FR3105219A1 - Procédé de fabrication de ciments sursulfatés - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un procédé de fabrication de ciment sursulfaté, dans lequel on mélange des composants aluminosilicates pouzzolaniques et un complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin, caractérisé en ce que ledit complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin est élaboré en réalisant les étapes successives suivantes : une première étape de mélange de 70% en masse de sulfate de calcium et 30% en masse de composants alcalins ; puis une deuxième étape d’activation thermodynamique par trempe chaude dudit complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin ; puis une troisième étape de trempe froide par mélange rapide du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin activé avec les composants aluminosilicates pouzzolaniques. Figure pour l’abrégé : figure2

Description

Procédé de fabrication de ciments sursulfatés
L’invention concerne le domaine technique de l’industrie cimentaire, et plus particulièrement les ciments sursulfatés (SSC), c’est-à-dire les ciments à haute teneur en sulfates. L’invention concerne notamment un procédé de fabrication d’un ciment sursulfaté, les ciments sursulfatés obtenus par ledit procédé, et leur utilisation pour la préparation de matériaux de type béton, mortier ou coulis et l’adjuvantation des ciments en vue de l’amélioration de leurs performances.
Un ciment est un liant hydraulique qui durcit sous l'action de l'eau, utilisé dans la préparation du béton et de la plupart des mortiers. II s’agit d’un matériau pulvérulent hydraulique, c’est-à-dire une poudre très fine et très réactive. Lorsque cette poudre est mélangée avec de l’eau, elle forme une pate qui durcit suite à des réactions d’hydratation. Après durcissement, ce mélange conserve sa résistance et sa stabilité même sous l’eau.
Les ciments sont actuellement classés en fonction de leur teneur en clinker et d'autres composants (chaux, fumées de silice, pouzzolane, laitier de hauts fourneaux, etc.).
De façon classique, le procédé de fabrication d’un ciment du type Portland comprend les étapes suivantes :
i. la cuisson à haute température (environ 1450°C) dans un four rotatif, d’un mélange dosé de calcaire (environ 80% en poids) et d’argile (environ 20% en poids), qui donne ce que l’on appelle le clinker de ciment ; et
ii. le co-broyage du clinker de ciment obtenu avec du gypse afin d’obtenir une poudre très fine et très réactive.
Toutefois, l’étape (i) de cuisson conduisant au clinker de ciment, ingrédient clé du ciment, est très consommatrice d’énergie et fortement émettrice de CO2. En effet, au cours de cette étape de cuisson, le calcaire (CaCO3) subit une décarbonatation en gaz carbonique (CO2) et en chaux libre (CaO) conformément à la réaction suivante :
CaCO3(s) CaO (s) + CO2(g)
De manière générale, on considère que la production d’une tonne de clinker de ciment s’accompagne de la production d’environ 0,85 tonnes de CO2provenant de la «décarbonatation» proprement dite pour 0,55 tonne, et de la dépense en énergie pour la cuisson et le broyage pour 0,3 tonne de CO2.
On constate une augmentation constante de CO2dans l’atmosphère qui a pour conséquence un réchauffement de la planète par effet de serre. On comprend donc aisément que ce soit un souci permanent des cimentiers d’essayer de réduire les émissions de CO2.
Pour pallier ce problème environnemental, il est connu d’utiliser des composants aluminosilicates tels que le laitier issu de hauts fourneaux et les cendres volantes, mais non exclusivement, pour réduire Ia proportion du clinker de ciment dans la fabrication du ciment. Cette technique offre l’avantage de permettre à la fois une réduction des émissions de CO2par tonne de ciment produite et une diminution de la consommation de matières premières naturelles non renouvelables, comme le calcaire et ou l’argile.
Toutefois, cette technique présente l’inconvénient majeur de conduire à l’obtention de ciments présentant des performances mécaniques médiocres aux jeunes âges, c’est à dire avant 7 jours, et un fort retrait de dessiccation imposant une cure préventive.
On connait également l’utilisation de ciment sursulfaté (SSC). Un ciment sursulfaté est un ciment constitué principalement (norme NF EN 15743) de laitier (S) de hauts fourneaux et des sulfates de calcium (Cs). La proportion massique du laitier (S) est au minimum de 75%, et la proportion massique des sulfates de calcium (Cs) est comprise entre 5% et 20%. Le clinker (K) est présent selon une proportion massique variant de 0% à 5%. D’autres constituants secondaire (A) peuvent être présents, dans une proportion massique variant de 0% à 5%, et enfin des additifs peuvent être ajoutés dans une proportion massique inférieure à 1%.
On connaît dans l'état la technique, notamment d'après le document WO2015104466A1, un procédé de préparation d’un tel ciment, à base de clinker ou de chaux, de sulfate de calcium sous la forme d’anhydrite soluble, et d’un composant pouzzolanique. Ce procédé comprend les étapes suivantes :
i. traitement thermique d’un mélange pulvérulent comprenant du ciment ou du clinker de ciment ou de la chaux, et du sulfate de calcium, à une température comprise entre 200°C et 800°C, pour former un produit composite pulvérulent comprenant du ciment ou du clinker de ciment ou de la chaux, associe au sulfate de calcium se trouvant sous forme d’anhydrite soluble; et
ii. refroidissement des particules dudit produit composite par mise en contact avec un composant pouzzolanique pulvérulent, de manière à ramener Ia température desdites particules a une température inférieure à 45 °C en un temps inférieur à deux minutes, et à obtenir ledit ciment hydraulique sous forme de poudre pulvérulente.
