5.2 Utilisation des scories comme agrégat dans le béton

Les scories de FAE contiennent une faible proportion de silicium amorphe et une forte proportion d’oxyde de fer. Il a peu ou pas d’activité pouzzolanique par rapport au laitier de haut fourneau, ce qui le rend impropre à l’utilisation comme additif au ciment. La grande dureté du laitier d’acier a conduit à le considérer comme un agrégat dans le béton. De nombreuses études ont été menées pour explorer cette possibilité.

En , le laitier d’acier a été utilisé pour remplacer une partie d’une fraction d’agrégat fin, dans laquelle le sable siliceux (s’élevant à 15%, 30% ou 50%) ou la fraction fine a été complètement remplacée par le laitier. Dans tous les mélanges, le granulat grossier était du calcaire. L’influence du pourcentage de laitier sur les propriétés du béton frais et durci dans les classes de résistance de 25, 35 et 45 MPa a été étudiée. Comme prévu, en raison de la densité plus élevée du laitier d’acier par rapport au granulat naturel, une augmentation de la teneur en laitier a augmenté la densité du mélange de béton frais de 5 à 20 % par rapport au béton conventionnel. C’est l’une des caractéristiques les plus importantes du béton de laitier d’acier. En outre, à mesure que la part de laitier dans le béton augmentait, sa consistance diminuait.

En ce qui concerne la résistance à la compression, le remplacement des granulats fins par du laitier jusqu’à 50 % a permis d’obtenir des valeurs de résistance à la compression approximativement identiques, voire supérieures, à celles du béton de référence, tandis que le béton composé uniquement de granulats de laitier présentait une résistance à la compression inférieure . L’effet positif du laitier sur la résistance à la compression du béton était plus prononcé dans les classes de résistance inférieures. L’influence du laitier sur la résistance à la traction était plus prononcée que son effet sur la résistance à la compression. En d’autres termes, l’augmentation de la teneur en laitier dans la masse totale des granulats a augmenté la résistance à la traction du béton. L’effet positif du laitier sur la résistance à la traction était également plus prononcé dans les classes de résistance inférieures du béton. Le remplacement des granulats naturels par du laitier a permis d’obtenir une résistance à la traction 1,4 à 2,4 fois supérieure et une résistance à la compression jusqu’à 1,3 fois supérieure (avec 15 % de granulats de laitier). La cause de la diminution de la résistance à la compression avec plus de 50 % de granulat de laitier s’est avérée être due à la finesse du laitier par rapport au sable. En particulier, l’augmentation de la quantité de laitier dans le béton accroît la quantité totale de matériau finement broyé. Il faut donc un ciment qui enrobe les grains. En éliminant les quantités excessives de particules fines dans le laitier, on a constaté un effet très positif sur la résistance à la compression à tous les stades de maturation du béton.

En , on a étudié l’effet du remplacement d’une fraction des granulats grossiers du béton par du laitier. Tous les mélanges testés ont été réalisés avec la même quantité de ciment et avec le même rapport eau-ciment. On a comparé la résistance à la compression, la vitesse d’impulsion des ultrasons, l’absorption et la corrosion d’un mélange dont la proportion de laitier dans les fractions grossières était de 45%, 50%, 55%, 60% et 65% du poids total de l’agrégat avec le béton de référence avec du calcaire (avec un rapport grossier/fin de 60:40). L’augmentation de la part de laitier dans la masse totale des agrégats a permis d’augmenter également la résistance à la compression et à la traction du béton. Avec le même rapport de granulats grossiers et fins (60:40), le béton de laitier a obtenu une résistance à la compression légèrement supérieure et une résistance à la traction légèrement inférieure par rapport au béton de référence. L’absorption et la porosité du mélange diminuent avec l’augmentation de la part de laitier, ce qui suggère de meilleures propriétés de durabilité pour ce type de béton. La vitesse d’impulsion des ultrasons augmente avec l’augmentation de la portion de laitier, suggérant un module d’élasticité plus important du béton avec du laitier comme agrégat par rapport au béton de référence.

Une réduction de la résistance à la compression et de la vitesse d’impulsion des ultrasons après l’exposition aux variations thermiques pendant 60 cycles a également été observée. Un cycle consistait à exposer les échantillons à 70°C pendant 8 h et à 25°C pendant 16 h. La diminution de la résistance à la compression pendant la variation thermique a été réduite avec l’augmentation de la portion de granulat de laitier dans le mélange. L’effet de la variation thermique sur la vitesse d’impulsion des ultrasons (et donc sur le module d’élasticité du béton) était moins prononcé dans le béton contenant du laitier que dans le béton de référence. Bien que l’augmentation de l’absorption due aux variations thermiques ait été plus prononcée dans les mélanges contenant du laitier que dans le béton de référence, l’absorption du béton contenant du laitier était certainement moindre après les cycles thermiques que l’absorption du béton de référence . Dans le même article, la possibilité d’une action corrosive des granulats sur l’acier a également été étudiée. Une augmentation substantielle de la résistance à la corrosion de l’acier construit dans un béton contenant du laitier par rapport au béton de référence a été trouvée, et la corrosion de l’acier était plus retardée avec l’augmentation de l’agrégat de laitier.

