Trottoirs
Faits sur les Cendres Volantes pour les Ingénieurs de la Route
Chapitre 1 – Cendres Volantes – Un Matériau d’Ingénierie
- Pourquoi les Cendres Volantes?
- Production
- Manipulation
- Caractéristiques
- Qualité des Cendres volantes
Pourquoi les cendres volantes?
Qu’est-ce que les cendres volantes? Les cendres volantes sont les résidus finement divisés résultant de la combustion du charbon pulvérisé et transportés de la chambre de combustion par les gaz d’échappement. Plus de 61 millions de tonnes métriques (68 millions de tonnes) de cendres volantes ont été produites en 2001.
D’où viennent les cendres volantes ? Les cendres volantes sont produites par des centrales électriques et à vapeur alimentées au charbon. En règle générale, le charbon est pulvérisé et soufflé avec de l’air dans la chambre de combustion de la chaudière où il s’enflamme immédiatement, générant de la chaleur et produisant un résidu minéral fondu. Les tubes de la chaudière extraient la chaleur de la chaudière, refroidissant les gaz de combustion et provoquant le durcissement des résidus minéraux fondus et la formation de cendres. Les particules de cendres grossières, appelées cendres de fond ou scories, tombent au fond de la chambre de combustion, tandis que les particules de cendres fines plus légères, appelées cendres volantes, restent en suspension dans les gaz de combustion. Avant d’évacuer les gaz de combustion, les cendres volantes sont éliminées par des dispositifs de contrôle des émissions de particules, tels que des précipitateurs électrostatiques ou des filtres à manches en tissu filtrant (voir Figure 1-1).
Où les cendres volantes sont-elles utilisées? Actuellement, plus de 20 millions de tonnes métriques (22 millions de tonnes) de cendres volantes sont utilisées chaque année dans diverses applications d’ingénierie. Les applications typiques d’ingénierie routière comprennent: béton de ciment Portland (PCC), stabilisation du sol et de la base de la route, remplissages fluides, coulis, remblais structuraux et remplisseur d’asphalte.
Qu’est-ce qui rend les cendres volantes utiles? Les cendres volantes sont le plus couramment utilisées comme pouzzolane dans les applications PCC. Les pouzzolanes sont des matériaux siliceux ou siliceux et alumineux qui, sous une forme finement divisée et en présence d’eau, réagissent avec l’hydroxyde de calcium à des températures ordinaires pour produire des composés cimentaires.
La forme sphérique unique et la distribution granulométrique des cendres volantes en font une bonne charge minérale dans les applications d’asphalte mélangé à chaud (HMA) et améliore la fluidité du remplissage et du coulis coulables. La consistance et l’abondance des cendres volantes dans de nombreuses régions offrent des possibilités uniques d’utilisation dans les remblais structurels et d’autres applications routières.
Avantages environnementaux. L’utilisation des cendres volantes, en particulier dans le béton, présente des avantages environnementaux importants, notamment: (1) l’augmentation de la durée de vie des routes et des structures en béton en améliorant la durabilité du béton, (2) la réduction nette de la consommation d’énergie et des émissions de gaz à effet de serre et d’autres émissions atmosphériques indésirables lorsque des cendres volantes sont utilisées pour remplacer ou déplacer le ciment fabriqué, (3) la réduction de la quantité de produits de combustion du charbon qui doivent être éliminés dans les décharges, et (4) la conservation d’autres ressources et matériaux naturels.
Figure 1-1: La méthode de transfert des cendres volantes peut être sèche, humide ou les deux.
