINI B., DECAMPS G., RAGUIN J. (1967) : Affinage de la fonte & l'oxyg~ne put, Techn. ing., M. 1895.