Un problème technique que cherche à résoudre l’invention est d’améliorer ce type de procédé:
vis-à-vis des exigences mécaniques en termes de résistances à court terme à savoir obtenir des résistances accrues dès les premières heures de prise ;
vis-à-vis des exigences physiques en termes de temps de début de prise, de stabilité, et de chaleur d’hydratation;
vis-à-vis des exigences environnementales : réduction de l’impact environnemental du procédé en baissant les besoins énergétiques de production et l’optimisation des composants du ciment (exigences en matière de perte au feu, de résidus insolubles, de teneur en sulfate, et de teneur en chlorures notamment).
A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de fabrication de ciment sursulfaté, dans lequel on mélange des composants aluminosilicates pouzzolaniques et un complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin ((Cs) + (K) + (A)), dans lequel ledit complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin est élaboré en réalisant les étapes successives suivantes :
  • une première étape de mélange de 70% en masse de sulfate de calcium et 30% en masse de composants alcalins ; puis
  • une deuxième étape d’activation thermodynamique par trempe chaude dudit complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin ; puis
  • une troisième étape de trempe froide par mélange rapide du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin activé avec les composants aluminosilicates pouzzolaniques.
Le dit complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin ainsi élaboré permet d’accroitre la formation de l’éttringite primaire stable, et d’accroitre la cinétique de formation des hydrates CSH (silicate de calcium hydraté) lors de son hydratation en présence des composants aluminosilicates pouzzolaniques.
Le traitement thermodynamique flash appliqué concomitamment aux composants d’activation pré-mélangés (Cs)+(K)+(A) améliore leur solubilité et leur réactivité hydraulique et chimique lors de leur hydratation en présence des composants aluminosilicates.
Grâce à la troisième étape 3, on mélange tous les composants (aluminosilicates pouzzolaniques et complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin), on fige et on stabilise la structure cristalline du produit composite, et on réduit la métastabilité du produit à l’air libre. La granulométrie de la composition pulvérulente est comprise entre 5 microns et 100 microns et une surface spécifique supérieure à 12 m2/g.
La réactivité hydraulique du complexe d’activation est très performante et permet de supprimer le cas échéant le clinker ou le ciment Portland dans la fabrication du ciment sursulfaté issu du procédé selon l’invention.
Par ailleurs, les performances mécaniques du ciment sursulfaté ainsi obtenu sont meilleures par rapport à l’état de la technique de 15% à 25%, en particulier dès les
premières heures de prise.
On constate également un allongement du délai de prise initiale.
La fluidité des mortiers et bétons est améliorée en raison des morphologies cristallines de forme arrondies.
Enfin, la consommation énergétique a été réduite de 50% par rapport à un ciment sursulfaté de l’art antérieur, par la réduction des températures de calcination., par le recyclage partiel de l’air chaud de calcination, et par le réchauffement de l’air neuf dans un échangeur thermique récupérant les effluents thermiques sur l’air extrait.
Suivant d’autres caractéristiques optionnelles du procédé de fabrication de ciment sursulfaté prises seules ou en combinaison.
Le procédé peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
  • le sulfate de calcium est une composition comportant en masse de 5% à 10% d’anhydrite II soluble, 70% à 80% de béta anhydrite III, et 15% à 30% de béta hémihydrate;
  • les composants alcalins sont choisis seuls ou en combinaison parmi les composants suivants: composants pouzzolaniques synthétiques ou naturels, un aluminate de calcium amorphe, des chaux hydrauliques, des chaux aériennes, des chaux vives, des composants basiques;
  • le composant aluminosilicates pouzzolaniques comprend 75% en masse au minimum de composants pouzzolaniques naturels (notamment d’origine volcanique) ou synthétiques (notamment d’origine des hauts fourneaux);
  • les composants aluminosilicates pouzzolaniques comportent un laitier granulé de hauts fourneaux (mais non exclusivement) ;
  • on mélange au minimum 75% en masse de composants aluminosilicates pouzzolaniques et 30% en masse maximum du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin;
  • la deuxième étape d’activation dudit complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin comprend une transformation et activation du sulfate de calcium par un procédé thermodynamique flash;
  • le procédé thermodynamique flash est apte à homogénéiser, à microniser, à choquer thermiquement ledit sulfate de calcium, et à le transformer en phases à hautes réactivités hydrauliques, telles que des phases composites anhydrites II, anhydrite III beta, et hémihydrate béta associées concentriquement au sein des mêmes particules.
