Résidus de la combustion du charbon pulvérisé, les cendres volantes constituent une matière première intéressante pour la fabrication de certains ciments, voire pour la formulation de bétons. Explications.

Cendres volantes siliceuses. [©Surschiste]

Cendres volantes siliceuses. [©Surschiste]

Résidus de la combustion du charbon pulvérisé, les cendres volantes constituent une matière première intéressante pour la fabrication de certains ciments, voire pour la formulation de bétons. Explications.

1 – D’où viennent les cendres volantes ?

Les cendres volantes sont le résidu finement divisé résultant de la combustion du charbon pulvérisé. Elles constituent un produit minéral pulvérulent, consécutif du dépoussiérage des fumées rejetées par les centrales thermiques, qui utilisent du charbon broyé comme combustible en présence ou non de matériaux de co-combustibles. Ces cendres sont obtenues par précipitation électrostatique ou mécanique de particules pulvérulentes contenues dans les gaz de fumée des chaudières.

2 – Quels sont les types de cendres présentes sur le marché ?

Selon les types de charbon et le type de chaudière utilisés, on obtient des cendres volantes de différentes natures – siliceuses, silico-calciques ou calciques – avec des propriétés pouzzolaniques et/ou hydrauliques latentes. Ces trois types de cendres volantes sont utilisés dans la production de bétons et de ciments composés dans certains pays européens, en fonction de l’expérience et de la tradition nationales (lire plus loin).

a – Cendres siliceuses

Cendres volantes siliceuses en microscopie électronique à balayage. [©Surschiste]

Cendres volantes siliceuses en microscopie électronique à balayage. [©Surschiste]

La cendre volante siliceuse est constituée principalement de particules sphériques vitrifiées ayant des propriétés pouzzolaniques. Elle se présente sous forme d’une poudre fine, allant du gris au noir suivant les teneurs en imbrûlés et en oxyde de fer (plus foncé que le ciment). Douce au toucher, elle est composée essentiellement de silice réactive (teneur supérieure à 25 % en masse) et d’alumine. Le restant contient de l’oxyde de fer et d’autres oxydes. La proportion de chaux réactive doit être inférieure à 5 % en masse.

b – Cendres volantes calciques

La cendre volante calcique est une poudre fine ayant des propriétés hydrauliques et pouzzolaniques. Composée essentiellement de chaux réactive (supérieure à 5 % en masse), de silice réactive et d’alumine. Le restant contient de l’oxyde de fer et d’autres oxydes.

La quantité de la chaux (CaO) dans ce type de cendres est élevée, c’est pourquoi elles sont susceptibles de faire prise sans liant, seulement au contact de l’eau (d’où leur nom : cendres hydrauliques) et dégagent de la chaleur en s’hydratant.

3 – Quelles sont les utilisations des cendres dans le ciment ?

En cimenterie, les cendres volantes sont utilisées pour la préparation de la matière première (le cru). Elles apportent essentiellement la silice, l’alumine et le fer. Elles peuvent être ajoutées lors du broyage final (avec le clinker, le gypse et les éventuels autres constituants secondaires). Leur passage dans le broyeur augmente le rendement de ce dernier (grâce aux imbrûlés).

Le temps de prise des ciments contenant des cendres volantes est plus long que dans le cas de ciments sans ajouts minéraux. De même, les résistances mécaniques sont un peu plus faibles les premiers jours, mais elles deviennent plus importantes à long terme (effet pouzzolanique des cendres).

Les cendres volantes siliceuses (identifiées V dans la norme-ciment NF EN 197-1) et/ou calciques (identifiées W dans la norme-ciment NF EN 197-1) entrent donc dans la composition de certains ciments comme les CEM II/A-V, CEM II/B-V, CEM II/A-W, CEM II/B-W, CEM V/A, CEM V/B et les CEM IV (cette catégorie n’est pas produite en France).

4- Quelles sont les utilisations des cendres dans le béton ?

Cendres volantes silico-calciques en microscopie électronique à balayage. [©Surschiste]

Cendres volantes
silico-calciques en
microscopie électronique
à balayage. [©Surschiste]

Les cendres utilisées dans le béton doivent répondre aux exigences de la norme européenne EN 450-1 – cendres volantes dans le béton. Les cendres siliceuses sont conformes à cette norme. Par ailleurs, le tableau NA.F.1 de la norme béton NF EN 206-1 détermine les valeurs limites applicables en France pour la composition et les propriétés dubéton, en fonction de la classe d’exposition. Pour les bétons à base de CEM I et de cendres volantes, le rapport maximal de A/(A+ C) est fixé à 30 % pour toutes les classes d’exposition, sauf la classe XF 4 qui est de 15 %. La nouvelle version de la norme NF EN 206-1 (dont la date de publication n’est pas encore connue) autorisera a priori l’ajout des cendres volantes comme additions de type II avec le CEM II. Le rapport maximal A/(A+C) est fixé à 20 % pour toutes les classes d’exposition, sauf la classe XF 4 (0 %)

Ainsi, les cendres peuvent entrer sous un taux de l’ordre de 80 à 100 kg/m3 dans la composition des bétons fabriqués sur chantier, des bétons prêts à l’emploi (bétons auto-plaçants y compris), des bétons pour la préfabrication, des bétons de chaussée ou encore, des bétons d’injection.

Sur le béton frais, les cendres contribuent à améliorer l’ouvrabilité, augmentent la compacité, améliorent l’aspect de surface après décoffrage et allègent les produits préfabriqués (pour un taux de cendres supérieur à 7 %).

Sur le béton durci, elles augmentent la résistance mécanique finale (en raison de leur pouvoir pouzzolanique), diminuent la fissuration (en relation avec la diminution de la chaleur d’hydratation), accroissent la résistance aux eaux pures et aux eaux sulfatées, assurent une meilleure résistance au feu et aux chocs thermiques et minorent la réaction alcali-silice.

5 – Quels sont les avantages des cendres volantes ?

Cendres volantes silico-calciques issues d’une chaudière LFC (Lit fluidisé circulant). [©Surschiste]

Cendres volantes
silico-calciques issues
d’une chaudière LFC
(Lit fluidisé circulant). [©Surschiste]

Le principal intérêt des cendres volantes est leur impact environnemental réduit. Ce sont des produits énergétiques dans la mesure où leur utilisation peut se faire en substitution du ciment. Le remplacement d’une partie du ciment par une cendre volante lors de la fabrication du béton, ainsi que son utilisation dans la fabrication de certains ciments composés, constituent une solution complémentaire pour diminuer de manière importante les émissions de CO2.

De plus, les cendres volantes ont une action de protection vis-à-vis de l’alcali-réaction (réaction de dégradation interne du béton survenant par formation d’un gel expansif à partir de silice amorphe et d’alcalins tels que le sodium et le potassium, en présence d’eau). L’utilisation des cendres volantes peut limiter ces réactions grâce à l’incorporation des fines inhibitrices. Des essais doivent cependant être effectués au cas par cas pour vérifier l’efficacité des cendres selon la nature des granulats.

6– Les autres voies d’utilisation des cendres volantes

En dehors des utilisations classiques comme les ajouts dans le ciment ou pour permettre la formulation de certains bétons, les cendres volantes trouvent aussi des applications dans d’autres domaines de la construction. Elles peuvent être employées pour la réalisation de liants hydrauliques routiers, en terrassement pour la création de remblais, de couches de formes ou de couches de chaussées (fondations et bases). A ce niveau, les cendres permettent en particulier d’améliorer les caractéristiques mécaniques des sols en place. Enfin, les cendres permettent la formulation de coulis d’injection destinés à la stabilisation des sols.