La « fumée de silice », « fumée de silice amorphe », ou « fumée condensée de silice », « microsilice » ou encore « nano-silice »Haddadi, A., & Chaou, H. (2017). Effet du mode d'introduction de le nano-silice sur les propriétés des bétons fibres ultra haute pérformences (Doctoral dissertation). classée dans les particules « ultrafines », voire les nanoparticulesProsie, F., Lesage, F. X., & Deschamps, F. (2008). Nanoparticules: structures, utilisations et effets sur la santé. La Presse Medicale, 37(10), 1431-1437., est un déchet industriel généralement valorisé comme sous-produit de la métallurgie du silicium et/ou de la production d'alliages à base de silicium (ferrosilicium). Les particules sont sphériques et d'un diamètre moyen de particules de .
vignette|particules de fumée de silice, vue au microscope électronique
Ses propriétés de matériau pouzzolanique font qu'elle est utilisée en grande quantité dans la synthèse de divers ciments (dosage habituel est de 5 à 15 % du poids du cimentsource : notice d’un produit SIKA : Sikacrete® 950 DP ) et bétons ou comme additif pour stabiliser les particules récupérées lors de la filtration de fumées d'incinérateursCojan, J. Y. (1997). European Patent No. EP 0547923. Munich, Germany: European Patent Office. ou pour inerter ou stabiliser des sols pollués, des sédiments pollués (sédiments marins ou esturariens y compris, ce qui pose des problèmes particulier en raison de leurs teneurs en chlorures)Silitonga, E. (2010). https://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/70/52/26/PDF/thA_seErnesto.pdf Valorisation des sédiments marins contaminés par solidification/stabilisation à base de liants hydrauliques et de fumée de silice] (Dissertation doctorale, Université de Caen), PDF, 244 pages. ou déchets toxiquesDeschamps, T., Benzaazoua, M., Bussière, B., Belem, T., & Mbonimpa, M. (2006). Mécanismes de rétention des métaux lourds en phase solide: cas de la stabilisation des sols contaminés et des déchets industriels. VertigO-la revue électronique en sciences de l'environnement, 7(2)., éventuellement dans une matrice bitumineuseDeprick, M., & Mullier, M. (1998). European Patent No. EP 0733143. Munich, Germany: European Patent Office..
C'est un produit pulvérulent ultrafin qui ne doit être manipulé, transvasé et utilisé qu'avec une tenue de protection adéquate (masque adapté en particulier). Des aspirateurs spéciaux sont adaptés à ce type de produitArab, A., & Rafai, H. (2017). Élaboration et étude des caractéristiques physico-mécaniques des Bétons fibrés à ultra hautes performances avec ajouts de pouzzolane naturelle et de fumées de silice (Doctoral dissertation ; Mémoire de fin d’études/master).
À ne pas confondre avec d’autres formes de silice comme la silice pyrogénée (aussi dite « pyrogénique »), de numéro CAS dont le processus de production, les caractéristiques physico-chimiques des particules et les champs d'application diffèrent tous de ceux de la fumée de silice. La confusion est encouragée par le fait que les anglophones utilisent indifféremment le qualificatif « fumed » pour désigner la silice pyrogénée et la fumée de silice
Caractéristiques physico-chimiques 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 )source : fiche technique du produit vendu par Sika.
Son numéro CAS est , et son numéro EINECS est : Taille : matériau ultrafin constitué de nanosphères de moins d' de diamètre ( en moyenne, soit environ 100 fois plus petit qu’une particule de ciment pulvérulent sec"Chapter 3 Fly Ash,Slag,Silica Fume,and Natural Pozzolans" (PDF). The University of Memphis. ; Densité apparente : ; Densité réelle (hélium) : en moyenne, mais la plupart du temps comprise entre 2,2 et 2,3 ; Densité en kg/m : 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 . La densification améliore sa facilité d’usage mais diminue sa facilité de dispersion dans l’eau ; Teneur en SiO2 : 95 % (≥ 92) ; Teneur en Na2O: éq. 0,60 % (≤ 1,0) ; Teneur en SiC : 1,50 % : (≤ 3,0) ; Teneur en Carbone (C) libre : 1,50 % (≤ 3,0) ; Teneur en Silice (S) totale : 0,10 % (≤ 0,20) ; Surface spécifique BET : 23 (20 à 26) m/g, qui implique une grande capacité à absorber de l’eau quand elle est introduite dans le ciment . Sa surface spécifique peut être mesurée avec la méthode BET ou via la méthode d'adsorption de l'azote (de à ) "Silica Fume User's Manual" (PDF). Silica Fume Association. ; Teneur en oxydes (Fe, Al, Mg,Ca) : 1,00 % (≤ 1,50) ; Teneur en ions chlore (Cl-) : 0,06 % (≤ 0,20) .