  • la micronisation est une micronisation autogène cinétique obtenue par mécano-synthèse de particulesau sein du procédé thermodynamique flash ;
  • les composants du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin ont une température comprise entre 150°C et 300°C à la sortie du procédé thermodynamique flash;
  • le procédé thermodynamique flash comporte une étape de choc thermique réalisé à l’intérieur d’un fluide chaud de vapeur surchauffée;
  • la transformation du sulfate de calcium est une transformation en phases complexes réalisée par un dispositif de réacteur thermodynamique flash comprenant un conduit toroïdal et une unité de gestion électronique;
  • l’unité de gestion électronique est apte à contrôler les paramètres de l’étape d’activation thermique;
  • on réalise une étape de déshydratation quasi instantanée des composants du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin par contact direct et par entrainement par un fluide gazeux chargé en vapeur surchauffée dans le conduit toroïdal placé en dépression en sortie et soumis à l’entrée à une pression comprise entre 50 mbar et 200 mbar, à une température réglée entre 250°C et 450°C, générant un flux du fluide gazeux entrant à une vitesse comprise entre 15 m/s et 25 m/s; cette étape permet d’accroitre de 50% les réactivités et les performances mécaniques au jeune âge et à terme du ciment (résistances en compression pouvant s’élever à 25 MPa à 48 heures et 70 MPa à 28 jours) par rapport aux procédés conventionnels de calcination ne dépassant pas 12 MPa à 48 heures et 49 MPa à 28 jours; elle permet concomitamment une micronisation autogène de très haute finesse de Blaine supérieure à 12 m2/gr;
  • le fluide chaud chargé en vapeur surchauffé est partiellement recyclé et mélangé avec l’air neuf dans un caisson de mélange électro-régulé; ainsi, on réduit la consommation énergétique, en recyclant l’air chaud, permettant une amélioration significative du bilan thermique, du transfert thermique du fluide chaud chargé en vapeur surchauffée au contact des particules du complexe d’activation. On accélère leur déshydratation et on obtient ainsi une intensification de leur réactivité hydraulique;
  • l’air neuf est réchauffé par le fluide chaud extrait dans un échangeur thermique air / air;
  • le fluide chargé en vapeur est chauffé par un brûleur automatisé (gaz, charbon, fuel) et mélangé dans une chambre de combustion avant d’être injecté dans le réacteur thermodynamique flash par l’intermédiaire d’une batterie d’injecteurs; le recyclage de l’air chaud en sortie du flash réduit considérablement jusqu'à 40% les consommations du bruleur qui régule la température d’injection du fluide chaud;
  • à la sortie du réacteur thermodynamique flash, la vitesse du fluide gazeux chaud est comprise entre 30 m/s et 40 m/s, la température est comprise entre 180°C et 300°C;
  • la troisième étape de trempe froide est réalisée de façon à refroidir le complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin à une température comprise entre 30°C et 50°C en moins d’une minute;
  • la troisième étape de trempe froide est réalisée par mélange rapide du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin activé en sortie flash avec des composants aluminosilicates pulvérulents à 30°C +/- 15°C dans un mélangeur en continu;
  • la troisième étape de trempe froide est réalisée par mélange rapide du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin en sortie de flash avec les composants aluminosilicates pouzzolaniques, par exemple laitiers sidérurgiques moulus, à température ambiante (mais non exclusivement).
L’invention concerne également un ciment sursulfaté obtenu par le procédé selon l’invention.
L’invention concerne également des utilisations d'un ciment selon l’invention pour sa mise en œuvre:
  • dans la production de béton à faible chaleur d’hydratation, à prise mer, résistants aux sulfates, résistants aux acides et la production des mortiers techniques; ou
  • dans la production de béton cellulaire coulé ou moulé durci à pression atmosphérique, comprenant ledit ciment, de l'eau de gâchage, au moins un agent tensioactif, au moins un agent fluidifiant, et le cas échéant au moins un agent moussant; ou
  • dans la composition d’un liant hydraulique routier (LHR) à durcissement normal ou rapide élaboré; ou
  • dans la production d’un activateur calcio-sulfato-alcalin pour améliorer les performances de ciments des bétons et des mortiers; ou
  • pour améliorer les performances des ciments, des bétons, des mortiers techniques, des ciments aux laitiers, des ciments alumineux, des ciments sulfo-alumineux et des liants géotechniques ou routiers, des plâtres, des chaux hydrauliques ou aériennes; ou
  • pour la fabrication de béton de sable à base de granulats de sables ronds éoliens, ou de sable de dune, de sables éoliens ou de sable ordinaire; ou
  • pour la fabrication de granulats allégés, isolants thermiques et acoustiques à base de déchets végétaux ou bois ou pailles broyées ou autres déchets de basse densité, par minéralisation de ces composants au moyen d’un enrobage par coulis à prise rapide à base dudit ciment; ou
  • pour la fabrication de bétons thermiquement activés; ou
  • pour la fabrication de composants plâtre de très haute dureté shore mis en œuvre par moulage, coulage, injection, projection, stratification ; ou
  • pour l'encapsulation des déchets industriels dangereux par enrobage de ces composants dans une matrice minérale stable et non lixiviable ; ou
  • pour la production d'éléments composites préfabriqués à base de bois et de béton, d'éléments de types panneaux, panneaux sandwich, panneaux isolants, panneaux acoustiques dalles, prédalles, murs.
Brève description des figures
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels:
La figure 1 est une vue schématique d’une installation permettant de mettre en œuvre le procédé de fabrication de ciment sursulfaté objet de l’invention.
La figure 2 est un graphique qui permet de comparer la montée en résistance en fonction du nombre de jours d’hydratation des ciments sursulfatés en l’état de l’état de l’art en rouge d’une part, avec des CSS objet de la présente invention d’autre part.
La figure 3 permet de comparer les émissions de CO2 de différents types de ciment en fonction du procédé de fabrication, notamment les CSS objet de la présente invention dont le niveau d’émission est représenté par la barre CSS en abscisse.