Production
Les cendres volantes sont produites par la combustion du charbon dans des chaudières électriques ou industrielles. Il existe quatre types de chaudières à charbon de base: les chaudières à charbon pulvérisé (PC), à grille chauffante ou mobile, à cyclone et à combustion à lit fluidisé (FBC). La chaudière PC est la plus utilisée, en particulier pour les grandes unités de production électrique. Les autres chaudières sont plus courantes dans les installations industrielles ou de cogénération. Les cendres volantes produites par les chaudières FBC ne sont pas prises en compte dans ce document. Les cendres volantes sont capturées des gaz de combustion à l’aide de précipitateurs électrostatiques (ESP) ou dans des collecteurs de tissu filtrant, communément appelés filtres à manches. Les caractéristiques physiques et chimiques des cendres volantes varient selon les méthodes de combustion, la source de charbon et la forme des particules.
| Millions De Tonnes Métriques | Millions De Tonnes Courtes | Pour Cent | |
|---|---|---|---|
| Produit | 61,84 | 68,12 | 100.0 |
| Utilisé | 19,98 | 22,00 | 32,3 |
Comme indiqué dans le tableau 1-1, des 62 millions de tonnes métriques (68 millions de tonnes) de cendres volantes produites en 2001, seulement 20 millions de tonnes métriques (22 millions de tonnes), soit 32% de la production totale, ont été utilisées. Voici une ventilation des utilisations des cendres volantes, dont une grande partie est utilisée dans l’industrie des transports.
| Millions De Tonnes Métriques | Millions De Tonnes Courtes | Pour Cent | |
|---|---|---|---|
| Ciment / béton | 12,16 | 13,40 | 60,9 |
| Remplissage fluide | 0,73 | 0,80 | 3,7 |
| Remplissages structurels | 2,91 | 3,21 | 14,6 |
| Base routière / Sous-base | 0,93 | 1,02 | 4,7 |
| Modification du sol | 0,67 | 0,74 | 3.4 |
| Mineral Filler | 0.10 | 0.11 | 0.5 |
| Mining Applications | 0.74 | 0.82 | 3.7 |
| Waste Stabilization /Solidification | 1.31 | 1.44 | 6.3 |
| Agriculture | 0.02 | 0.02 | 0.1 |
| Miscellaneous/Other | 0.41 | 0.45 | 2.1 |
| Totals | 19.98 | 22.00 | 100 |
Manutention
Les cendres volantes collectées sont généralement transportées pneumatiquement depuis les trémies de tissu ESP ou de filtre vers des silos de stockage où elles sont maintenues au sec en attendant leur utilisation ou un traitement ultérieur, ou vers un système où les cendres sèches sont mélangées à de l’eau et transportées ( écluse) à un bassin de stockage sur place.
Les cendres collectées à sec sont normalement stockées et manipulées à l’aide d’équipements et de procédures similaires à ceux utilisés pour la manipulation du ciment Portland:
- Les cendres volantes sont stockées dans des silos, des dômes et d’autres installations de stockage en vrac
- Les cendres volantes peuvent être transférées à l’aide de glissières à air, de convoyeurs à godets et de convoyeurs à vis, ou peuvent être transportées pneumatiquement à travers des pipelines dans des conditions de pression positive ou négative
- Les cendres volantes sont transportées sur les marchés dans des camions-citernes en vrac, des wagons et des barges / navires
- Les cendres volantes peuvent être emballées dans des sacs super ou des sacs plus petits pour des applications spécialisées
Les cendres volantes collectées à sec peut également être humidifié avec de l’eau et des agents mouillants, le cas échéant, à l’aide d’un équipement spécialisé (conditionné) et transporté dans des camions à benne basculante couverts pour des applications spéciales telles que les remplissages structurels. Les cendres volantes conditionnées à l’eau peuvent être stockées sur les chantiers. Les matériaux exposés doivent être maintenus humides ou recouverts de bâches, de plastique ou de matériaux équivalents pour éviter les émissions de poussière.
Caractéristiques
Taille et forme. Les cendres volantes sont généralement plus fines que le ciment portland et la chaux. Les cendres volantes sont constituées de particules de la taille du limon, généralement sphériques, dont la taille varie généralement entre 10 et 100 microns (Figure 1-2). Ces petites sphères de verre améliorent la fluidité et la maniabilité du béton frais. La finesse est l’une des propriétés importantes contribuant à la réactivité pouzzolanique des cendres volantes.
Figure 1-2 : Particules de cendres volantes à grossissement de 2 000 x.
