Déchets, Sciences & Techniques

N°59


Valorisation d’un mélange de cendres d’une centrale thermique et de scories d’aciérie dans les chaussées routières


Souad El Moudni El Alami, Mohamed Monkade et Khaled Lahlou

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Résumé

La zone industrielle de Jorf Lasfar d’El Jadida, dispose de plusieurs unités industrielles qui génèrent des volumes importants de sous-produits. Parmi ces unités, la centrale thermique JLEC, qui génère plus de 640 milles tonnes de résidus solides par an constitués de deux types de cendres : cendres de foyer et cendres volantes. Ces dernières sont valorisées dans les ciments alors que les cendres de foyer restent stockées en décharge et n’ont jamais été réutilisées.
A proximité de JLEC, l’aciérie Sonasid transforme de grandes quantités de ferraille pour produire quelques 800 milles à 1 million de tonnes de billettes d’acier et des milliers de tonnes de scories par an. En plus des coûts de transport et de stockage, les cendres de foyer de JLEC et les scories de Sonasid présentent une menace environnementale potentielle en l’absence de voie de valorisation viable.
Dans ce travail, nous présentons une caractérisation chimique et géotechnique des cendres de foyer de JLEC et des scories de Sonasid. En plus, nous montrons que le mélange de ces deux sous produits permet d’aboutir à des performances mécaniques intéressantes qui favorisent leur utilisation dans la couche de fondation d'une chaussée routière. Ce type de valorisation représenterait une alternative attrayante par rapport à leur mise en décharge.

Entrées d'index

Mots-clés : cendres de foyer, scories d’aciérie, valorisation, route, couche de fondation

Texte intégral

1. Introduction

Partout dans le monde, le problème des sous produits industriels se pose avec acuité. Les cendres à charbon et les scories d’aciéries métallurgiques sont parmi les déchets solides les plus produits. Leur production est en croissance continue et leur gestion présente un défit majeur auquel les pays industrialisés et ceux en voie de développement sont toujours confrontés. En effet, certains de ces déchets contiennent des éléments très dangereux vis-à-vis de l’environnement et de la santé humaine comme les métaux lourds. Malgré leur stockage en terrils, la lixiviation des métaux contenus dans ces déchets vers les sols et les eaux environnantes pose un sérieux risque environnemental. Devant cette situation plusieurs efforts ont été déployés pour la recherche des voies de valorisation de ces sous produits, permettant d’une part l’économie des coûts de mise en décharge et d’autre part la limitation de la dégradation des milieux environnants. Aujourd’hui, dans plusieurs pays a travers le monde [1, 2] les cendres à charbon sont largement utilisées dans l’industrie du ciment comme ajouts minéraux ou dans les chaussées comme substituant aux granulats naturels [1]. Quand aux scories d’aciéries, elles sont dotées de caractéristiques mécaniques très importantes faisant d’eux un alternatif attrayant aux granulats naturels dans les chaussées routières. Chose qui permet d’augmenter la résistance des couches et de diminuer leurs épaisseurs [2]. De plus, certains pays européens utilisent les scories d’aciéries comme ballast en chemin de fer. Leur forme irrégulière et angulaire en fait une fondation stable et ferme. De plus leur résistance à l’usure minimise la dégradation causée par la circulation intense [2].

Au Maroc et précisément dans la zone industrielle de Jorf Lasfar, située à 15Km de la ville d’El Jadida, se trouvent la centrale thermique de Jorf Lasfar JLEC et l’aciérie de Sonasid. L’activité de ces deux unités industrielles engendre de grandes quantités de déchets solides. Pour produire de l’électricité couvrant plus de 60 % du besoin du royaume, la centrale thermique JLEC utilise le charbon comme combustible principal. Cette combustion n’est pas complète et engendre plus de 640 milles tonnes par an de résidus solides constitués des cendres volantes et des cendres de foyer (CF). Les cendres volantes sont aujourd’hui valorisées dans les ciments, alors que les CF continuent à être stockées dans de grandes carrières. L’aciérie de Sonasid, quand à elle, recycle des quantités énormes de ferrailles pour produire plus de 800 milles tonnes de billettes d’acier, engendrant environ 100 000 tonnes de scories par an [2]. En l’absence de site de stockage et de voie de valorisation à l’échelon national, les scories de cette aciérie représentent une menace environnementale potentielle. Toutefois, la caractérisation de ces scories montre qu’elles détiennent des performances mécaniques importantes et des caractéristiques excellentes en termes de résistance et de durabilité. Ces propriétés peuvent être exploitées dans certains domaines, notamment le secteur routier.

