Etude de la valorisation des laitiers de l’industrie sidérurgique et de production des alliages silicomanganèse

The steelmaking and manganese industries produce large amounts of slag which are little valorised today for the formulation of hydraulic binder in the field of civil engineering. The ground blast furnace slag (GGBFS) is commonly used in the building materials industry but the converter steel slag (BOF slag) is mainly used as aggregates and the silicomanganese slag (LSiMn) is currently not upgraded in this sector. The companies ArcelorMittal, Eramet and Ecocem produce or exploit these slags, which are very different in terms of origins and compositions and properties. They want to develop the valorisation of these by-products in the field of materials for building construction. Some studies have already suggested that the steel slag and the silicomanganese slag can be incorporated into cement matrix as component for cement industry. But few data exist about mechanism of hydration of these slags in cement systems, the sustainability of such systems and the environmental impact which involve the use of these slags. Our research concerns first the characterization of the selected slags, particularly the particle size distribution, the chemical composition and microstructure, and their reactivity. The results showed that the silicomanganese slag is comparable to the ground granulated blast furnace slag because of its latent hydraulic behaviour but it has a different chemical composition with lower calcium content and a small part of inert material (10%). The steel slag, which has 23% of inert portion (composed of iron rich compounds) is very basic due to the presence of lime and portlandite and has a slight hydraulic behaviour at early age. The formulation of binary systems (cement / slag) shows that the silicomanganese slag added to Portland cement forms, like blast furnace slag, hydrates (hydrated calcium silicates) which participate in the development of compressive strength. Thus, the utilization of silicomanganese slag can be a good alternative for the formulation of hydraulic binders in the field of building materials. The steel slag has a smaller hydraulic activity than both other hydraulic slags and has a limited contribution to the development of the compressive strength. However, the high alkalinity of steel slag makes it a good potential activator of latent hydraulic slags. Ternary cementitious systems (cement/steel slag/slag with latent hydraulic behaviour) have been made: the steel slag appears to be effective for activating the blast furnace and silicomanganese slags. These cementitious systems, composed of at least 80% of slags, have satisfying mechanical properties for hydraulic road binders. In addition to these works, an environmental study was conducted for the slags and the slag incorporated in cementitious matrix. The results show that the low leaching of pollutant allows the utilization of our slag as hydraulic road binders.Les industries sidérurgiques et du manganèse génèrent des quantités de laitiers très importantes qui ne sont aujourd’hui que peu ou pas valorisées pour la formulation de liants hydrauliques dans le domaine des matériaux de construction. Si le laitier de haut fourneau moulu est bien intégré dans la filière des matériaux de construction, le laitier de convertisseur est majoritairement utilisé sous forme de granulats et le laitier de silicomanganèse granulé n’est aujourd’hui pas valorisé dans cette filière. Les sociétés ArcelorMittal, Ecocem et Eramet produisent ou exploitent ces laitiers, très différents de par leurs origines compositions et propriétés, et cherchent à développer des filières de valorisation pour ce type de coproduit. Des études ont déjà montré que le laitier de convertisseur et le laitier de silicomanganèse peuvent être intégrés au sein de matrices cimentaires en remplacement partiel du ciment, mais peu de données sont disponibles sur la connaissance des mécanismes d’hydratation de ces systèmes cimentaires à base de laitier, sur la faisabilité de tels systèmes et sur l’impact environnemental que peut impliquer l’utilisation de ces laitiers. Nos travaux de recherche ont porté, sur la caractérisation des laitiers étudiés, en particulier sur la granulométrie, la chimie et la microstructure, puis sur leur réactivité. Les résultats ont montré que le laitier de silicomanganèse peut être comparable au laitier de haut fourneau du point de vue de son hydraulicité latente mais qu’il présente une chimie différente avec notamment une teneur en chaux moindre et une faible part de résidu inerte (10%). Le laitier de convertisseur, qui présente une partie inerte (23%) constituée de composés riches en fer, est fortement basique compte tenu de la présence de chaux et de portlandite et présente un faible comportement hydraulique. La formulation de systèmes cimentaires binaires (ciment/laitier) a permis de montrer que le laitier de silicomanganèse ajouté à du ciment Portland forme, comme le laitier de haut fourneau, des hydrates similaires (silicates de calcium hydratés) qui participent au développement des résistances mécaniques. Le laitier de silicomanganèse peut donc être un bon matériau de remplacement du ciment pour la formulation de liants hydrauliques dans le domaine des matériaux de construction. Le laitier de convertisseur présente une plus faible activité hydraulique que les autres laitiers et participe peu au développement de la résistance mécanique des systèmes cimentaires à court terme. Cependant, sa forte basicité en fait un bon activateur des laitiers hydrauliques latents. Des systèmes ternaires (laitier de convertisseur/ciment/laitier hydraulique latent) ont donc été réalisés et ont permis de montrer la capacité du laitier de convertisseur à activer le laitier de haut fourneau ou le laitier de silicomanganèse. Ces systèmes cimentaires, composés au minimum de 80 % de laitiers, présentent des performances mécaniques intéressantes pour le domaine des liants hydrauliques routiers. En complément de l’aspect formulation, une étude environnementale a été menée et a permis de montrer que les laitiers ne présentent pas de risque vis-à-vis du relargage de polluants lors de leur utilisation comme composants de matériaux hydrauliques routiers