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Monographies :Les laitiers d’aciériede convertisseurs à oxygène

D )

� Les laitiers LD de Schöeneck � Les laitiers LD des forgeset aciéries de Dillingen (Sarre)

CETE de l’EstLRPC Nancy

Monographie n° 1Laitiers d’aciérie de convertisseur à oxygène

Les Laitiers LD de SCHOENECK

Monographie Schoeneck page 2

I. INTRODUCTION

Les laitiers de convertisseur à oxygène LD sont des co-produits résultant de la transformation de la fonte en acier par le procédé d’affinage LD. De grandes quantités de laitiers LD sont produites et utilisées en Lorraine. Ils se présentent sous la forme de roche plus ou moins alvéolaire très résistante notamment aux chocs et à l’usure. Ils peuvent présenter un gonflement volumique au contact de l’eau qui peut nuire à leur utilisation dans certains usages. De ce fait, les laitiers LD sont utilisés principalement dans la technique de construction de remblais ouverts ou dans le rechargement de chemin ou comme amendement agricole basique et d’apports de minéraux. Pour d’autres usages tels que les couches d’assises non traitées, les enduits ou enrobés bitumineux, les laitiers LD doivent répondre à des limites de classe d’expansion volumique. En Lorraine, l’expérience est à ce jour forte dans l’utilisation des laitiers LD en couche de forme, en GNT d’assise de chaussée, mais reste limitée dans les domaines des enrobés ou des enduits superficiels.

II. LE GISEMENT

Les laitiers LD de Schoeneck sont des produits élaborés exclusivement à partir de laitiers de fraîche production de l’aciérie de Völklingen (Sarre). Le gisement se situe sur la commune de Schoeneck (57), lieu où sont traités les laitiers. La production annuelle est d’environ 200.000 tonnes de laitiers de fraîche production.

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Sarre Schoeneck




III. ORIGINE, FORMATION ET ÉLABORATION DES LAITIERS LD DE SCHOENECK

A. ORIGINE

Après enfournement dans un convertisseur de fonte liquide et de ferrailles une lance à oxygène est descendue à l’intérieur du convertisseur. On injecte dans le bain de métal en fusion de l'oxygène et de la chaux dont le mélange produit un laitier qui dissout le phosphore, le soufre et les autres impuretés indésirables. Dès la fin du soufflage, la lance est remontée, les contrôles chimiques caractérisant la qualité de l’acier et du laitier sont effectués (basicité). Le procédé mis en place à l’aciérie de Völklingen permet de sélectionner les laitiers liquides en fonction de leur composition chimique, établissant ainsi clairement la traçabilité de leur fabrication. Le laitier est ensuite coulé dans un cuvier puis déversé dans une fosse où il refroidit par arrosage.




B. ELABORATION

Après refroidissement en fosse, les laitiers sont déroctés, déferraillés, puis concassés. Le principe d’élaboration des laitiers LD est repris dans le schéma suivant :

Les laitiers destinés aux techniques routières et couches de forme sont préalablement sélectionnés sur les bases d’analyses chimiques (indice de basicité) et refroidis en fosse à l´aciérie, puis acheminés vers le site d’exploitation à Schoeneck pour être traités dans les installations de déferraillage et de concassage-criblage. Les laitiers destinés aux terrassements et couches de forme sont en outre soumis à maturation sur stock, d’une durée minimale de trois mois avant commercialisation.




Les granulats élaborés d’appellation Laitier LD, utilisés en technique routière et couches de forme sont les suivants : Laitiers LD purs : 0/31.5mm, 0/63mm, 0/100mm, 20/100mm, 20/50mm et 10/35mm

Laitiers LD traités :

• EG3 : mélange de laitier LD 0/31,5 avec ajout de laitier granulé • EG7 : mélange de laitier LD 0/10 avec ajout de laitier cristallisé HF 0/40

Les mélanges sont effectués directement avec le chargeur, équipé d’un système de pesage embarqué.

