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Bétons de granulats de laitier d’aciérie de
four électrique inox : propriétés mécaniques
et facteurs de durabilité
Gildas ADEGOLOYE, Anne-Lise
ORTOLA, Albert NOUMOWE
BEAUCOUR,
Sophie
Université de Cergy-Pontoise, EA 4114, Laboratoire de Mécanique et Matériaux
du Génie Civil (L2MGC), F-95000 Cergy-Pontoise
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
RÉSUMÉ. Le laitier de four issu de la fabrication de l’acier inoxydable (laitier EAF inox)
est actuellement peu valorisé. Les propriétés physico-chimiques et minéralogiques des
gravillons obtenus à partir de ce laitier indiquent, selon la norme EN 12620 qu’ils peuvent
être utilisés dans le béton et contribuer ainsi à la préservation des ressources non
renouvelables en granulats naturels. Dans cette étude, tout ou partie des gravillons silicocalcaires d’un béton de référence (ordinaire et à hautes performances) ont été substitués par
des granulats de laitier EAF inox. Les résultats montrent des propriétés adéquates à une
utilisation structurelle, avec une légère amélioration des caractéristiques mécaniques des
bétons de granulats de laitier EAF. Après conservation pendant un an dans l’eau, les bétons
de laitier EAF inox présentent un gonflement légèrement supérieur à celui des bétons silicocalcaires mais toujours en dessous des seuils admissibles. Ce gonflement ne s’accompagne ni
d’une diminution du module d’élasticité, ni d’une chute des résistances à la rupture.
ABSTRACT. Currently the electric arc furnace (EAF) slag from the manufacture of stainless
steel is essentially valued as aggregates in road construction. According to EN 12620, the
properties of coarse aggregates obtained from this steel slag indicate that they could be used
in concrete and thus contribute to the preservation of non-renewable natural aggregate
resources. Consequently, the use of stainless EAF slag as coarse aggregates in ordinary and
high-strength concretes is analyzed in this study. The natural aggregates (silico-calcareous)
of reference concretes were substituted, partially to totally, by stainless EAF slag aggregates.
The results show adequate structural properties, with a slight improvement of the mechanical
properties for concretes made of stainless EAF slag aggregates. After curing during one year
in water, concretes made of stainless EAF slag aggregates present a slight swelling higher
than concretes made of silico-calcareous aggregates. This swelling, which remains under the
recommended thresholds, does not affect the modulus of elasticity nor the failure strengths.
MOTS-CLÉS :
laitier EAF inox, granulat, béton, propriétés mécaniques, gonflement.
KEY WORDS:
stainless EAF slag, aggregates, concrete, mechanical properties, swelling.
31èmes Rencontres de l’AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai 2013
2
Introduction
L’acier inoxydable est essentiellement fabriqué dans des fours à arc électrique
alimentés par des ferrailles recyclées. Le laitier d'aciérie électrique inox, coproduit
issu de cette fabrication, n’est aujourd’hui utilisé qu’en construction routière comme
grave traitée ou non. Contrairement aux laitiers de hauts fourneaux, ce coproduit
sidérurgique est peu valorisé et pourrait constituer une alternative intéressante aux
granulats naturels dans la fabrication des bétons. Cette nouvelle voie de valorisation
permettrait d’atteindre un double objectif : la préservation des ressources en
granulats naturels et la réduction du coût élevé de traitement et de stockage des
laitiers. Cette étude vise à montrer la faisabilité d’une telle voie de valorisation.
A ce jour, très peu d’études ont été publiées sur l’utilisation des granulats de
laitier d’aciérie électrique dans le béton. Parmi ces laitiers, seuls les laitiers de la
nuance acier au carbone ont fait jusqu’à présent l’objet de travaux publiés. Ces
derniers laitiers possèdent en général une bonne résistance mécanique, mais peuvent
éventuellement montrer une instabilité dimensionnelle dans le temps suite à
l’hydratation de la chaux libre et de la magnésie libre [MAN 04], [MAN 06], [MAS
06]. L’usage veut que ces laitiers soient laissés à l’air libre, soumis aux intempéries
pendant plusieurs mois pour limiter ces effets expansifs. Les études précédemment
réalisées montrent que ces laitiers ont une densité plutôt élevée et un coefficient
d’absorption pouvant fortement varier [BES 03], [PEL 09] et [ABU 12]. La porosité,
parfois importante, pourrait avoir des conséquences sur la diminution de durabilité
des bétons incorporant des granulats de laitier.