Chimie. Les cendres volantes sont principalement constituées d’oxydes de silicium, d’aluminium, de fer et de calcium. Le magnésium, le potassium, le sodium, le titane et le soufre sont également présents à un degré moindre. Lorsqu’elles sont utilisées comme adjuvant minéral dans le béton, les cendres volantes sont classées en cendres de classe C ou de classe F en fonction de leur composition chimique. American Association of State Highway Transportation Officials (AASHTO) M 295 définit la composition chimique des cendres volantes de classe C et de classe F.
Les cendres de classe C sont généralement dérivées de charbons sous-bitumineux et se composent principalement de verre alumino-sulfate de calcium, ainsi que de quartz, d’aluminate tricalcique et de chaux libre (CaO). Les cendres de classe C sont également appelées cendres volantes riches en calcium car elles contiennent généralement plus de 20% de CAO.
Les cendres de classe F sont généralement dérivées de charbons bitumineux et anthracite et se composent principalement d’un verre alumino-silicaté, avec également du quartz, de la mullite et de la magnétite. La classe F, ou cendres volantes à faible teneur en calcium, contient moins de 10% de CaO.
| Composés | Classe de cendres volantes F | Classe de cendres volantes C | Ciment Portland |
|---|---|---|---|
| SiO2 | 55 | 40 | 23 |
| Al203 | 26 | 17 | 4 |
| Fe2O3 | 7 | 6 | 2 |
| CaO (Lime) | 9 | 24 | 64 |
| MgO | 2 | 5 | 2 |
| SO3 | 1 | 3 | 2 |
Couleur. Les cendres volantes peuvent être bronzées à gris foncé, en fonction de leurs constituants chimiques et minéraux. Les couleurs bronzées et claires sont généralement associées à une teneur élevée en chaux. Une couleur brunâtre est généralement associée à la teneur en fer. Une couleur gris foncé à noire est généralement attribuée à une teneur élevée en carbone imbrûlé. La couleur des cendres volantes est généralement très uniforme pour chaque centrale et source de charbon.
Figure 1-3: Couleurs de cendres typiques
Qualité des cendres volantes
Les exigences de qualité pour les cendres volantes varient en fonction de l’utilisation prévue. La qualité des cendres volantes dépend des caractéristiques du combustible (charbon), de la co-cuisson des combustibles (charbons bitumineux et sous-bitumineux) et de divers aspects des processus de combustion et de nettoyage/ collecte des gaz de combustion. Les quatre caractéristiques les plus pertinentes des cendres volantes utilisées dans le béton sont la perte à l’allumage (LOI), la finesse, la composition chimique et l’uniformité.
La LOI est une mesure du carbone imbrûlé (charbon) restant dans les cendres et est une caractéristique critique des cendres volantes, en particulier pour les applications de béton. Des niveaux élevés de carbone, le type de carbone (c.-à-d. activé), l’interaction des ions solubles dans les cendres volantes et la variabilité de la teneur en carbone peuvent entraîner d’importants problèmes d’entraînement de l’air dans le béton frais et nuire à la durabilité du béton. L’AASHTO et l’ASTM spécifient des limites pour la lettre d’intention. Cependant, certains départements des transports de l’État spécifieront un niveau inférieur pour la lettre d’intention. Le carbone peut également être retiré des cendres volantes.
Certaines utilisations de cendres volantes ne sont pas affectées par la loi. La charge dans l’asphalte, le remplissage fluide et les remplissages structurels peut accepter les cendres volantes avec une teneur élevée en carbone.
La finesse des cendres volantes est le plus étroitement liée à l’état de fonctionnement des concasseurs de charbon et à la broyabilité du charbon lui-même. Pour l’utilisation de cendres volantes dans des applications de béton, la finesse est définie comme le pourcentage en poids du matériau retenu sur le tamis de 0,044 mm (No 325). Une gradation plus grossière peut entraîner une cendre moins réactive et pourrait contenir une teneur en carbone plus élevée. Les limites de finesse sont abordées par les spécifications de l’ASTM et du département des transports de l’État. Les cendres volantes peuvent être traitées par tamisage ou classification de l’air pour améliorer leur finesse et leur réactivité.
Certaines applications non concrètes, telles que les remplissages structurels, ne sont pas affectées par la finesse des cendres volantes. Cependant, d’autres applications telles que la charge d’asphalte dépendent grandement de la finesse des cendres volantes et de sa distribution granulométrique.