Description détaillée
L’invention concerne un procédé de fabrication de ciment sursulfaté, dans lequel on mélange des composants aluminosilicates pouzzolaniques (S) et un complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin (Cs)+(K)+(A).
Le ciment sursulfaté ainsi obtenu comprend un mélange de 30% en masse au maximum du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin, et 75% en masse au minimum de composants aluminosilicates pouzzolaniques (S).
Les composants aluminosilicates pouzzolaniques synthétiques (notamment d’origine des hauts fourneaux) ou naturels (notamment d’origine volcanique) présentent un haut indice de pouzzolanicité (selon un test Chapelle).
Selon un exemple, les composants aluminosilicates pouzzolaniques comportent un laitier granulé de hauts fourneaux.
Selon l’invention, le complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin est élaboré en réalisant les étapes successives suivantes :
  • une première étape de mélange de 70% en masse de sulfate de calcium et 30% en masse de composants alcalins; puis
  • une deuxième étape d’activation thermodynamique par trempe chaude dudit complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin; puis
  • une troisième étape de trempe froide par mélange rapide du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin activé avec les composants aluminosilicates pouzzolaniques.
Les mécanismes d’activation et d’hydratation des composants (S) aluminosilicates sont les suivants :
  1. Le complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin comporte des activateurs au rôle de catalyseurs alcalins qui déclenchent une attaque « hydroxylique », facteur d’accroissement des réactions de dissolution, précipitation et cristallisation des composants vitreux SiO2 des Aluminosilicates pouzzolaniques et des composants calciques CaO et, n’entrant pas dans la structure des hydrates. Ces réactions en milieu alcalin intensifient la solubilité des composants siliceux et calcaires. La formation des hydrates n’est possible qu’en milieu basique élevé ce qui évite la formation d’un gel d’alumine bloquant la poursuite de l’hydratation en CSH (silicate de calcium hydraté) des composants aluminosilicates. La dissolution n’est possible que lorsque le pH du milieu dépasse une valeur de l’ordre de 12.5 pH fixé par l’équilibre de dissolution-précipitation de l’hydroxyde de calcium (pH = 12,5 - 12,6). Cette précipitation fait à son tour chuter la concentration des éléments dans la solution, ce qui permet la solubilisation d'une nouvelle quantité de produit jusqu'à une nouvelle précipitation de composés hydratés. Les tétraèdres Si4O2et Al3O2qui composent les phases vitreuses du matériau pouzzolanique sont séparés et libèrent des ions SiO(OH)3et Al(OH)4en intensifiant la densité des CSH.
  2. Le complexe d’activation comporte également des réactifs, principalement des composants sulfatiques, alumineux et calciques qui sont facteurs d’accroissement des réactions chimiques multiples de dissolution, précipitation, substitution, cristallisation des éléments calciques et alumineux, ce qui entrainent la formation des hydrates et en particuliers l’éttringite primaire stable. A titre indicatif, le sulfate de calcium thermodynamiquement activé dans le process flash selon l’invention (étape 2) est 50% plus soluble et plus réactif que le sulfate de calcium dihydrate ou hémihydrate ou anhydrite.
Première étape: mélange des composants du complexe d’activation
Le complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin est composé suivant la présente invention de :
  • 70% de sulfate de calcium, naturel ou synthétique, comportant en masse de 5% à 10% d’anhydrite II soluble, 70% à 80% de béta anhydrite III, et 15% à 30% de béta hémihydrate;
  • 30 % de composants alcalins.
En particulier, le complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin est composé de sulfate de calcium (Cs), de constituants secondaires d’activation (A), d’additifs (agents régulateurs de prise, de rhéologie et de PH alcalin), et éventuellement de clinker (K) ou de ciment, mais préférentiellement sans clinker (K) ou ciment.
Les composants alcalins sont choisis seuls ou en combinaison parmi les composants suivants: composants pouzzolaniques synthétiques ou naturels (tels que des ciments conventionnels ou des ciments alumineux ou des ciments sulfo-alumineux), un aluminate de calcium amorphe, des chaux hydrauliques, des chaux aériennes, des chaux vives, des composants basiques (tel que du carbonate de sodium ou du silicate de calcium ou de l’hydroxyde de potassium, ou du carbonate de lithium).
Dans le complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin les composants clinker (K) et constituants secondaires (A) sont préalablement dosés et mélangés au composant sulfate de calcium (Cs) avant leur traitement thermodynamique flash (seconde étape).
De façon générale, les composants du complexe d’activation (Cs)+(K)+(A) sont parfaitement mélangés et homogénéisés avant leur traitement thermodynamique flash (seconde étape).
Cette composition chimique améliorée permet d’accroitre la formation de l’éttringite primaire stable, et d’accroitre la cinétique de formation des hydrates CSH.
On décrit ci-après de façon détaillée la composition du mélange de composants aluminosilicates pouzzolaniques (S) et du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin (Cs+K+A).
a) Composants aluminosilicates pouzzolaniques (S)
De façon avantageuse, les composants aluminosilicates pouzzolaniques sont un laitier de haut fourneaux (LHF) moulu dosé au minimum à 75% en masse.
Selon un autre exemple, les composants aluminosilicates pouzzolaniques sont des composants aluminosilicates à haute pouzzolanicité d’origines naturelles, ou synthétiques notamment choisis seuls ou en combinaison, parmi les produits suivants: des laitiers d’aciéries de convertisseur, des laitiers silico-manganèses, des argiles calcinées, des pouzzolanes naturelles, des tufs volcaniques, des métakaolins mais non exclusivement.