Lors de l’analyse de l’influence de l’agrégat de laitier d’acier sur les caractéristiques mécaniques du béton (c’est-à-dire la résistance à la compression et à la traction), la zone de transition interfaciale (ITZ) entre les particules d’agrégat et la matrice cimentaire doit être considérée. Cette ZIT est considérée comme une zone de faiblesse du béton. Dans cette zone, l’apparition de micro-saignement autour des particules de granulats, la porosité et certaines caractéristiques microstructurelles dépendent de plusieurs facteurs, tels que la qualité et la taille des granulats, le rapport eau-ciment, le liant et l’âge du mélange. De plus, la morphologie (c’est-à-dire la qualité) de l’ITZ joue un rôle important dans la perméabilité et la durabilité du béton.

La présence de laitier d’acier EAF dans le béton crée une morphologie différente de l’ITZ. En particulier, une ZIT plus petite et moins creuse par rapport au béton de granulats de roche naturelle est le résultat de la lente migration du CaO du cœur des grains de laitier d’acier vers sa surface, ce qui entraîne l’évolution chimique du CaO en carbonate de calcium . En raison d’une ZIT plus forte dans le béton de laitier d’acier du FEA, comme le montrent les particules de granulat brisées sur la surface de rupture après les essais de rupture mécanique du béton, les résultats de la résistance mécanique du béton (compression et traction) sont améliorés. Cependant, comme le laitier d’acier a une texture poreuse avec de multiples fissures et crevasses, on peut s’attendre à une rupture sous des charges plus faibles. Afin de réduire l’impact de cette structure poreuse sur les caractéristiques de résistance du béton, les granulats de scories d’acier peuvent être prétraités par polissage dans une machine à abrasion de Los Angeles. Ce granulat grossier poli semble avoir une qualité améliorée, avec une surface plus lisse et une résistance à l’émersion des microfissures. Il en résulte une densité de surface sèche plus élevée et un taux d’absorption d’eau plus faible par rapport au granulat de laitier d’acier ordinaire non traité . Le traitement de polissage des granulats de laitier grossiers a également un impact sur les défaillances de fatigue du béton. Dans le cas d’un béton contenant des granulats de laitier non traités, on peut observer une fracturation des granulats, et la rupture par fatigue se termine dans le type de fracture des granulats. En revanche, dans un cas de granulat de laitier poli, la plupart des granulats sont sains et la rupture par fatigue se termine dans le type pelage d’interface entre la pâte et le granulat .

Les caractéristiques du granulat de laitier poli permettent d’améliorer les caractéristiques du béton telles que la résistance à la fatigue, la déformation, les émissions acoustiques et la dureté des matériaux sous des charges de fatigue en compression. L’autre moyen d’améliorer la qualité des granulats de laitier (en particulier l’ITZ) est un traitement de carbonatation accélérée des granulats de laitier d’acier. Ce processus de carbonatation est réalisé dans un réacteur de carbonatation qui a été scellé à 70°C et mis sous vide à -0,3 MPa . Ensuite, du CO2 a été introduit dans le réacteur jusqu’à ce que la pression atteigne 0,3 MPa. Ce processus a entraîné une modification de la structure des pores de l’agrégat. Il réduit l’occurrence des pores dont le diamètre est supérieur à 1 μm de 24,4% et augmente l’occurrence des pores dont le diamètre est inférieur à 1 nm de 67,9% .

Après la carbonatation, le taux d’absorption d’eau de l’agrégat de laitier d’acier a diminué, tandis que ses propriétés d’imperméabilité ont augmenté. Le rapport d’expansion du laitier d’acier est également réduit en raison de la réduction de la teneur en CaO libre. Pour comparer la résistance ITZ du béton avec des agrégats naturels et de laitier d’acier, la résistance du laitier d’acier carbonaté et de l’agrégat naturel a été comparée ainsi que la résistance à la compression du béton . Bien que la résistance à l’écrasement du granulat de laitier carbonaté soit inférieure à celle du granulat naturel, la résistance à la compression du béton de laitier a été améliorée. Lorsque la section transversale de l’échantillon de béton a été soumise à un test de résistance à la compression, les fissures ne sont pas passées par le milieu de l’agrégat mais ont voyagé autour du grain lui-même. Ainsi, l’ITZ du béton de granulats de scories d’acier carbonaté est plus solide et plus robuste que celui du béton de granulats naturels.

La carbonatation des granulats de scories a également un impact environnemental bénéfique – à savoir, la réduction du potentiel de lixiviation de certains éléments. Dans l’analyse des caractéristiques de lixiviation des agrégats de laitier d’acier inoxydable, on a constaté que Ca et Si étaient les éléments les plus sensiblement affectés par la carbonatation en raison des changements dans les phases minérales responsables du contrôle de la solubilité de ces éléments . La lixiviabilité du Cr, l’un des éléments les plus toxiques dans l’agrégat de scories, n’a pas semblé être affectée de manière significative par la carbonatation, bien que le Mo ait montré une certaine réduction de la lixiviation.