Cette étude concerne uniquement la partie « laitier de four (EAF inox) » de la
production d’UGITECH, et comporte deux étapes. Dans la première partie, les
caractéristiques géométriques, physiques et mécaniques des granulats de laitier EAF
inox sont étudiées afin de vérifier leur conformité pour une utilisation dans le béton.
Une analyse de la composition minéralogique des laitiers est aussi présentée. Dans
la deuxième partie, une substitution (de partielle à totale) des gravillons silicocalcaires par des gravillons de laitier EAF inox est menée dans deux formulations de
béton, ordinaire et à hautes performances. Les mesures des résistances à la rupture et
du module d’élasticité des différents bétons obtenus permettent d’analyser
l’influence des granulats de laitiers EAF inox sur les propriétés mécaniques d’un
béton ordinaire et à hautes performances. L’évolution de ces propriétés mécaniques
a fait l’objet d’un suivi dans le temps jusqu’à 365 jours. De même, afin d’évaluer
l’influence des granulats de laitiers EAF inox sur la durabilité des bétons, la porosité
et la perméabilité ont été mesurées à différentes échéances. La mesure des
déformations longitudinales d’éprouvettes prismatiques conservées dans l’eau
permet de comparer les variations dimensionnelles des bétons de granulats de laitier
à celles d’un béton de granulats silico-calcaires.
Bétons de granulats de laitier EAF inox : propriétés mécaniques et facteurs de durabilité.
1.
3
Matériaux
1.1. Les granulats de laitier EAF inox
1.1.1. Caractéristiques physiques et mécaniques
Les granulats de laitier EAF rentrent dans la catégorie « granulats artificiels » et
leur utilisation comme granulat dans le béton est régi par la norme EN 12620.
Obtenu lors de la première étape de l’élaboration de l’acier inox, le laitier
d’aciérie de four électrique inox (EAF inox) se présente sous forme de blocs solides.
Ces différents blocs solides produits, d’abord maturés, sont ensuite concassés et/ou
criblés au moyen d’une installation de concassage. Une coupure granulaire 4/20 mm
a été choisie pour l’étude. Les courbes granulométriques de ces granulats de laitier
EAF inox respectent le fuseau de spécificité recommandée par la norme EN 12620
« granulats pour béton ».
La masse volumique et l’absorption des granulats sont déterminées suivant la
norme NF EN 1097-6. Les granulats de laitier EAF inox étudiés, ont une densité
plus élevée que les granulats silico-calcaires : 2,8 contre 2,5 pour ces derniers
(Tableau 1). Cette densité reste cependant beaucoup moins élevée que les densités
des laitiers d’aciérie électrique carbone qui, selon [PEL 09] et [ABU 12], peuvent
varier dans la plage 3,1 - 3,97. En effet, ceux-ci sont chargés en oxydes de fer, ce
qui n'est pas le cas des inox dont le pourcentage d’oxyde de fer est inférieur à 1%
(Tableau2). Les granulats de laitier EAF inox étudiés possèdent également une
bonne résistance à la fragmentation : leur coefficient Los Angeles [NF EN 1097-2],
mesuré sur la coupure 10-14, est de 23. Le coefficient d’absorption des granulats de
laitier EAF inox se révèle plus élevé que celui des granulats silico-calcaires (2,57%
contre 0,98%). Il convient dans la formulation des bétons de granulats de laitier
d’accorder une attention particulière à l’absorption de ces granulats qui peut montrer
de fortes disparités (10,7 % selon [MAN 06] et 0,7 % selon [ABU 12]).
Tableau 1. Propriétés physiques et mécaniques des granulats de laitier EAF
inox.