Dans le présent travail, les CF de JLEC ainsi que les scories de l’aciérie Sonasid ont fait l’objet d’une caractérisation complète. Des mélanges à base de ces deux sous produits ont, par la suite, été testés. L’approche expérimentale adoptée pour la détermination des différents pourcentages du mélange ainsi que l’optimisation des résultats, est la méthodologie des plans d’expériences. Les résultats obtenus permettront de juger de la possibilité de valoriser le mélange CF- Scories dans la chaussée routière.

2. Matériaux utilisés

2.1. Provenance

Les CF utilisées au cours de cette étude sont produites dans la Centrale Thermique de Jorf Lasfar (JLEC) suite à la combustion d’un charbon Afrique de Sud. Afin de diminuer leur teneur en eau mais aussi pour stabiliser les processus de lixiviation les CF de JLEC ont subi une période de maturation à l’air libre pendant trois semaines. Quand aux scories elles sont récupérées après 3mois de maturation à l’intérieur de l’aciérie Sonasid. Cette période est supposée suffisante pour atteindre leur stabilité dimensionnelle et éviter leur gonflement pendant la valorisation dans la chaussée. Pour les besoins de cette étude, les CF de JLEC et les scories de Sonasid ont été écrêtées à 20 mm.

2.2. Caractéristiques chimiques des CF de JLEC et des scories de l’aciérie Sonasid

Les compositions chimiques des CF et des scories ont été établies par la technique de fluorescence X. Les résultats de cette analyse sont reportés sur le tableau 1. On constate que les CF de JLEC sont riches en SiO2, et Al2O3, et contiennent Fe2O3, leur teneur en CaO est très faible ce qui permet de les classer parmi les cendres de classe F (silicoalumineuses) [3]. Les scories de l’aciérie Sonasid contiennent également les éléments cités pour les CF mais se distinguent surtout par une grande teneur en CaO (44,7 %). Cette dernière caractéristique laisse prévoir une accélération des réactions pouzzolaniques, au niveau des mélanges CF- Scories.

Tableau 1 : Composition chimique des cendres de foyer de JLEC et des scories de Sonacid

Elément chimique

SiO2

Fe2O3

Al2O3

CaO

MgO

Na2O

K2O

PbO

SO3

CaO libre

PAF

CF (%)

50

9,7

24,3

2,14

1,09

0,41

2,2

0,01

1,87

0,29

6,48

Scories

13,55

23,4

6,25

44,7

4,16

0

2,2

0,01

0,62

0,96

0,96

2.3. Composition minéralogique des CF de JLEC et des scories de l’aciérie Sonasid

Les compositions minéralogiques des CF (figure 1) et des Scories (figure 2) ont été établies par la diffraction à rayon X.

Le diffractogramme de la figure 1 montre que les CF présentent deux pics, le premier correspondant au quartz et le deuxième à la mullite. Ce résultat montre notamment un Hallo non prononcé mais caractéristique d’une texture vitreuse potentiellement réactive. Ces résultats concordent avec ceux obtenus sur des CF étudiées au Brésil [3]

La figure 2 montre que les phases minéralogiques présentes dans les scories sont C2S, C2F, et FeO. Ces résultats sont en accord avec ceux obtenus sur des scories en Europe [2] et qui sont largement valorisées dans le domaine routier [2,3].

Image1

Figure 1 : Composition minéralogique des Cendres de Foyer (CF) de JLEC

Image2

Figure 2 : Composition minéralogique des Scories de l’aciérie Sonasid

2.4. Caractérisation physique des CF et des Scories

- Forme extérieure et densité

La forme extérieure des CF est assimilable à celle du sable gris propre. Leur masse volumique absolue est faible et ne dépasse pas 1,76 kg/l. Les scories utilisées se caractérisent par une forme extérieure semblable aux granulats naturels et une masse volumique supérieure à 3,3 kg/l.

