Les atouts des cendres de centrales thermiques dans le ciment ou béton !

Les cendres volantes de centrales thermiques au charbon, sont dans la majorité des cas extrêmement bien valorisées dans les matériaux de construction. Oui mais savez-vous pourquoi ? Quels sont leurs atouts ?

Avant de commencer, une petite mise au point sur la différence entre ciment, béton, mortier s'impose.

Ciment, mortier, béton, what else ? Le ciment est le liant, celui qui va faire prise avec une addition d’eau et agglomérer l’ensemble des autres constituants.

On définit le béton comme un agglomérat artificiel de granulats (cailloux, graviers) et de sable, réunis entre eux au moyen par le liant (ciment en général). Bref en résumé, c’est une « pierre artificielle » Les propriétés du béton vont être étroitement liées aux caractéristiques de chacun des constituants et plus particulièrement le liant (comment va-t-il faire prise ?). Les grains minéraux que sont les granulats vont jouer le rôle de squelette qui s’opposera à la propagation de fissures. Les paramètres de sa composition vont donc être variables selon l’utilisation du béton qui sera faite. On peut même y ajouter des matériaux métalliques pour accroître sa résistance.

Le mortier est un agglomérat artificiel de grains de sable réunis par un liant, il est utilisé pour assembler des pierres d’une construction ou faire des enduits.

Le béton sert à couler les fondations, les poteaux et linteaux tandis que le mortier sert à assembler les parpaings. En clair, le béton contient des graviers mais pas le mortier.

La fabrication du ciment de Portland

Le ciment le plus classiquement rencontré est le ciment de Portland.

Les matières premières utilisées pour la fabrication du ciment est un mélange de 80 % de calcaire CaCO3 et 20 % d’argile. La première étape est le concassage des blocs de roches. Le calcaire et l’argile sont mélangés intimement et broyés à sec ou en voie humide.

Le mélange convenablement dosé et homogénéisé est cuit jusqu’à une température de l’ordre de 1450°C ou température de clinkérisation (température à laquelle la fusion partielle se produit ce qui assure la combinaison intégrale de la chaux (issue de la décarbonatation du calcaire) avec la silice, l’alumine et l’oxyde de fer.

Le produit cuit s’appelle le clinker principalement formé d'espèces chimiques associant silicates, aluminates et fer à l'élément calcium.

Le clinker est ensuite broyé avec une petite quantité de gypse (CaSO4,2H2O), destiné à régulariser la prise du futur ciment (si elle se fait trop vite, des risques de fissuration sont accrus).

Ce mélange clinker + gypse (sans réaction chimique) se fait dans d’énormes broyeurs à boulets amenant le produit à une très grande finesse : c’est le ciment.

Procédé de fabrication du ciment. En fin de procédé, l’ajout de laitier (un fondant)

Les constituants sont hydrauliques c’est-à-dire qu’ils donnent (en présence d’eau), des hydrates qui précipitent et s’organisent en une structure mécaniquement résistante. C'est la prise. Ça tombe plutôt bien comme propriété pour les matériaux de construction.

Dans un centrale thermique au charbon

Quel est le rapport avec le ciment ? Grosso modo, d’un point de vue chimique, le charbon est composé de nombreux atomes de carbone avec quelques autres atomes d’hydrogène, d’oxygène, d’azote et de soufre.

A côté de cela, un grain de charbon contient également une petite part de minéraux. Certains sont inclus dans le squelette carboné mais pour la plupart, il s’agit de matière minérale étrangère à la matrice organique du charbon (ces derniers correspondent aux particules en suspension dans l’air ou dans l’eau qui se sont déposées sur les végétaux à l’origine de la formation du charbon).

Les minéraux prisonniers ou juxtaposés à la matrice « organique ». Source FRIF

La plupart des chaudières à charbon pulvérisé fonctionne à une température moyenne du foyer comprise en 1100 et 1400 °C. Cette température élevée implique que pas mal des minéraux fondent, s’agglomèrent, réagissent chimiquement entre eux et enfin se refroidissent lors de leur parcours dans la chaudière : c'est ce qui conduit aux cendres « volantes » véhiculées par les fumées de combustion. 70 à 90 % des cendres sont sous forme de cendres volantes sphériques, très fines et principalement constituées de particules vitrifiées (elles n’ont pas eu le temps de se recristalliser) et sont retenues en grande partie au niveau d’un dépoussiéreur.

Mais à quoi ressemblent ces cendres volantes vues de très près ?

En voilà de jolies sphères creuses…ici on peut voir un grain de carbone imbrûlé au milieu (la forme géométrique) Que retrouve-t-on dans ces cendres volantes ? Ci-dessous la photo précédente, exploitée avec une microsonde d’analyse par fluorescence X permettant de voir quels sont les atomes présents dans notre échantillon.

Résultat de l'analyse par microsonde électronique indiquant les éléments chimiques présents

On retiendra qu’on a beaucoup d’aluminium – silicium dans ces petites sphères, éléments associés à l’oxygène. Il s’agit de classiques alumino-silicates.

D’ailleurs ces cendres portent le nom de cendres silico-alumineuses (il y en a d’autres types, issues d’un autre procédé de combustion).

C’est lors du refroidissement des minéraux fondus (du moins en partie) que des composés définis (alumino-silicates de fer ou de calcium) apparaissent sous forme de sphères.

Bref, les cendres volantes possèdent TOUS les ingrédients chimiques pour fabriquer du ciment… voire pour le remplacer lors de la mise en oeuvre du béton.

Outre ces caractéristiques chimiques, les autres propriétés des cendres sont également très intéressantes : - la forme sphérique des grains et leur surface plane qui impliquent un effet type roulement à billes : ceci améliore l’ouvrabilité du béton avant sa prise, tout en demandant moins d’eau, - une distribution granulométrique comportant une fraction de très fines particules : les grains de cendres de petite taille vont avoir un effet de remplissage entre les grains plus gros d’autres matériaux (ex : ciment ou sable) ; de plus, les cendres modifient la structure des hydrates formés lors de la prise et réduisent la taille des pores capillaires donc la perméabilité du béton ce qui améliore sa durabilité.

Le ciment des Romains Il semble bien que les Romains avaient bel et bien découvert tous les avantages de l’utilisation de cendres… Evidemment, elles ne venaient pas de la combustion du charbon, mais de la lave de volcan. Elles n’étaient pas sphériques mais c’est bien là, la seule différence. Au niveau des constituants chimiques, elles étaient identiques (des pouzzolanes) et au niveau de la durabilité, elles apportaient un sacré « plus » qu’on n’a plus à prouver.