IV. CARACTÉRISATION DES LAITIERS LD DE SCHOENECK

A. COMPOSITION CHIMIQUE Le laitier LD est un matériau basique constitué de chaux, d’oxyde de fer et de silice. Le procédé à l’oxygène implique une composition chimique des principaux éléments des laitiers sensiblement constante. Les trois éléments CaO, SiO2, Fe sont les principaux constituants du laitier LD, dans une moindre mesure on retrouve le manganèse, l’aluminium et le magnésium, comme en témoigne le tableau suivant. Les différentes analyses chimiques réalisées donnent les valeurs moyennes suivantes (exprimées en pourcentages massiques) :

% matière sèche Eléments Laitiers LD purs Laitiers LD traités

EG3 EG7 Chaux (CaO) 40 à 47 36 à 42 40 à 44Silice (SiO2) 14 à 22 19 à 29 25 à 30Alumine (Al2O3) 1 à 6 3,5 à 7 7 à 9 Magnésie (MgO) 1,5 à 5 3 à 5 4 à 6 Manganèse (MnO) 3 à 6 2,4 à 4,2 1,7 à 2,8Fer (FeO) 12 à 20 9 à 16 6 à 10TiO2 0,4 à 0,9 0,4 à 0,8 0,4 à 0 7P2O5 1,1 à 1,9 0,9 à 1,5 0,6 à 0,8Cr2O3 0,3 à 0,7 0,2 à 0,6 0,1 à 0,4

Les teneurs en sulfates solubles (SO4

2-) mesurées par lixiviation (norme XP X 31-210) sont comprises entre 0,01 et 0,03 %.




B. CARACTÉRISATION GÉOTECHNIQUE

Une première spécificité des laitiers LD bruts concerne la masse volumique qui est supérieure d’environ 30% à celle des granulats naturels ou des laitiers HF, et doit être prise en compte dans les calculs des quantités à transporter et à mettre en œuvre. Une deuxième spécificité est relative aux risques d’instabilité volumique provoqués par l’hydratation de la chaux libre ou de la magnésie libre. Les essais réalisés pour assurer le suivi de ces laitiers LD sont repris dans les tableaux suivants :

Essais Normes Valeurs LA (sur 10/14 mm) NF EN 1097-2 10 à 20 MDE (sur 10/14 mm) NF EN 1097-1 8 à 12 MVR NF EN 1097-4 3,2 à 3,6 g/cm3 laitier LD pur

2,4 à 2,8 g/cm3 laitier LD traité MB NF EN 933-9 < 2 g Taux d’expansion NF EN 1744-1 (§19.3) 0,15 à 1 % sur EG3

0,5 à 1,5 % sur EG7 < 5 % sur laitier LD pur

Teneur en chaux libre

Méthode Leduc

Mat. chaussées : 0,5 à 3 % Mat. couches de forme : 3 à 7 %

Par ailleurs Eurogranulats a mis au point des essais spécifiques afin de mesurer la stabilité des laitiers, entrant tout a fait dans le cadre d'élaboration d'un produit de qualité. Le principe de ces essais de stabilité dimensionnelle est de faire subir aux granulats des conditions extrêmes de température, d’humidité et de pression. Il s’agit de : La mesure du taux d’expansion adapté de l'essai à la vapeur d'eau selon la norme NF EN

1744-1 art. 19-3 : analyse du gonflement de la fraction 0/20 mm du matériau par mise en immersion totale dans une eau à température élevée.

Un essai de détérioration des gravillons à l’autoclave : analyse de la fraction supérieure à

14 mm du matériau, soumise à des conditions de température et de pression élevées.




Eurogranulats a défini des seuils de conformité spécifiques pour chacun de ces deux essais. Le dépassement des ces seuils suffit à déclasser le matériau. Ces essais étant bien spécifiques, ils n'apparaissent pas sur les FTP. Si les résultats obtenus montrent un dépassement des seuils fixés, le matériau reste en stock pour vieillissement. Les essais sont alors réitérés ultérieurement après une période d’un mois minimum.

B.1. Autres caractéristiques, avantages et particularités des laitiers LD de Schoeneck :

Densité élevée permettant une utilisation avantageuse en « massifs poids » (fonction

stabilisante en plus de drainante). Insensibilité à l’eau autorisant une mise en œuvre par tout temps. Non gélifs et résistants aux intempéries. Angle de frottement élevé, de l’ordre de 40° (φ’).

