Fumée de silice

Telle que commercialisée comme sous-produit de l'industrie du silicium, il s'agit d'une poudre grise ultrafine (gris clair ou foncé selon le réducteur qui a été utilisé dans le four), qui peut être vendue en Vrac (Big Bags d'une tonne) à stocker en ambiance sèche (se conservant alors 3 ans)[9].

Son numéro CAS est 69012-64-2, et son numéro EINECS est 273-761-1

• taille : matériau ultrafin constitué de nanosphères de moins d'1 μm de diamètre (0,15 μm en moyenne, soit environ 100 fois plus petit qu’une particule de ciment pulvérulent sec[10].
• Densité apparente : 0.65 ± 0.10 [8],
• Densité réelle (hélium) : 2.24 [8] en moyenne, mais la plupart du temps comprise entre 2,2 et 2,3.
• Densité en kg/m³ : brute la fumée de silice se comporte comme une fumée ou presque comme un gaz, dont très difficile à manipuler. Elle subit donc un traitement de densification qui permet son transport, sa manipulation ; sa densité varie alors de 130 (non-densifié) à 650 kg/m³. La densification améliore sa facilité d’usage mais diminue sa facilité de dispersion dans l’eau.
• Teneur en SiO2 : 95 % (≥ 92) [8]
• Teneur en Na2O: éq. 0.60 % (≤ 1.0) [8]
• Teneur en SiC : 1.50 % : (≤ 3.0) [8]
• Teneur en Carbone (C) libre : 1.50 % (≤ 3.0) [8]
• Teneur en Silice (S) totale : 0.10 % (≤ 0.20) [8]
• Surface spécifique BET : 23 (20 à 26) m³/g, qui implique une grande capacité à absorber de l’eau quand elle est introduite dans le ciment [8]. Sa surface spécifique peut être mesurée avec la méthode BET ou via la méthode d'adsorption de l'azote (de 15 000 à 30 000 m²/kg)[11]
• Teneur en oxydes (Fe, Al, Mg,Ca) : 1.00 % (≤ 1.50) [8]
• Teneur en ions chlore (Cl-) : 0.06 % (≤ 0.20) [8].

Composition chimique (analyse LCTP ; Teneurs en %) [8]

• SiO₂ : 85.66
• CaCO₃ : 8.62
• Perte au feu : 4.93
• Fe₂O₃ ou Al₂O₃ : 3.90
• CaSO₄•2H₂O : Traces
• CO₂ : 3.79
• NaCl : 0.23
• H₂O : 1.14

On distingue

1. la microsilice A (agglomérée pour le transport, qui doit être désagglomérée au moment de son utilisation)[12]
2. la microsilice A NDST (non densifiée), c'est-à-dire non agglomérée[12]

Aujourd’hui, la fumée de silice de haute pureté est presque toujours un sous-produit de la réduction carbothermique d’un quartz très pur pratiquée dans des fours à arc électrique (à près de 2 000 °C) destinés à la production de silicium par réduction du quartz ou à la production d'alliages de ferrosilicium. La « vapeur » de SiO (intermédiaire réactionnel gazeux) se condense et s'oxyde en sortie du four, en formant des microsphères de SiO₂ (100 nm de diamètre en moyenne ; de 50 à 200[13]). Ces microsphères sont récupérées via des filtres à manche. Une tonne de fumée de silice est produite pour 4 tonnes de ferro-silicium produites[12]. Les matériaux carbonés utilisés sont des carbones fossiles (charbon, coke) ou le bois-énergie. Le produit final est essentiellement une silice non cristalline mais peut contenir des impuretés, en particulier de la silice cristalline[14] - [15]

Il existe en Europe une norme EN 13263. (spécifications standard) pour les fumées de silice utilisées en mélanges cimentaires. Cette norme est décomposée en deux parties :

1. ASTM C1240 [16] ;
2. EN 13263 [17].

Un marquage CE permet de garantir que le produit répond aux exigences du Règlement des Produits de Construction (n° 305/2011).