L’amélioration des réactivités chimiques et hydrauliques induites par le complexe d’activation chimique calcio-sulfatiques alcalin ((Cs)+(K)+(A))selon la présente invention, permet de recourir à un plus grand choix, par rapport aux ciments connus de l’art antérieur, de composants pouzzolaniques aluminosilicates synthétiques ou naturels en substitution au laitiers moulus, et de les intégrer dans la composition de nouveaux ciments sursulfatés conformes aux normes en vigueur. Ces composants à forte hydraulicité latente doivent présenter des indices de pouzzolanicité élevés ou indice d'activité Chapelle [NF P 18- 513]. Ces composants de substitution comportent deux tiers en masse de la somme d’oxyde de calcium (CaO), d’oxyde de magnésium (MgO) et de dioxyde de silicium (SiO2). Le reste contient de l’oxyde d’aluminium (Al2O3) ainsi que de petites quantités d’autres composants.
De préférence, le rapport en masse (CaO + MgO)/(SiO2) dépasse 1. Le choix de substitution des composants aluminosilicates n’affecte pas les performances des ciments sursulfatés telles que requises à la norme 15743.
Ainsi, les composants aluminosilicates pouzzolaniques (S) sont choisis seuls ou en combinaison parmi les composant suivants: les pouzzolanes naturelles, les tufs volcaniques, les laitiers de haut fourneaux (S) mélangés à des laitiers d’aciérie de convertisseurs (LAC), les argiles calcinées, les boues rouges calcinées, les cendres silico-alumineuses, les cendres de papèteries, les métakaolins et tous mélanges des dits composants.
b) Composants K du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin (Cs+K+A)
Selon un exemple, ce composant est un ciment ou clinker moulu ou préférentiellement un ciment CEM.I. 52.5. Le clinker Portland est obtenu par frittage d’un mélange précis contenant des éléments, généralement sous forme d’oxydes, CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 et de petites quantités d’autres matériaux. Le clinker Portland est un matériau hydraulique qui doit contenir au moins deux tiers en masse de silicates de calcium (3CaO.SiO2 et 2CaO.SiO2), le reste étant constitué de phases de clinker contenant de l'aluminium, du fer et d'autres composants. Le rapport (CaO)/(SiO2) n’est pas inférieur à 2,0. La teneur en oxyde de magnésium (MgO) ne dépasse pas 5,0 % en masse. Il est important de réduire ou de préférence supprimer le ciment ou le clinker moulu afin de réduire l’impact environnemental du ciment sursulfaté.
Cette suppression est rendue possible par l’accroissement des réactivités hydrauliques et chimiques du complexe d’activation.
Ainsi, de préférence, le complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin (Cs+K+A) ne comporte pas de composant K.
c) Composants A du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin (Cs+K+A)
De façon avantageuse, ce composant est un constituant secondaire comportant de l’hydroxyde de calcium, issu de procédés industriels, composants minéraux spécialement choisis, d’origine naturelle et ou dérivés de procédés industriels spécifiés.
La source d'hydroxyde de calcium est de la chaux éteinte, de la chaux aérienne, de la chaux hydraulique, ou de la chaux vive, ou est choisie parmi les chaux commerciales.
Ce composant peut également être choisis parmi: des composants à haute réactivité pouzzolanique tel que le métakaolin flashé, de l’aluminate de calcium amorphe non cristallisé (ACA), des composants à base forte tel que le carbonate de sodium, ou le silicate de sodium ou l’hydroxyde de potassium, soit de carbonate de lithium non cristallisé, soit un ciment alumineux, soit un ciment sulfo- alumineux soit un mélange des dits composants.
d) Additifs du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin (Cs+K+A)
Les additifs du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin peuvent être choisis parmi les additifs suivants:
  • superplastifiants de type Etacryl M de chez Coatex® ou ONS 2000 de chez Tillmann®, pour l’ajustement des rhéologies fluides tout en réduisant l’eau de gâchage. Ces fluidifiants permettent d’accroitre de 10% à 25% les performances mécaniques des ciments sursulfatés grâce à la réduction des porosités des matrices cimentaires ainsi obtenues.
  • additifs retardateurs de prise jusqu'à deux heures, de type SIKA retardant P Agents alcalins, facteurs d’accroissement du Ph des solutions interstitielles des pâtes de type soudes, carbonates de sodium ou silicates de sodium.
Les additifs ne dépassent pas globalement 1% en masse du poids de ciment.
e) Ajouts au complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin (Cs+K+A)
Ces ajouts peuvent être des fillers charges minérales de granulométries inférieures à 100 microns, de préférence inférieures à 50 microns de type : aluminosilicates, siliceux, silico-calcaires, carbonates de calcium, pouzzolanes naturelles ou synthétiques, fumées de silices, cendres volantes, zéolites, diatomées, magnésium, etc. Les ajouts sont facteurs de réduction du rapport eau sur liant E/L .Ils améliorent très sensiblement (de 5% jusqu’à 15%) les performances mécaniques des bétons élaborés avec les ciments sursulfatés.
Seconde étape: activation thermodynamique par trempe chaude du complexe d’activation
La deuxième étape d’activation du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin comprend une transformation et une activation du sulfate de calcium par un procédé thermodynamique flash.