- Propreté des CF et des scories

La propreté des CF et des scories est établie par l’essai au bleu de méthylène (VBS) qui fait l’objet de la norme NFP 18 -592 [4]. La valeur au bleu de méthylène enregistrée pour les CF est de 0,5, quant au VBS des Scories, il ne dépasse pas 0,1. Ces deux valeurs renseignent sur une faible sensibilité à l’eau et encouragent l’utilisation de ces deux matériaux dans le domaine routier.

3. Compactage du mélange CF- Scories

Dans le but d’améliorer les caractéristiques des CF, celles-ci ont été mélangées avec les scories de l’aciérie Sonasid possédant des caractéristiques chimiques, physiques et géotechniques très encourageantes pour une éventuelle valorisation. Cette étude, a été menée par la démarche des plans d’expériences [6] qui permet à la fois la minimisation des nombres d’essais et l’optimisation des résultats. Les essais réalisés consistent à compacter, dans des moules Proctor modifié (h = 15 cm R =7 cm), différents mélanges de CF-scories, amenés à différentes teneurs en eau. Une fois compactées, certaines éprouvettes sont soumises au poinçonnement pour la détermination de la portance CBR direct. Le reste des éprouvettes est soumis à l’imbibition pendant 7 jours pour mesurer la valeur du gonflement. Ces dernières éprouvettes ont été ensuite soumises au poinçonnement afin de déterminer leur CBRhumide. Les éprouvettes destinées au contrôle de la résistance en compression Rc, ont particulièrement subit le murissement pendant 3 mois dans un milieu humide à température de 20° C avant les tests d’écrasement.

4. Présentation des résultats expérimentaux

Le plan d’expérience adopté pour la réalisation des mélanges CF-Scories est un plan composite centré. Les facteurs considérés sont les pourcentages d’eau et de Scories. Les quantités des CF et des scories vérifient l’équation suivante : ∑ (% cendres de foyer+ %Scories) = 100 %.

Les essais proposés par le modèle ainsi que les résultats moyens obtenus sont donnés sur le tableau 2. Chaque résultat représente la moyenne de 3 essais.

Tableau 2 : Résultats moyens des essais réalisés sur le mélange CF-Scories

Niveaux des facteurs

Réponses moyennes

Essai

CF (%)

Scories (%)

Eau (%)

Rc90 Jours (MPa)

Gonflement (%)

CBR Sec (%)

CBR Humide (%)

1

70,29

29,71

11,85

0,62

0,054

93,32

121,45

2

47,72

52,28

11,85

1,13

0,2

93,3

175,7

3

70,29

29,71

16,15

0,76

0,11

99,27

173,33

4

47,72

52,28

16,15

1,27

0,016

109,6

234,3

5

74,91

25,09

14

0,48

0,2

127,49

112

6

43

57

14

1,6

0,02

113,2

296

7

59

41

10,97

0,61

0,2

93

128,6

8

59

41

17,03

1

0,23

83,4

160

9

59

41

14

1,1

0,002

104,8

253,7

10

59

41

14

0,97

0,02

99

231

4.1. Analyse des résultats

Les résultats obtenus montrent que l’influence des scories et très significative sur la résistance à la compression, sur le gonflement et sur la portance du mélange. La résistance en compression du mélange CF-Scories augmente en fonction des pourcentages des scories ce qui est en toute vraisemblance dû à la présence de la chaux dans la composition des scories. Le CBR sec apu atteindre des valeurs énormes qui dépassent ceux obtenus lors du traitement des CF à la chaux [7]. La même remarque est avancée pour le CBR humide qui a, contrairement aux granulats naturels, connu une nette amélioration. Par ailleurs, le gonflement a légèrement augmenté avec le pourcentage en scories. Toutefois les valeurs enregistrées sont très faibles par rapport à ceux exigées pour une éventuelle utilisation dans le domaine routier [8].

