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Guides d’utilisation des matériaux lorrains en technique routière D ) I Guide c

Guides d’utilisation des matériaux lorrains en technique routière D ) I Guide calcaire I Guide cendres I Guide laitier d’acièrie de four éléctrique I Guide laitier haut fourneau I Guide matériaux de démolition I Guide schiste CETE de l’Est LRPC Nancy Guide schistes page 1 SOMMAIRE I. INTRODUCTION .......................................................................................................................2 II. GISEMENT .................................................................................................................................3 A. Origine des schistes..................................................................................................................3 A.1. origine géologique............................................................................................................3 A.2. Exploitation minière.........................................................................................................4 B. Situations nationales et locales ................................................................................................5 C. Composition chimique, minéralogie, pétrographie et environnement.....................................7 C.1. Caractérisation environnementale :..................................................................................8 D. Mode d’Exploitation et d’élaboration....................................................................................10 III. DOMAINES D’EMPLOI ..........................................................................................................16 IV. CARACTERISTIQUES EN FONCTION DU DOMAINE D’EMPLOI ..................................21 V. REFERENCES D’ETUDES......................................................................................................27 A.1. Couche de forme............................................................................................................27 A.2. Assainissement...............................................................................................................27 A.3. Couches d’assises...........................................................................................................27 VI. CONCLUSION..........................................................................................................................28 ANNEXES : 1) exemple d’utilisation en couche de forme 2) exemples de structures type de chaussées neuves en FONDASCHISTE 3) plan de contrôle 4) liste des chantiers de référence 5) FTP modèle 6) appellations commerciales Guide schistes page 2 I. INTRODUCTION L'importance des programmes routiers lorrains, départementaux en particulier, la faiblesse de la ressource en matériaux naturels dans le bassin houiller et la réduction des quantités disponibles de laitiers produits en Sarre ont naturellement focalisé l'intérêt des producteurs et des maîtrises d'ouvrage sur l'important gisement de schiste houiller existant localement. Dans l'esprit d'une démarche de développement durable, la réutilisation, ou plutôt la valorisation de ces sous-produits, matériaux naturels issus de l'extraction du charbon, devenus progressivement co-produits, s'imposait comme étant une réponse à des enjeux environnementaux et économiques. Encore fallait-il surmonter les obstacles liés au caractère sub-normal du schiste, aux caractéristiques intrinsèques du granulat (valeur élevée des valeurs de Micro-Deval en présence d'eau - M.D.E.- témoignant d'une forte sensibilité à l'attrition), ainsi qu'à une certaine hétérogénéité dans la constitution des terrils et la présence résiduelle de charbon. Malgré ces handicaps, grâce à une action volontariste et partenariale, le schiste s'est progressivement imposé dans le domaine routier en Moselle à partir du début des années 90, en investissant progressivement les couches "nobles" de la chaussée. Relégué initialement au rôle de remblais sous sa forme brute en tout-venant, il s'est progressivement développé, après transformation voire traitement, en couche de forme (pour mémoire, matériau de type F32 au titre de la G.T.R.) puis en couche de fondation tout trafic, et de base avec limitation à un trafic modéré TC 4 (anciennement T2) du fait de la dérogation liée aux valeurs de M.D.E. du granulat. Le schiste est ainsi devenu un matériau incontournable en Moselle Est : son utilisation raisonnée nécessite cependant la connaissance de ses domaines d'emploi et leurs limites (utilisation du bon matériau au bon endroit), ainsi que des moyens de mise en œuvre spécifiques notamment en ce qui concerne son utilisation en couche de forme. La démarche qualité et l'outil industriel mis en œuvre par les producteurs sont à même de rassurer les utilisateurs potentiels de ce matériau. Guide schistes page 3 II. GISEMENT A. ORIGINE DES SCHISTES A.1. origine géologique Le terme schistes houillers est associé à l’extraction du charbon. Il est communément compris comme étant le sous-produit résultant de la séparation entre le charbon et le stérile qui l’accompagne inévitablement lors de son extraction dans la mine. Les stériles sont constitués des rejets des mines de houille lors du traitement du minerai charbonneux extrait du sous-sol. En raison même de sa genèse, le charbon, dans son gisement, se présentait généralement sous la forme d’une alternance de veines plus ou moins épaisses, séparées par des bancs intercalaires (appelés « schistes »).Ces rejets sont stockés en schistiers appelés terrils. Les matériaux composant ces stériles se rattachent aux formations géologiques appelées molasses hercyniennes