Le procédé thermodynamique flash du procédé selon l’invention est apte à homogénéiser, à microniser, à choquer thermiquement ledit sulfate de calcium, et à le transformer en phases à haute réactivités hydrauliques telles que des phases composites anhydrites II, anhydrite III beta, et hémihydrate béta. La micronisation est une micronisation autogène cinétique obtenue par mécano-synthèse de particules, à l’intérieur d’un conduit toroïdal asymétrique à section variable.
Le procédé thermodynamique flash du procédé selon l’invention comporte une étape de choc thermique réalisé à l’intérieur d’un fluide chaud de vapeur surchauffée.
Au sein de ce procédé, la transformation du sulfate de calcium est une transformation en phases complexes réalisée par un dispositif de réacteur thermodynamique flash comprenant un conduit toroïdal et une unité de gestion électronique. L’unité de gestion électronique est apte à contrôler tous les paramètres du procédé d’activation thermique à savoir :une température d’entrée et une température de sortie du dispositif de réacteur thermodynamique flash, une température de trempe froide, un dosage des différents composants dudit ciment sursulfaté, des pressions atmosphériques amont et aval du réacteur thermodynamique flash, des vitesses du fluide chaud en amont et en aval du réacteur thermodynamique flash, des débits d’air en sortie du réacteur thermodynamique flash.
De façon préférentielle, on réalise une étape de déshydratation quasi instantanée des composants du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin (composants introduits sous forme pulvérulente ou granuleuse) par contact direct et par entrainement par un fluide gazeux chargé en vapeur surchauffée dans le conduit toroïdal placé en dépression en sortie et soumis à l’entrée à une pression comprise entre 50 mbar et 200 mbar, à une température réglée entre 250°C et 450°C, générant un flux du fluide gazeux entrant à une vitesse comprise entre 15 m/s et 25 m/s.
Le fluide chaud chargé en vapeur surchauffé est partiellement recyclé et mélangé avec l’air neuf dans un caisson de mélange, notamment électro-régulé.
L’air neuf est réchauffé par le fluide chaud extrait dans un échangeur thermique air / air.
Le fluide chargé en vapeur est chauffé par un brûleur automatisé (gaz, charbon, fuel) et mélangé dans une chambre de combustion avant d’être injecté dans le réacteur thermodynamique flash par l’intermédiaire d’une batterie d’injecteurs.
Enfin, à la sortie du réacteur thermodynamique flash, la vitesse du fluide gazeux chaud est comprise entre 30 m/s et 40 m/s, la température est comprise entre 180°C et 300°C.
On décrit à présent un exemple de réalisation du procédé thermodynamique flash.
Selon l’invention, le complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin (Cs+K+A) est traité après mélange par un procédé thermodynamique flash amélioré. Ce procédé comporte les caractéristiques suivantes:
  • il comporte une étape de déshydratation quasi instantanée des composants pulvérulents ou granuleux par contact direct et entrainement par un fluide gazeux chaud chargé en vapeur surchauffée dans un flash présentant un conduit toroïdal placé en dépression en aval et soumis à une pression à l’entrée comprise entre 50 mbar et 200 mbar en amont;
  • le fluide gazeux chaud à l’entrée du flash est à une température réglée entre 250 °C et 450°C
  • la vitesse du fluide gazeux chaud à l’entrée du flash est comprise entre 15 m/s et 25 m/s;
  • la vitesse du fluide gazeux chaud en sortie du flash est comprise entre 30 m/s et 40 m/s;
  • les composants pulvérulents ou granuleux subissent une micronisation autogène au sein du conduit toroïdal du flash;
  • la température de l’air en sortie du flash est comprise entre 180°C et 300°C; les composants du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin ont une température comprise entre 100°C et 200°C à la sortie du procédé thermodynamique flash;
  • la composition pulvérulente en sortie de flash présente une granulométrie comprise entre 5 microns et 100 microns et une surface spécifique Blaine supérieure à 12 m2/ gramme;
  • la composition pulvérulente comporte une étape de refroidissement rapide soit par contact avec des composant pulvérulents froids soit par contact dans un échangeur à couches minces;
  • l’air chaud chargé en vapeur surchauffée en sortie de flash est partiellement recyclé et mélangé avec l’air neuf dans un caisson de mélange;
  • l’air neuf est réchauffé par l’air chaud extrait dans un échangeur thermique air / air;
  • le fluide chaud chargé en vapeur surchauffée est chauffé par un brûleur automatisé (gaz, charbon, fuel) et mélangé dans une chambre de combustion; et
  • l’air ainsi chauffé est injecté dans le flash par l’intermédiaire d’une batterie d’injecteurs.