C. CARACTÉRISATION ENVIRONNEMENTALE

Actuellement, en l’absence de textes réglementaires relatifs à la caractérisation environnementale des sous-produits industriels, l’innocuité environnementale est jugée en faisant référence aux seuils de la circulaire du 9 mai 1994 (DPPR/SEI/BPSIED N° 94-IV-1) relative aux Mâchefers d’Incinération d’Ordures Ménagères (MIOM de catégorie V). Ces laitiers sont donc soumis à un essai de lixiviation selon la norme NF X 31-210. Les critères retenus afin de juger de cette innocuité sont les suivants : les teneurs en mercure, plomb, cadmium, arsenic, chrome VI, sulfates, et COT, ainsi que la fraction soluble et le taux d’imbrûlés.

V. DOMAINES D’EMPLOI ET RÉFÉRENCES CHANTIERS

Les essais normalisés (§ 19.3 de la norme NF EN 1744-1) et spécifiques à Eurogranulats permettent de mesurer l’instabilité volumique du laitier LD. Les valeurs obtenues permettent un classement du laitier en vue de son utilisation : les normes européennes granulats définissent des classes avec des seuils d’expansion (NF EN 13-242, NF EN 13-043). Ces seuils sont repris dans la norme XP P 18-545 (articles 7 et 8). Aujourd’hui en France, l’expérience reste encore limitée. Les différents domaines d’emploi sont illustrés et synthétisés par des coupes types d’utilisation, à la suite des tableaux.




A. LES LAITIERS LD PURS

L’instabilité volumique du laitier LD pur n’autorise qu’un domaine d’emploi limité et exige des précautions particulières d’emploi.

A.1. Utilisation en terrassements

Produits Classification Usages / Précautions d’emploi

Références

Laitiers 0/100 à 0/300 mm

Selon NF P 11-300

Matériaux assimilables à des sols de classe D31

Remblais généraux Substitution purges

Ces sols constituent les meilleurs matériaux de

construction des remblais

Pas de référence pour cet usage, le matériau étant principalement

utilisé dans des couches plus « nobles »

Laitier 20/100 mm ou

laitiers 0/100 à 0/300 mm

Selon NF P 11-300


Stabilisation de talus,

masques poids,

2000 : RN61 Déviation Ouest Sarreguemines – 40 000 T laitier 20/100 (DDE 57) 2005 : A320 Sortie n°40 Freyming-Merlebach 0/100 (DDE 57)

Laitier 20/100 ou 20/50

mm

Selon NF P 11-300


Base drainante

Pas de référence significative pour

cet usage à ce jour

A.2. Utilisation en couche de forme


Références

Laitiers 0/100, 0/80 et

0/63 mm

Selon NF P 11-300

Matériaux assimilables à des sols de classe

D31

Sols insensibles à l’eau et non gélifs

Couche de Forme tous

trafics

Conditions de mise en œuvre selon GTR

Obtention d’un niveau de plate-forme PF2 ou PF3 suivant épaisseur

> 100 000 T en moyenne / an 2002 : Piste RTE à Boulay 10 000 T de 0/100 2002 à 2006 : Elargissements de chaussées (CG 57) ~ 50kT RD110H Wieswiller-Achen RD156D Hilsprich RD32 Stiring RD81 Metzing-Guebenhouse RD82 Bliesbruck RD32bis Spicheren RD86 Haspelschiedt 2003 à 2005 : Stations Epuration Folschviller, Kerbach, Freyming, Basse-Vigneulles 2004-2005 : PF Magna à Farébersviller 80 000 T (0/80) 2005 : Zone agroalimentaire à Sarreguemines 10 000 T (0/100) 2007 : PF Super U à Sarralbe et LIDL à Forbach 40 000 T (0/80)




A.3. Utilisation en fondation de chaussées et sous dallage


Références

GNT 0/31,5

GNT2 selon norme NF

EN 13-285 Classe granulaire 0/31,5

mm

Taux d’expansion (mode opératoire EG) :

< 5 % Teneur en chaux libre :

< 5 %

Teneur sulfates SO42- :

<< 0,1 %

Couche de Fondation de chaussée possible avec

couche de base de 20 cm d’un autre matériau

(Matériau ne convient pas en couche de base

directement sous enrobés)

Fondation sous dallage

Accotements, chemins et

pistes non revêtus

2007 : RD34A Obergailbach 1 500 T 0/31,5 en couche de fondation 2004 : Médiathèque à Créhange 2005 : Hospitalor à Forbach2007 : Super U à Sarralbe + LIDLà Forbach Divers chantiers (travaux communaux, PF privées, voiries de lotissement)