Granulats
Laitier EAF inox
Silico-calcaire
Densité
2,8
2,5
Absorption d’eau (% massique)
2,57
0,98
Porosité (% volumique)
7,2
2,4
Coefficient Los Angeles
23
30
Les granulats de laitier EAF inox possèdent de bonnes caractéristiques
mécaniques. Ils présentent la particularité d’être à la fois plus denses mais
paradoxalement plus poreux qu’un granulat silico-calcaire. Leur plus forte densité
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4
est liée à la présence d’oxydes métalliques. Les résultats issus de la littérature
montrent que les propriétés physiques des laitiers EAF peuvent varier d’une
provenance à l’autre.
1.1.2. Composition chimique des granulats de laitier EAF inox
L’analyse chimique réalisée par fluorescence X sur les granulats de laitier EAF
inox étudiés est présentée dans le tableau 2.
Tableau 2. Composition chimique des granulats de laitier EAF inox.
Composantes
CaO
SiO2
MgO
Cr2O3
Proportion
43,94
34 ,47
5,56
5,17
Al2O3 MnO
TiO2
FeO
2,90
1,36
0,48
4,87
Les éléments prépondérants dans les granulats de laitier EAF inox sont SiO2 et
CaO (environ 80 % de la composition chimique).
Pour les granulats utilisables dans le béton, la norme EN 12620 spécifie des
valeurs limites de teneur en soufre total, de teneur en chlorures solubles dans l’eau et
de teneur en sulfates solubles dans l’acide. Les valeurs mesurées selon la norme EN
1744-1 sont indiquées dans le Tableau 3. Elles respectent les limites recommandées
pour une utilisation comme granulats dans le béton et permettent d’écarter certaines
hypothèses préjudiciables aux bétons.
Tableau 3. Propriétés chimiques des granulats de laitier EAF inox.
Eléments contenus dans les
granulats
Chlorures solubles dans l’eau (%)
Laitier EAF inox
Valeur recommandée
[EN 12620]
0,0005
≤ 0,01
Soufre total (%)
0,26
≤ 0,4
Sulfates solubles dans l’acide (%)
0,02
≤1
La teneur en soufre total des granulats de laitier EAF inox (0,26 %), inférieure à
la valeur maximale requise (0,4%), permettra donc de limiter le risque de formation
d’ettringite. Les granulats de laitier EAF inox étant très pauvres en chlorures
solubles dans l’eau (0,0005%), les risques d’endommagement dû à la corrosion des
aciers sont donc aussi réduits.
1.1.3. Composition minéralogique des granulats de laitier EAF inox
Les caractéristiques intrinsèques des granulats dépendent en partie de leur nature
minéralogique. Les analyses DRX des granulats de laitier EAF inox ont identifié les
phases suivantes : des silicates (akermanite, merwinite, andratite, cuspidine,
Bétons de granulats de laitier EAF inox : propriétés mécaniques et facteurs de durabilité.
5
rankinite) et des oxydes métalliques (spinels de chrome, perovskite). Des
observations au MEB couplées à des analyses EDX ont montré que l’akermanite et
la merwinite constituaient les phases majoritaires. Ces minéraux sont stables. La
quantité de CaO libre évaluée selon l’article 18 de la norme EN 1744-1 est de
0,07%. La présence de MgO n’a pas été détectée ni par DRX ni lors des analyses
MEB-EDX. Les granulats de laitier EAF inox contiennent donc, dans des
proportions très minoritaires, du CaO libre susceptible de présenter une réaction
expansive.
1.2. Formulation des bétons de granulats de laitier EAF inox
Il s’agit dans cette étude de substituer tout ou partie des gravillons silicocalcaires d’un béton de référence par des granulats de laitier EAF inox. Des bétons à
hautes performances BHP (rapport E/C = 0,3) et des bétons ordinaires BO (rapport
E/C = 0,55) sont réalisés. Trois types de béton sont confectionnés pour chacun de
ces deux rapports E/C : un béton de référence constitué exclusivement de gravillons
silico-calcaires (SC), un autre béton contenant 50% de gravillons silico-calcaires et
50% de gravillons de laitier d’aciérie de four électrique inox et un dernier béton
contenant 100% de gravillons de laitier d’aciérie de four électrique inox. Le volume
de granulats reste constant d’une formulation à l’autre. Du ciment portland CEM
I / 52.5 et du sable silico-calcaire 0/4 sont utilisés pour toutes les formulations. Les
différents bétons sont de classe de consistance S4 (béton fluide : affaissement
compris entre 16 et 21 cm). Le Tableau 4 présente les formulations réalisées.