A titre d’exemple, la figure 1 représente une vue schématique d’une installation permettant de mettre en œuvre le procédé de fabrication de ciment sursulfaté objet de l’invention. Sur cette figure, le mélangeur amont, permettant d’associer les composants du complexe d’activation n’est pas représenté. Les références de la figures 1 sont les suivantes:
1 : Alimentation par une vis sans fin du complexe d’activation chimique calcio-sulfatique alcaline préalablement dosé et mélangé
2 : Trémie réservoir feeder pour stock tampon du complexe d’activation
3 : Vis doseuse pour alimentation en complexe d’activation du flash thermodynamique
4 : Flash thermodynamique toroïdal à micronisation autogène des composants activateurs
5 : GTC gestion technique centralisée du procédé flash
6 : Tube d’injection dans le flash du complexe d’activation chimique calcio-sulfatique alcalin
7 : Injecteurs d’air chaud chargés de vapeur saturée
8 : Sélecteurs gravimétriques de sortie des particules de l’activateur
9 : Air chaud extrait mélangé au produit pulvérulent
10 : Séparation de l’air chaud du produit fini pulvérulent
11 : Extracteur a vis en sortie des filtres
12 : Ventilateur surpression amont du flash
13 : Ventilateur de pression aval du flash
14 : Circuit de recyclage de l’air chaud chargé en vapeur surchauffée
15 : Bruleur automatisé fuel ou gaz ou charbon et chambre de combustion
16 : Chambre de dosage du recyclage par vanne bypass autorégulée de l’air chaud chargé en vapeur surchauffée
17 : Chambre de mélange de l’air chargé en vapeur surchauffée et air neuf réchauffé
18 : Échangeur air/air récupérateur d’énergie sur air chaud recyclé et air neuf
19 : Compresseur air sec et réservoir tampon pour alimentation des filtres automatisés
20 : Composants aluminosilicates broyés laitiers moulus ou pouzzolanes naturelles moulues
21 : Fillers d’additions pour ciment
22 : Vis convoyeuse et dosage des composants pouzzolaniques laitiers ou pouzzolanes
23 : Mélangeur refroidisseur grande vitesse du complexe d’activation calcio-sulfatique alcalin avec les composants pouzzolaniques avec les composants pouzzolaniques
24 : Air neuf entrant
25 : Air extrait
100 : dispositif pour fabriquer le CSS selon l’invention
Troisième étape: trempe froide
La troisième étape de trempe froide est réalisée de façon à refroidir le complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin à une température comprise entre 30°C et 50°C en moins d’une minute.
Cette étape de trempe froide est réalisée par mélange rapide du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin activé en sortie de flash avec des composants aluminosilicates pulvérulents à 30°C +/- 15°C dans un mélangeur en continu à palles.
Cette étape de trempe froide est réalisée par mélange rapide du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin en sortie de flash avec les composants aluminosilicates pouzzolaniques, par exemple laitiers sidérurgiques moulus, à température ambiante.
L’invention concerne également un ciment sursulfaté obtenu par le procédé selon l’invention. Les performances d’un tel ciment répondent aux exigences de la norme EN 15743 en vigueur.
La stabilité et la durabilité de ce ciment sursulfaté ont été étudiées. L’évaluation de l’avancement réactionnel à 28 jours et à 90 jours par la diffraction rayons X (DRX) et l’examen au microscope électronique (MEB), a permis de vérifier l’évolution de l’hydratation des solutions interstitielles et le contrôle de l’évolution de la formation de CSH (silicate de calcium hydraté). L’avancement réactionnel est optimal en fonction de la consommation totale du sulfate de calcium et de celui du calcium.
La réaction du silico-alumineux, lorsqu’il est correctement activé, perdure jusqu’à consommer l’ensemble des réactifs potentiels en particulier le gypse et la portlandite.
La consommation des sulfates de calcium et du calcium prévient des réactions alcaligranulats (RAG) et des réactions sulfatique interne (RSI) (formation d’éttringite différée).
De manière surprenante le ciment selon l’invention présente une cinétique de réhydratation à l’air ralentie, ce qui confère au ciment une stabilité de conservation à l’air quatre fois plus longue que celle des ciments conventionnels.
De façon générale, le ciment selon l’invention respecte la norme EN 15743 tout en ayant des performances supérieures aux ciments conventionnels de cette norme.
Par ailleurs, on constate un accroissement sensible des réactivités hydrauliques et pouzzolaniques du ciment selon l’invention. Les performances mécaniques de ce ciment sont ainsi améliorées de 15% à 20% par aux ciments conventionnels, en particulier au jeune âge, et on constate également un allongement du délai de prise initiale ainsi que des fluidités améliorées.
Ces performances améliorées permettent de supprimer le composant (K), clinker ou ciment. Cette absence de ce composant dans le mélange permet d’améliorer le bilan carbone de la fabrication du ciment sursulfaté, tout en lui conservant les performances minimales requises.
Ces performances améliorées permettent également l’utilisation de nouveaux composants aluminosilicates, par rapport à ceux proposés de façon restrictives dans norme, de type cendres volantes, laitiers d’aciéries de convertisseurs, laitiers volcaniques, métakaolins flashés, cendres de papèteries et leurs mélanges. Ces composants co-produits industriels pouzzolaniques sont ainsi valorisés en tant que matières premières.
Enfin, la consommation énergétique de fabrication du ciment est réduite de 35% à 45% par rapport à la fabrication d’un ciment sursulfaté selon le procédé décrit dans le document WO2015104466A1. Ceci est possible grâce à l’accélération des échanges thermodynamiques flash d’activation des composants (Cs)+(K)+(A), grâce d’une part à la récupération des effluents thermiques issus du procédé, et d’autre part, grâce au recyclage du fluide chaud chargé en vapeur surchauffée issu de la déshydratation du sulfate de calcium.