4.2. Optimisation des résultats

Au sens de la méthodologie des plans d’expériences, chaque résultat est considéré comme réponse. La modélisation de ces réponses étudiées s’effectue par le logiciel DESIGN EXPERT 6. Pour chaque réponse on procède tout d’abord à la recherche du modèle qui convient, puis on passe à l’analyse de la variance et on termine par l’aboutissement à un modèle mathématique qui associe chaque réponse aux facteurs influents. L’ensemble des équations présentant les quatre réponses en fonction des paramètres significatifs est reporté sur le tableau 3. Les lettres E et S indiquent, respectivement, les pourcentages de l’eau et des scories.

Tableau 3 : équations de modélisation des quatre réponses

Rc900,42

= - 0,78 + 0,01 S + 0,17E – 5,54 10 -3E2

CBR-1.53

= 2.73 10-3 +10-5 (4.68 S -39,2 E-3.4 10-2 S 2+1.55 E2 -0,13 SE)

G0.25

= 3,74 + 0,01 S – 0,51 E + 4,84 10-4 S2 + 0,02 E2 – 4,17 10-3 S E

CBRHumid -0.73

= 0,18 – 1,67 10-3 S – 1,65 10-2 E + 1,21 10-5 S2 + 5,15 10-4 E2 + 2,71 10-5 E S

4.3. Formulation optimale

Tenant compte des exigences de l’utilisation d’un matériau dans les chaussées routières et particulièrement en couche de forme et de fondation, les modèles obtenus nous permettent de proposer une formulation optimale qui prend en considération les exigences suivantes :

  • Les valeurs de Rc90, CBR, et CBRHumide maximales.

  • Une valeur de gonflement minimale.

Le tableau 4 représente la formulation optimale obtenue pour les différents paramètres.

Tableau 4 : Formulation optimale du mélange CF-Scories

Dosage en Scories (%)

52,3

Dosage en eau (%)

16,2

Rc90 (MPa)

1,3

Indice CBR (%)

104

Gonflement (%)

0,01

Indice CBR après immersion (%)

253

5. Utilisation du mélange CF-Scories en couche de fondation d’une chaussée

Au vu de la raréfaction des matériaux routiers qui touche de plus en plus la région Doukkala-Abda, en plus des risques environnementaux liés à la mise en décharge des CF et des scories, l’opportunité de valorisation de ces sous-produits dans le corps des chaussées de la zone rurale autour de la ville d’El Jadida serait très profitable. Par référence au catalogue national des structures types de chaussées neuves [9], les deux structures de chaussée ci-dessous seraient équivalentes :

RS bicouche

20 cm GNB

20 cm GNF2

10 cm AC

Figure 3 : Variante de chaussée conventionnelle

RS bicouche

20 cm GNB

30 cm CFS

10 cm AC

Figure 4 : Variante de chaussée à base de CFS

Avec AC : Couche anti-contaminante, GNF2 : Grave non traité pour couche de fondation type 2, GNB : Grave non traité pour couche de base, RS : Revêtement superficiel, CFS : mélange CF- Scories

Tenant compte des prix des matériaux utilisés dans les deux variantes, ainsi que ceux liés au transport, la comparaison entre les coûts des deux structures de chaussée, montre que l’utilisation des CFS comme substituant des GNF2, permet de diminuer le coût de mise en place de la chaussée de 77 % pour des chantiers distants de 15km de la zone industrielle de Jorf Lasfar. Pour des distances inferieurs à 15 Km, la diminution du prix de la chaussée devient encore plus importante.

6. Conclusions

L’objectif de cette étude expérimentale était de faire une caractérisation complète des cendres de foyer (CF) de JLEC et des scories de l’aciérie Sonasid afin de pouvoir juger de la possibilité de leur valorisation dans le domaine routier. Les résultats établis permettent de conclure :
1- Les CF de JLEC et les scories de l’aciérie Sonasid sont dotées de caractéristiques très intéressantes en matière des compositions physico-chimiques et de propreté. Les scories de Sonasid sont particulièrement riches en chaux ce qui laisse prévoir des bonnes performances de résistance en compression.

2- La résistance en compression Rc90 des éprouvettes à base de CF-Scories augmente avec le pourcentage des scories. La valeur de la résistance a pu atteindre 1,6 MPa pour 57 % de scories. Cette valeur peut être due à la teneur en chaux des scories qui favorise les réactions pouzzolaniques.
3- La densité et la portance à sec et humide sont grandement améliorées par le mélange des CF avec les Scories. De plus, ces améliorations sont accompagnées par la réduction du gonflement, qui représente un point très positif pour l’utilisation du mélange dans le domaine routier.