Composition chimique (analyse LCTP ; teneurs en %) : SiO : 85,66 CaCO : 8,62 Perte au feu : 4,93 FeO ou AlO : 3,90 CaSO • 2HO : traces CO : 3,79 NaCl : 0,23 HO : 1,14
On distingue : la microsilice A (agglomérée pour le transport, qui doit être désagglomérée au moment de son utilisation) ; la microsilice A NDST (non densifiée), c'est-à-dire non agglomérée.
Production 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 ) 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 SiO ( de diamètre en moyenne ; de 50 à 200 PatriciaBredy Tuffe,Aurélie Fay, PatrickGuiraud, Élodie Infanti, Alain Picot (2011) La fumée de silice : l’addition incontournable pour des bétons durables Solution béton ; Hors-série, 2011). Ces microsphères sont récupérées via des filtres à manche. Une tonne de fumée de silice est produite pour de ferro-silicium produites. 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 Bohnet, M. et al., Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. 7th. Wiley InterScience (John Wiley & Sons). (2003-). http://www3.interscience.wiley.com (http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/mrwhome/104554801/HOME) Centre d'écologie et de toxicologie de l'industrie chimique européenne, Synthetic amorphous silica (CAS No. 7631-86-9) . JACC report / ECETOC; No.51. Bruxelles : ECETOC. (2006). http://www.ecetoc.org
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 : ASTM C1240 ASTM C1240. Standard Specification for Silica Fume Used in Cementitious Mixtures, URL : http://astm.org ; EN 13263 EN 13263 Silica fume for concrete. URL : http://www.cen.eu.
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 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 de production au total selon l’INRS qui estime à environ le nombre de salariés travaillant sur ces huit sites).
Utilisation Deux usages principaux sont cités par la littérature : ajout dans les réfractaires. additif du ciment : La fumée de silice condensée vendue sous la marque SikaEx : « CONDENSIL S95 DP » 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-alumineuseMohan Malhotra, V., Painter, K. A., & Bilodeau, A. (1987). Mechanical properties and freezing and thawing resistance of high-strength concrete incorporating silica fume. Cement, concrete and aggregates, 9(2), 65-79 (résumé). ; 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 durMunoz, P. (2000). Rhéologie des bétons durcis: Approche couplée de la modélisation des retraits et fluages de bétons a hautes et très hautes performances (Dissertation doctorale) ; résumé avec INIST/CNRS, 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), elle rend ces bétons plus imperméables à certains agents chimiques agressifsMatte, V. (1999). Durabilité des bétons à ultra hautes performances: rôle de la matrice cimentaire (Doctoral dissertation) (résumé avec Inist/CNRS). en rendant la microstructure de la matrice cimentaire plus dense. Sa qualité dépend de ses propriétés physicochimiques : Aitcin, P. C., Pinsonneault, P., & Roy, D. M. (1984). Physical and chemical characterization of condensed silica fumes. American Ceramic Society Bulletin, 63(12), 1487-1491. (résumé) ( ) ; 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 en France selon l'INRS en 2007), la fumée de silice améliore effectivement la tenue à la chaleur des bétons THP (par rapport à un béton ordinaire)Laplante P (1993) Propriétés mécaniques des bétons durcissants: analyse comparée des bétons classiques et à très hautes performances ; Doctoral dissertation résumé Inist/CNRS ; avec ou sans superplastifiant les bétons en contenant ne sont pas nécessairement de meilleure qualité sans entrainement d'airGiaccio G.M & Malhotra V.M (1988) Concrete incorporating high volumes of ASTM Class F fly ash. Cement, concrete and aggregates, 10(2), 88-95 (résumé) (plusieurs autres adjuvants sont nécessaires : un « réducteur d’eau » et un « entraîneur d’air », voire un retardateur d’évaporation et un adjuvant d’apprêtage), faute de quoi ces bétons sont , mais , ce qui montre que Pigeon, M., Pleau, R., & Aïtcin, P. C. (1986). Freeze-thaw durability of concrete with anc without silica fume in ASTM C666 (procedure A) test method: internal cracking versus scaling. Cement, concrete and aggregates, 8(2), 76-85. (résumé). 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 SiMolez L (2017) au feu des ouvrages en béton (Doctoral dissertation, Université Laval (Québec, Canada). Faculté des sciences et de génie).
Ces bétons sont dans les nomenclatures cités comme bétons fibrés à ultra-hautes performances (BFUHP) Béton fibré ultra hautes performances avec addition (8 à 10 % du poids de ciment (30 à 40 kg/m) pour un BHP (Béton à Haute Performancefiche : Comment doser la fumée de silice ?) de fumée de silice et de Fibres métalliques BFS+F ) 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.
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