Tableau 4. Composition des bétons.
Bétons à hautes
performances E/C = 0,3
Bétons ordinaires
E/C=0,55
% gravillon de laitier EAF
0%
50%
100%
0%
50%
100%
Ciment (kg/m3)
500
500
500
370
370
370
1053
526
0
1048
509
0
0
592
1183
0
573
1105
Sable SC 0/4 (kg/m )
650
650
650
699
721
736
3
Eau (kg/m )
150
150
150
204
204
204
Superplastifiant (kg/m3)
3,7
3,7
3,7
-
-
-
Gravillon
4/20 (kg/m3)
SC
EAF inox
3
2.
Démarche expérimentale
Les mesures de résistances en compression et en traction ainsi que du module
d’élasticité dynamique sont réalisées sur tous les bétons formulés. Les essais de
compression et de traction sont faits sur des éprouvettes de béton 16 x 32 cm suivant
la norme NF EN 12390 « Essais pour béton durci ». Pour chacun de ces essais et
31èmes Rencontres de l’AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai 2013
6
pour chaque type de béton, trois éprouvettes 16 x 32 cm conservées dans l’eau à
20°C sont utilisées. Le module d’élasticité est, quant à lui, déterminé par mesures de
vitesse d’ondes selon la norme NF EN 12504-4. Le matériel utilisé est l’appareil à
ultrason « Pundit ».
La mesure des propriétés mécaniques est menée à différentes échéances (28, 90
et 365 jours) afin de vérifier qu’il n’y a pas d’endommagement du matériau dans le
temps lié à la formation de composés expansifs. Afin de favoriser les éventuelles
réactions d’hydratation, les échantillons sont conservés sous l’eau. De même, afin de
mettre en évidence d’éventuelles expansions volumiques, des essais de stabilité
dimensionnelle sont réalisés à 28, 90 et 365 jours. Réalisés selon la norme NF P 18454, ils consistent à mesurer les déformations longitudinales d’éprouvettes
prismatiques de béton (7 x 7 x 28 cm) conservées dans l’eau à 20°C. Trois
éprouvettes sont testées pour chaque type de béton. Des mesures de perméabilité au
gaz et de porosité à l’eau sont aussi effectuées afin d’obtenir des paramètres de
durabilité pour les bétons de granulats de laitier EAF inox réalisés. L’essai de
perméabilité au gaz est réalisé au moyen du dispositif à charge constante
CEMBUREAU sur des disques de béton 5 x 30 cm selon le protocole AFPCAFREM. La densité et la porosité à l’eau des différents bétons sont mesurées par
pesée hydrostatique selon la norme NF EN 12390-7. Pour chacun de ces essais
(perméabilité et porosité) et pour chaque type de béton, trois échantillons sont
utilisés.
3.
Résultats et discussions
3.1. Influence des granulats de laitier EAF inox sur les performances
mécaniques des bétons ordinaires (BO) et des bétons à hautes
performances (BHP)
Les bétons fabriqués avec les granulats de laitier d’aciérie électrique inox (EAF
inox) sont plus denses que ceux qui comportent exclusivement des granulats naturels
(silico-calcaires). Dans cette étude, la densité atteint respectivement 2,64 et 2,46
pour les bétons de granulats de laitier BHP et BO alors qu’elle est respectivement de
2,42 et de 2,27 pour les bétons de granulats silico-calcaires BHP et BO. L’utilisation
des granulats de laitier EAF entraine donc une augmentation de la densité des bétons
de 8 à 10 %. Cette augmentation de densité du béton s’accompagne d’une légère
augmentation de la résistance mécanique de ces bétons. La figure 1 présente
l’évolution des résistances en compression et en traction des quatre formulations de
bétons de granulats de laitier étudiés. Ces valeurs sont comparées aux résistances
des bétons de granulats silico-calcaires (0% de substitution). La résistance à la
compression à 28 jours des BHP augmente de 67 à 73 MPa (soit 9%) pour une
substitution totale par les gravillons de laitier EAF inox. Pour les BO, ce gain est
légèrement plus faible (7,5%). De même, les résistances à la traction sont
légèrement supérieures lorsque des gravillons de laitier d’aciérie de four électrique
sont utilisés. L’écart type de ces valeurs est de ± 3 MPa.