Granulats 10/35

Grave de cat. Gc 80-20 selon norme NF EN 13-

242 Classe granulaire :

10/31,5 mm

Cloutage, drainage

Colonnes ballastées

~ 10 000 T / an : 2006 : Forbach, Metz, Semécourt, Pont-à-M, Sarreguemines) 2007 : Boulay, Elange, Sarrebourg, Essey)




B. LES LAITIERS LD TRAITÉS

Des études sur les laitiers LD de Schoeneck ont permis une mise au point de formulations de mélanges de laitier LD et de granulats inertes comme les laitiers HF permettant de maîtriser la stabilité et les gonflements ultérieurs. La production de tels produits demande un suivi pointu et constant de la qualité des laitiers LD introduits dans les mélanges en l'occurrence le suivi de la teneur en chaux libre, de l’expansion volumique et de la stabilité dimensionnelle. Les laitiers élaborés sur le site de Schoeneck et destinés aux couches de base des chaussées font l’objet d’une sélection et de contrôles rigoureux avant mise sur le marché. Ces contrôles sont effectués à chaque lot de fabrication correspondant à environ 1 000 tonnes. Remarque : pour ces produits traités, EG3 et EG7, la masse volumique réelle n’est que très légèrement supérieure (max 5%) à la masse volumique des matériaux usuels.

B.1. Utilisation en assises de chaussées et sous dallage


Références

EG3 / EG7

GNT2 selon norme NF

EN 13-285 Classe granulaire : 0/31,5

mm

Taux d’expansion : 0,15 à 1 % sur EG3 0,5 à 1,5 sur EG7

Teneur en chaux libre :

< 3 %

Couches de Fondation et Base chaussées jusqu’au

trafic TC4 (ancient T2)

Fondations sous dallage

~ 30 000 T / an

2001 : A4 Parking gare de péage Saverne 1 500 T EG3 en fond. + base 2003 : RD28J – Rech-lès-Sarralbe 15 000 T EG3 en fondation + base 2007 : RD34A Obergailbach 2 000 T EG3 en couche de

base

2003 : STEP Freyming 1500 T EG7 sous dallage




Couche de Forme

Couche de Fondation

Couche de Base

Couches de Liaison et de Roulement

Remblais d’accotement non revêtus

Trottoirs et accotements revêtus

en enrobés ou enduits

Remblais

Substitutions de purges Remblai tranchée

Enrobage

Lit de pose

Utilisat ion des Lait iers LD de Schoeneck en technique rout ièreCoupe type de chaussée

EG3 ou EG7GNT 0/ 31,5 mm possible si couverture

minimale 20 cm autre matériau

Laitier 0/ 100 mm – 0/ 80 mm ou 0/ 63 mm

Laitier 0/ 150 mm à 0/ 300 mm

GNT 0/ 31,5 mmBase drainante éventuelle : Laitier 20/ 100 mm ou 20/ 50 mm

Les laitiers LD ne doivent pas être utilisés au contact de canalisations métalliques (sauf protection)

EG3 ou EG7exclusivement

GNT 0/ 31,5 mm

GNT 0/ 31,5 mm

Stabilisation de talus, masques : Laitier 20/ 100 mm ou 0/ 150 à 0/ 300 mm

Couche de Forme

Couche de Fermeture

Dallage Béton

Couche d’usure éventuelle

Drainage

Remblais

Substitutions de purges

Drain

Gravillons 10/ 35 mm ou

20/ 50 mm

Utilisation des Laitiers LD de SchoeneckCoupe type sous bâtiment

EG3 ou EG7 ou GNT 0/ 31,5 mm

Laitier 0/ 100 mm -0/ 80 mm ou 0/ 63 mm

Laitier 0/ 150 mm à0/ 300 mm

Gravillons 10/ 35 mm

Colonnes ballastées

Base drainante éventuelle :

Laitier 20/ 50 ou 20/ 100 mm




C. VALIDATION DES RÉFÉRENCES CHANTIERS

Sur l’ensemble des références chantiers citées, trois ont été retenues pour validation :

Mégazone à Farébersviller : couche de forme laitier LD 0/100 Alinea à Semécourt : colonnes ballastées laitier LD 10/35 RD28j à Rech-lès-Sarralbe : couches de fondation et base laitier traité EG3

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