A titre d’exemple en Europe la société Ferropem, filiale du groupe Ferroatlantica, produit 130 000 t/an de fumée de silice dans neuf sites situés en France et en Espagne. En France, quatre sites métallurgiques en produisent lors du processus de production du ferrosilicium et quatre autres tout en produisant du silicium au total (moins de 80 000 t de production au total selon l’INRS qui estime à 1 000 environ le nombre de salariés travaillant sur ces huit sites[12]).

Deux usages principaux sont cités par la littérature :

• ajout dans les réfractaires[12].
• additif du ciment : La fumée de silice condensée vendue sous la marque Sika[18] est - au moins depuis les années 1980 - réputée améliorer les propriétés du ciment et donc du béton, comme additif, éventuellement en complément de cendre volante silico-alumineuse[19] ; ses particules très fines s’insèrent entre les agrégats du ciment et en ferment les pores (ex : effet dit de « filler actif »), ce qui le rend plus compact et - à certaines conditions - plus dur[20], mais avec des avantages et des inconvénients ; des tests techniques normés ont en effet montré que :
• mélangée au ciment portland, au laitier et à d'autres ajouts réactifs (poudre de quartz broyé, sable fin, fibres métalliques) dans les bétons dits « bétons de poudres réactives » (BPR) et dans les bétons fibrés à ultra-hautes performances (BFUHP)[8], elle rend ces bétons plus imperméables à certains agents chimiques agressifs[21] en rendant la microstructure de la matrice cimentaire plus dense. Sa qualité dépend de ses propriétés physicochimiques : « densité, granularité, aire superficielle spécifique, activité pouzzolanique »[22] (« Ces ultras fines ont un effet pouzzolanique qui réagit chimiquement avec l’hydroxyde de calcium (CH), formant des liaisons avec l’hydrate de silicate de calcium (C-S-H) » [8]) ; la fumée de silice est incorporée en sortie de clinker dans la cimenterie, ou à la main au moment où le béton est préparé manuellement (moins de 600 000 t/an en France selon l'INRS en 2007[12]),
• la fumée de silice améliore effectivement la tenue à la chaleur des bétons THP (par rapport à un béton ordinaire)[23] ;
• avec ou sans superplastifiant les bétons en contenant ne sont pas nécessairement de meilleure qualité sans entrainement d'air[24] (plusieurs autres adjuvants sont nécessaires : un « réducteur d’eau » et un « entraîneur d’air », voire un retardateur d’évaporation et un adjuvant d’apprêtage[3]), faute de quoi ces bétons sont « plus susceptibles à la fissuration interne causée par des cycles rapide de gel-dégel dans l'eau », mais « souvent l'utilisation de fumée de silice décroît l'écaillage en surface des éprouvettes d'essais », ce qui montre que « la fissuration interne et l'écaillage sont deux formes différentes de dommages causés par le gel-dégel dans l'eau »[25]. Le béton doit être soigneusement malaxé.

C'est donc un des composants de bétons spéciaux par exemple utilisés

• dans les bétons marins ou de bord de mer (meilleure insolubilité au sel, ce qui protège l'armature de la corrosion par le sel)
• dans les bétons exposés aux sels de déneigement
• dans les bétons anti-feu
• dans les centrales nucléaires (meilleure résistance à la chaleur).

Le ciment enrichi de fumée de silice est parfois noté ciment Si[26].

Ces bétons sont dans les nomenclatures cités comme

• bétons fibrés à ultra-hautes performances (BFUHP) [8]
• Béton fibré ultra hautes performances avec addition (8 à 10 % du poids de ciment (30 à 40 kg/m³) pour un BHP (Béton à Haute Performance[27]) de fumée de silice et de Fibres métalliques BFS+F ) [8]
• ou plus généralement BFS (bétons à fumée de silice)

Pour être utile la fumée de silice doit être décompactée et défloculée en micro ou nanoparticules de silice, ce qui en cimenterie n'est possible que via l'addition d'un superplastifiant/haut réducteur d'eau[8].