7
Bétons de granulats de laitier EAF inox : propriétés mécaniques et facteurs de durabilité.
80
73
71
67
Résistances à 28 jours BO
40
6,1
6,4
6,2
0
0
50
100
Pourcentage granulat de laitier
Compression
Traction
Résistance à la traction MPa
Résistance à la compression MPa
Résistances à 28 jours BHP
45
43
42
40
30
15
4,2
4,4
4,4
0
0
50
100
Pourcentage granulat de laitier
Compression
Traction
Figure 1. Résistances à la compression et à la traction des BO et BHP en
fonction du pourcentage de substitution par des gravillons de laitier EAF inox.
Les modules élastiques augmentent également légèrement avec l’utilisation de
gravillons de laitier d’aciérie de four électrique inox. La substitution totale des
gravillons SC par les gravillons de laitier EAF inox entraine une augmentation du
module d’élasticité de 10 %.
Ces performances proviennent non seulement de la bonne résistance des
granulats de laitier EAF inox mais également de la bonne qualité de l’interface
granulat - matrice cimentaire. En effet, la forme concassée ainsi que la surface
rugueuse et légèrement poreuse des granulats de laitier EAF inox sont favorables à
une meilleure adhésion entre les granulats et la pâte de ciment.
3.2. Durabilité des bétons des granulats de laitier EAF inox
L’influence des granulats de laitier EAF inox sur la durabilité des bétons est
analysée au travers de la mesure d’indicateurs de durabilité (porosité à l’eau et
perméabilité au gaz) et par la vérification de la stabilité dimensionnelle ainsi que de
la conservation dans le temps des caractéristiques mécaniques et de la porosité des
bétons.
3.2.1. Porosité et perméabilité des bétons de granulats de laitier EAF inox
Dans cette étude, la porosité à l’eau des BHP de granulats de laitier EAF inox est
de 12,4% et leur perméabilité au gaz égale à 2,3x10-16 m2. Ces valeurs sont
légèrement supérieures à celles des BHP de granulats silico-calcaires (Tableau 5).
Pour les BO, la porosité évolue de 10,8% à 13% et la perméabilité de 1,6x10-16 m2 à
2,8x10-16 m2 pour une substitution totale des gravillons silico-calcaires par les
gravillons de laitier. A formulation identique, les bétons composés de granulats de
laitier EAF inox sont de ce fait plus sensibles à la pénétration d’agents agressifs et
aux cycles de gel/dégel. Cependant, ces valeurs restent dans les limites
recommandées pour une durée de service de bâtiments de 30 à 50 ans, voire au-delà
pour certains types d’environnement [BAR 08]. La porosité et la perméabilité au gaz
31èmes Rencontres de l’AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai 2013
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des bétons de granulats de laitier EAF inox pourraient toutefois être améliorées par
l’optimisation de la granulométrie des granulats et par l’ajout de fillers et d’ultra
fines comblant les vides entre les granulats et les grains de ciments.
Tableau 5. Porosité à 28 jours et perméabilité à 28 jours des bétons en fonction
du pourcentage de substitution de gravillons silico-calcaires par des gravillons de
laitier EAF inox.
% gravillon de laitier
Porosité (%)
Ecart type (%)
Perméabilité (x10-16 m2)
Ecart type (x10-16 m2)
0
9,9
BHP
50
10,9
0,9
1,9
100
0
12,4
10,8
0,5 à 0,7
2,3
1,6
0,1
BO
50
12,1
100
13,1
2,3
2,8
3.2.2. Stabilité dimensionnelle et conservation dans le temps des
caractéristiques mécaniques et de la porosité des bétons de granulats
de laitier EAF inox
Les résultats du test de stabilité dimensionnelle sont aussi encourageants. Les
bétons de granulats de laitier EAF inox présentent vis-à-vis de la stabilité
dimensionnelle un comportement similaire à celui des bétons de granulats silicocalcaires. On note cependant à long terme (365 jours) un léger gonflement pour les
bétons de granulats EAF inox : 0,017% pour le BHP avec 100% de granulats de
laitier EAF inox contre 0,008% pour le BHP de référence constitué de granulats
silico-calcaires (Figure 2). Cela est peut être dû à la présence dans les granulats EAF
inox de CaO libre. Toutefois, selon la norme FD 18-456, les valeurs limites
admissibles pour les déformations longitudinales (0,03% à 12 mois) ne sont pas
dépassées.