proximales à charbon du carbonifère supérieur, plus précisément du Westphalien et du Stéphanien. Ces formations sont essentiellement composées de conglomérats polygéniques issus du démantèlement des chaînes hercyniennes et de couches à charbons. Ces couches sont dues à une intense sédimentation bio-détritique appelé carbonification. schéma de principe «carbonification» Guide schistes page 4 Les matériaux que l’on rencontre sur les terrils sont composés de : ◊ Sédimentations argilo-silteuses ◊ Dépôts d’arénites fines et de siltites ◊ Formations argileuses noirâtres à faible teneur en matière organique Ces éléments sont plus ou moins agglomérés et cimentés suite aux diagenèses qui les ont touchées. Cet état de cimentation est dû à leur plus ou moins grande proximité avec la veine de charbon. Ces matériaux par définition sont naturels. Ils sont issus de sédimentations d’éléments fins de types arénites, argilo-silteux ou argileux à faible teneur en matière organique. Leur formation les rattache davantage à des grès ayant cimenté et subi une diagenèse qu’à des schistes. A.2. Exploitation minière Lors de son exploitation mécanique, le charbon qui se présente sous forme de veines plus ou moins importantes, est naturellement accompagné, par des bancs intercalaires de matériaux stériles. Les produits extraits sont ramenés au « jour » dans des unités de tri et de lavage. La séparation entre charbon et stériles y est effectuée par flottation, et les stériles sont envoyés au terril où étaient également versés les matériaux provenant du creusement de diverses galeries de communication et d’aérage. Les schistes houillers sont donc constitués de terres de fosse, de roches, de schistes de lavoir et de charbons. L’exploitation charbonnière ayant été totalement arrêtée en France, les terrils ne sont plus « alimentés ». Un phénomène de combustion peut apparaître. Il est lié à la présence de charbon résiduel et à une possibilité d’alimentation en oxygène. Il est estimé que la température s’est établie en moyenne aux environs des 1000°C à l’intérieur du terril. Cette réaction est aléatoire et lente. Les schistes noirs ayant été soumis à ce phénomène d’auto combustion changent de couleur, passant d’une couleur orangée pour devenir rouge. Les schistes oranges correspondent à une combustion partielle ou faible, les schistes rouges à une combustion normale. Ce phénomène ne sera plus possible lors de la mise en œuvre des schistes sur un chantier. En effet, la diminution du taux de charbon (mélanges des produits suites à manipulations de reprises, criblages, concassages…), et le compactage des produits sur chantier (diminution de la porosité interne ne permettant plus une oxygénation suffisante) font que les conditions requises à une combustion ne sont plus réunies. Les schistes noirs ou rouges commercialisés au départ de Ste Fontaine sont extraits d’un terril. L’exploitation d’Ensdorf consiste en la transformation de schistes houillers noirs de fraîche production, issus du lavoir. Les schistes anciens du terril d’Ensdorf ne sont pas repris par l’exploitation. Guide schistes page 5 B. SITUATIONS NATIONALES ET LOCALES La ressource nationale de schiste est estimée à environ 1 milliard de tonnes comme précisé sur la carte ci-dessous, Aujourd’hui environ 300 millions de tonnes ont été commercialisées essentiellement dans le Nord de la France. Cette région utilise régulièrement des schistes depuis 50 ans. Guide schistes page 6 Le Terril de Ste Fontaine est situé en Moselle, au cœur du Bassin Houiller, sur le ban de la Commune de Freyming Merlebach. Il s’étend sur environ 71 hectares, et le volume de matériaux exploitables est de l’ordre de 10 Mt (10% de schistes rouges, 90% de schistes noirs). Le site de production des schistes noirs houillers d’Ensdorf est situé au cœur du bassin houiller sarrois en Allemagne. Il s’agit de la mine Duhamel actuellement en activité. Les schistes noirs d’Ensdorf sont de fraîche production. Le terril ne peut être exploité. Guide schistes page 7 C. COMPOSITION CHIMIQUE, MINÉRALOGIE, PÉTROGRAPHIE ET ENVIRONNEMENT Selon les zones du Bassin Houiller la composition chimique des « schistes » peut varier. Elle s’inscrit dans les plages suivantes : Schiste noir Silice SiO2 45 à 55% Alumine Al2O3 25 à 30% Oxyde de Fer Fe2O3 5 à 8% Magnésie MgO 1 à 2% Chaux CaO 0,5 à 1,5% Oxyde de Potassium K2O 2,5% Oxyde de Sodium Na2O 0,5% Anhydride sulfurique SO3 0 à 1% Perte au feu 3 à 20% Les schistes prélevés sur les terrils forment un matériau hétérogène qui est composé en moyenne de : 9 50 à 80% de schiste : argilites et siltites finement litées à forte teneur en matières organiques o (5 à 20%) 9 20 à 50% de grès : arénites de tous diamètres et micro-conglomérats 9 0 à 20% de charbonneux. Une analyse au microscope polarisant fait apparaître les constituants suivants : 9 Schistes noirs et oranges (combustion de faible intensité) : Quartz - Feldspaths - Mica - o Argiles- Oxydes de fer 9 Schistes rouges et violets (combustion très vive) : Quartz - Cristobalite - Silicates d’aluminium o Silico-aluminates de magnésium- Oxyde de fer- Matière vitreuse. Les schistes houillers stockés subissent en général une évolution par oxydation et élévation de température. Le résultat de cette évolution est l’apparition de schistes rouges formés par combustion des schistes noirs originels. La coloration de schistes rouges provient de l’oxydation de la pyrite contenue dans les schistes noirs. Cette réaction exothermique peut s’écrire : 2 FeS2 + 2 H2O + 7 O2 → 2 FeSO4 + 2 H2SO4 + 0,62 Kcal et 2 FeSO4 → Fe2O3 + SO2 + SO3 Le déclenchement de la combustion, qui n’a rien de systématique, est tributaire à la fois d’une uploads/s3/ guide-schiste.pdf