La composition chimique des cendres volantes est directement liée à la chimie minérale du charbon de base et de tout combustible ou additif supplémentaire utilisé dans les processus de combustion ou de post-combustion. La technologie de contrôle de la pollution utilisée peut également affecter la composition chimique des cendres volantes. Les centrales électriques brûlent de grandes quantités de charbon provenant de sources multiples. Les charbons peuvent être mélangés pour maximiser l’efficacité de la production ou pour améliorer la performance environnementale de la station. La chimie des cendres volantes est constamment testée et évaluée pour des applications d’utilisation spécifiques.
Certaines stations brûlent sélectivement des charbons spécifiques ou modifient la formulation de leurs additifs pour éviter de dégrader la qualité des cendres ou pour conférer une chimie et des caractéristiques souhaitées des cendres volantes.
L’uniformité des caractéristiques des cendres volantes d’une expédition à l’autre est impérative afin de fournir un produit cohérent. La chimie et les caractéristiques des cendres volantes sont généralement connues à l’avance, de sorte que les mélanges de béton sont conçus et testés pour leur performance.
Matériau à Faible Résistance Contrôlée (CLSM)
Échantillonnage et essais de Cendres Volantes ou de Pouzzolanes Naturelles pour Utilisation comme Adjuvant Minéral dans le Béton de Ciment Portland
ASTM C 618
Cendres Volantes et Pouzzolane Naturelle Brute ou Calcinée pour utilisation comme Minéral Adjuvant dans le Béton de Ciment Portland
Cendres Volantes et Autres Pouzzolanes à utiliser avec de la Chaux
Pratique Standard pour Caractériser les Cendres Volantes destinées à la Stabilisation du Sol
Guide d’utilisation des sous-produits de combustion du charbon dans les Remplissages structuraux
Les critères d’assurance et de contrôle de la qualité varient pour chaque utilisation de cendres volantes d’un État à l’autre et d’une source à l’autre. Certains États exigent des échantillons certifiés du silo sur une base spécifiée pour les tests et l’approbation avant utilisation. D’autres tiennent des listes de sources approuvées et acceptent les certifications de qualité des cendres volantes des fournisseurs du projet. Le degré d’exigences en matière de contrôle de la qualité dépend de l’utilisation prévue, des cendres volantes particulières et de leur variabilité. Les exigences en matière de tests sont généralement établies par les organismes spécificateurs individuels.
Figure 1-4: Photographies microscopiques de cendres volantes (à gauche) et de ciment portland (à droite).
| Classe F | Classe C | |||
|---|---|---|---|---|
| Exigences chimiques | SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 | min% | 701 | 50 |
| SiO3 | max% | 5 | 5 | |
| Teneur en humidité | max% | 3 | 3 | |
| Perte au feu (LOI) | max% | 51 | 51 | |
| Produit chimique facultatif Exigences | Alcalis disponibles | % max | 1,5 | 1,5 |
| Exigences physiques | Finesse (+325 Mesh) | % max | 34 | 34 |
| Activité pouzzolanique / ciment (7 jours) | min% | 75 | 75 | |
| Activité pouzzolanique / ciment (28 jours) | min% | 75 | 75 | |
| Besoins en eau | max% | 105 | 105 | |
| Expansion de l’autoclave | max% | 0,8 | 0,8 | |
| Exigences uniformes2: densité | max% | 5 | 5 | |
| Exigences uniformes2: Finesse | max% | 5 | 5 | |
| Exigences physiques facultatives | Facteur multiple (finesse LOI x) | 255 | — | |
| Augmentation du retrait de séchage | max% | .03 | .03 | |
| Exigences d’uniformité: Agent d’entraînement de l’air | max% | 20 | 20 | |
| Réaction ciment/alcali: Expansion du mortier (14 jours) | max% | 0.020 | — |
Notes:
- Les exigences ASTM sont de 6%
- La densité et la finesse des échantillons individuels ne doivent pas varier de la moyenne établie par les 10 essais précédents, ou par tous les essais précédents si le nombre est inférieur à 10, de plus que les pourcentages maximaux indiqués.
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