∆l/lo (%)
0,02
0,01
0
0
100
200
300
400
-0,01
-0,02
0% EAF
Nombre de jours
50% EAF
100% EAF
Figure 2. Variations dimensionnelles des BHP dans le temps en fonction du taux
de substitution de granulats silico-calcaires par des granulats de laitier EAF inox.
Bétons de granulats de laitier EAF inox : propriétés mécaniques et facteurs de durabilité.
9
Les résultats pour les BO ne sont disponibles que pour un béton âgé de 90 jours
(Tableau 6). A cette échéance, le gonflement est plus faible pour les BO que pour les
BHP, aux mêmes pourcentages de substitution des gravillons.
Tableau 6. Variations dimensionnelles des BO en fonction du pourcentage de
substitution de granulats silico-calcaires par des granulats de laitier EAF inox.
Béton ordinaire
E/C = 0,55
% gravillon de laitier
0
50
100
à 28 jours (%)
- 0,009
- 0,010
- 0,012
à 90 jours (%)
0,001
0,004
0,007
fcj/fc28 (%)
La porosité à l’eau des bétons de granulats de laitier EAF inox a légèrement
diminué avec le temps. Cette diminution de la porosité et la conservation dans le
temps (jusqu’à 365 jours) des performances mécaniques des bétons de granulats de
laitier EAF inox indiquent que l’hypothèse d’éventuelles réactions chimiques qui, à
long terme, provoqueraient la dégradation des granulats de laitier EAF inox peut être
écartée. La figure 3 présente le gain de résistance entre 28 jours et 365 jours pour les
BHP de granulats de laitier EAF inox.
115
110
105
100
95
0
100
0% EAF
200
Temps (jours)
50% EAF
300
400
100% EAF
Figure 3. Gain de résistances en compression entre 28 et 365 jours pour les
BHP de granulats de laitier EAF inox.
Conclusion
Selon les critères de la norme NF EN 12620 vérifiés dans cette étude, les
granulats de laitier d’aciérie de four électrique inox (EAF inox) peuvent être utilisés
dans le béton en substitution des granulats naturels (silico-calcaires). Les résistances
mécaniques des bétons formulés avec ces granulats de laitier EAF inox sont
légèrement meilleures que celles des bétons de granulats silico-calcaires. Les
indicateurs de durabilité (porosité à l’eau, perméabilité au gaz) de ces bétons, bien
qu’ils soient légèrement supérieurs à ceux d’un béton traditionnel, restent conformes
pour les constructions de bâtiments et ouvrages de génie civil. L’évolution des
résistances mécaniques et la conservation des modules d’élasticité sur 365 jours
indiquent qu’il n’y a pas d’endommagement du matériau suite à d’éventuelles
réactions expansives des granulats de laitier EAF inox, liées au faible pourcentage
de CaO libre (<1%) présent dans ces laitiers. Cette étude révèle une nouvelle
31èmes Rencontres de l’AUGC, E.N.S. Cachan, 29 au 31 mai 2013
10
catégorie de bétons aux propriétés spécifiques : plus denses et en même temps plus
poreux. Elle apporte également une réponse environnementale à la gestion des
déchets industriels et à la préservation des ressources naturelles. Des essais
similaires sur l’ensemble des laitiers de la filière électrique inox produit par
UGITECH, mélange de laitier de four (EAF inox) et de laitier de convertisseur
(AOD stabilisé), donnent des résultats équivalents pour des bétons hautes
performances [ADE 13].
Remerciements
Les auteurs remercient UGITECH pour sa collaboration scientifique et son
soutien financier.
4.
Bibliographie
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region », Construction and Building Materials, vol. 34, 2012, p. 249-256.
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