4- La variante CFS dont la couche de fondation est réalisée à base du mélange CF-Scories présente une alternative très économique par rapport à la variante conventionnelle contenant des GNF2. Pour des distances de 15km de la zone industrielle de Jorf Lasfar, la variante à base CFS fait diminuer le coût de mise en œuvre de la chaussée de plus de 77 % du prix de la variante conventionnelle.

Cette étude nous a permis de mettre en relief les caractéristiques géotechniques des CF de JLEC et des Scories de l’aciérie Sonasid, qui n’ont jamais été valorisées à l’échelle nationale. Leur mélange a permis d’améliorer les performances des CF en matière de densité, de résistance et de portance. En plus de son intérêt économique, cette valorisation présente une alternative très efficace à la solution de mise en décharge, en termes de limitation des risques environnementaux auxquels la région Doukkala-Abda ne cesse d’être confrontée depuis la mise en place du grand pôle industriel de Jorf Lasfar.

Bibliographie

[1] American Coal Ash Association (AACA). 2007 et 2008 Applications, Science and Sustainability. Disponible à www.worldofcoalash.org

[2] Medkore. Z, Valorisation des Scories dAciérie Electrique dans le domaine routier 2005. Ecole Hassania des Travaux Publics. Casablanca.Maroc.

[3] Cheriaf, J. Cavalcante Rochaa, J. Pérab, Pozzolanic 1999. Properties of pulverized coal combustion bottom ash. Cement and Concrete Research, 1387–1391.

[4] Dupin. R, Lanchon R, Saint-Arromain J.C. 1995. Granulats, Sols, Ciments et Bétons. Caractérisation des Matériaux de Génie Civil par les Essais de Laboratoire. Casteilla. 235 pages.

[5] Direction des Routes et de la Circulation Routière. 2002. Guide Marocain pour les Terrassements Routier, Fascicule 1. Royaume du Maroc. Ministère de l’Equipement. Rabat. 106 pages.

[6] Linder R, 2005, Les plans d’expériences : Un outil indispensable à l’expérimentateur. Presses de l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées. Collection du Laboratoire Centrale des Ponts et Chaussées. Paris

[7] Mhimra Y, El Youssoufi M. 2008. Valorisation des Cendres de Foyer de la Centrale Thermique de Jorf Lasfar (JLEC) dans le domaine routier. Ecole Hassania des Travaux Publics. Casablanca Maroc. 94 pages

[8] Laboratoire Centrale des Ponts et Chaussées. 2000. Traitement Des Sols A La Chaux Et/Ou Aux Liants Hydrauliques. Application à la réalisation des remblais et des couches de forme, SETRA. 240 pages. Paris

[9] Direction des Routes et de la Circulation Routière. 1995. Catalogue des Structures Types de Chaussées Neuves 85 pages. Royaume du Maroc. Ministère de l’Equipement. Rabat. Maroc.

Pour citer ce document

Référence papier : Souad El Moudni El Alami, Mohamed Monkade et Khaled Lahlou « Valorisation d’un mélange de cendres d’une centrale thermique et de scories d’aciérie dans les chaussées routières », Dechets sciences et techniques, N°59, 2011, p. 3-8.

Référence électronique : Souad El Moudni El Alami, Mohamed Monkade et Khaled Lahlou « Valorisation d’un mélange de cendres d’une centrale thermique et de scories d’aciérie dans les chaussées routières », Dechets sciences et techniques [En ligne], N°59, mis à jour le : 02/04/2015, URL : http://lodel.irevues.inist.fr/dechets-sciences-techniques/index.php?id=2825, https://doi.org/10.4267/dechets-sciences-techniques.2825

Auteur(s)

Souad El Moudni El Alami

Université Chouaib Doukkali, Faculté des Sciences, El Jadida, Maroc

Mohamed Monkade

Université Chouaib Doukkali, Faculté des Sciences, El Jadida, Maroc

Khaled Lahlou

Ecole Hassania des Travaux Publics, Casablanca, Maroc
Université Chouaib Doukkali, Faculté des Sciences, El Jadida, Maroc