Le premier test d’utilisation de fumée de silice dans le ciment (ciment Portland) date de 1952. Cet additif était alors coûteux et il a pris le nom de silice fumée, en tant que forme amorphe de silice produite par la combustion du tétrachlorure de silice dans une flamme très chaude (alimentée par un mélange d'hydrogène et oxygène pur). Ses propriétés hautement « pouzzolaniques » ont rapidement été confirmées mais ce produit était trop couteux pour présenter un intérêt pour les cimentiers. Puis à la fin des années 1960 sous la pression des premières lois environnementales, un déchet industriel issu de la production de silicium élémentaire ou d'alliages de ferrosilicium dans des fours à arc électrique a été requalifié en sous-produit commercialisable et valorisable en fumée de silice pour les cimentiers, à des prix bien plus accessibles.
Au milieu des années 1970, En Norvège puis dans d’autres pays européens les fonderies produisant le silicium ont commencé à nettoyer leurs émissions et à récupérer de grandes quantités de fumée de silice, en leur cherchant des applications industrielles. De premiers essais en Europe du Nord ont montré que ce déchet pouvait améliorer certains bétons à base de ciment Portland en augmentant leur résistance et en diminuant leur porosité. Filtrer, collecter et vendre cette « fumée » est alors devenu beaucoup plus rentable pour les métallurgistes du silicium que de les collecter et mettre en décharge de classe I.
Depuis la recherche et développement s'est poursuivie et la fumée de silice est devenue l’un des adjuvants les plus communs et précieux et les plus polyvalents pour les produits en béton et en ciment.
Avant cela en Europe (et jusqu’au milieu des années 1970 aux États-Unis), les vapeurs de silice et les particules de nanosilice étaient simplement rejetées dans l'atmosphère. En 2011, la mise sur le marché d’une fumée de silice issue de la fabrication du silicocalcium était en cours de normalisation[13].

• Maniabilité : l'ajout de fumée de silice produit un béton qui s’affaisse moins avec le temps (d’une manière directement proportionnelle à l'augmentation de la teneur en fumée de silice, en raison de la très grande surface développée de ces nanobilles de silice introduits dans le béton. Par contre il peut être plus difficile à introduire dans des moules complexes à parties fines .
  Dans le béton projeté, elles améliorent l'épaisseur possible de béton et limite le rebond[12].

• Ségrégation et ressuage (perte d’eau) : La fumée de silice réduit considérablement ces deux phénomènes en consommant l’eau encore libre introduite au moment de l'humidification via la grande surface développée de la fumée de silice. En colmatant les pores du béton frais, il limite aussi la migration de l’eau vers la surface, et inversement la pénétration d’eau (salée par exemple) de la surface vers l’intérieur du béton au moment de la prise.

• Résistance (à la compression et à la flexion) : elles sont nettement accrues.

Elle se fait en sac (15, 25 ou 30 kg), en big-bag d’une tonne ou en silo mobile selon les besoins[12]. Elle se vend aussi en solution aqueuse (slurry) à 50 % en masse de fumée de silice[13].

Ce produit est parfois vendu en sac soluble qui peuvent directement être introduit dans la bétonnière ou la centrale à béton (cette caractéristique doit être indiquée sur le sac, tous les sacs ne sont pas solubles, même pour un même produit de la même marque) [3]. Le mélange doit être soigneux pour que le sac soit complètement désintégré.

La fumée de silice est enregistrée dans le cadre du règlement REACH [28] sous le n° 1907/2006/EC.

Comme poudre réactive ultrafine pour le ciment, la pouzzolane naturelle broyée est une alternative à la fumée de silice (qui par exemple en Algérie est importée et « cinq à six fois plus chère que le ciment » [8]).