Ainsi, on constate un bilan énergétique (énergie mécanique et énergie thermique) lors de la fabrication du ciment objet de la présente invention, inférieur à 110 MJ/tonne de ciment, soit 10 fois inférieur à celui des ciments conventionnels.
La figure 3 permet de comparer les émissions (EmCO2) de CO2 par tonne de ciment, pour différents types de ciment, ayant des procédés de fabrication différents, notamment le ciment sursulfatés (CSS) objet de la présente invention dont le niveau d’émission est représenté par la barre CSS en abscisse.
Le bilan environnemental (CO2énergie+CO2matière) du ciment objet de la présente invention ne dépasse pas 60 Kg de CO2, soit 12 fois moins que les ciments conventionnels.
La figure 2 présente les tests de performances des ciments sursulfatés réalisés sur mortiers suivant la Norme NF EN 196-1. Cette figure permet de comparer la montée en résistance (R) en fonction du nombre de jours (E) d’hydratation, pour des ciments sursulfatés de l’état de l’art (courbe 1) d’une part, et pour des ciments selon l’invention, issu du procédé selon l’invention d’autre part (courbe 2).
Les tests réalisés sur le ciment sursulfaté objet de la présente invention a permis de vérifier les conformités vis-à-vis des exigences de la Norme 15743. Les résultats montrent que les conditions de maturation des mortiers jouent un rôle déterminant sur les performances mécaniques. Les cures en immersion permettent d’atteindre des niveaux de résistances plus élevés que dans des condition sèches avec un taux d’humidité de 90%. Les essais ont été réalisés sur la base du mortier normalisé (rapport massique liant/sable = 1/3) avec deux taux de gâchage (E/L = 0,4 et 0,5) caractéristiques des anciennes et nouvelles normes liées aux CSS. Quatre types de conservation sont utilisées : salle humide, immersion à 20°C, immersion à 40°C et ambiante à 20°C. Les mesures de retrait et de variations pondérales ont été suivies durant 90 jours. Les performances mécaniques sont évaluées à 2, 7, 28, et 90 jours. Les résultats obtenus sont supérieurs ou égaux aux limites de classement indiquées par la norme 15743. Concernant les ciments CSS 32.5/42.5/52/5, on remarque que les résistances des CSS évoluent notablement au-delà de 28 jours. Cet effet est très marqué pour le taux de gâchage de 0,40. L’évolution des résistances en compression se prolonge au-delà de 90 jours.
Les agents fluidifiants, plastifiants ou superplastifiants, aptes à permettre une réduction d'eau significative, à fenêtre d'ouvrabilité constance, et dont l'action, en réduisant la porosité, augmente très sensiblement les performances mécaniques de la composition cimentaire finale. A titre d'exemple de tels agents fluidifiants, plastifiants ou superplastifiants, réducteur d'eau on peut citer les polycarboxylates et les poly(métha)crylates® commercialisé par la société COATEX® ou le RHEOBUiLD® commercialisé par la société BASF® ou le FLUID commercialisé par la société TILLMAN.
Préférentiellement, les adjuvants pouvant entrer dans la formulation finale de la composition cimentaire selon l'invention peuvent être choisis parmi les adjuvants décrits dans la norme NF EN 934-2. Il convient par ailleurs de préciser que les résistances mécaniques accrues conférées dès le jeune âge (4 heures après hydratation) par les ciments hydrauliques objet de l'invention, ne sont pas obtenus au détriment de la fenêtre d'ouvrabilité (ou durée pratique d'utilisation) des compositions cimentaires formulées, laquelle ouvrabilité est satisfaisante et est assurée sur au moins 30 minutes, avantageusement sur une durée comprise entre 45 min et 90 min, à une température comprise entre 5°C et 30°C. Par l'expression « fenêtre d'ouvrabilité » : on entend selon la présente invention, la durée pendant laquelle l'affaissement de la composition cimentaire formulée, évalué selon la norme EN 12350-2, reste supérieur ou égale à 10mm.
L’invention concerne également des utilisations du ciment sursulfaté obtenu par le procédé selon l’invention.
  1. Production des bétons à faible chaleur d’hydratation , à
  2. P rise mer , résistants aux sulfates, résistants aux acides et la production des mortiers techniques.
  3. P roduction de béton cellulaire
On utilise le ciment selon l’invention dans un procédé de production de béton cellulaire coulé ou moulé durci à pression atmosphérique. Pour obtenir un tel béton, le procédé comporte une étape de mélange du ciment selon l’invention, de l'eau de gâchage, au moins un agent tensioactif, au moins un agent fluidifiant, et le cas échéant au moins un agent moussant.
Selon un exemple de réalisation, on réalise un béton basse densité entre 300 kg/m3et 1000 kg/m3offrant une résistance mécanique pouvant atteindre 9 MPa, et une conductivité thermique très basse comprise entre 0,025 W/mK et 0,7 W/mK, de préférence une conductivité thermique inférieure à 0,5 W/mK.
Selon un autre exemple de réalisation, on utilise le ciment de la présente invention pour préparer des matériaux de faible densité de type bétons légers, bétons cellulaires durcis à pression atmosphérique (dits bétons cellulaires hors autoclaves ou bétons mousses), de matériaux coupe-feu.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, on prépare un béton cellulaire (durci à pression atmosphérique) à partir du ciment hydraulique selon la présente l'invention, par un procédé comprenant les étapes suivantes :
  1. mélanger un ciment conforme à la présente invention avec au moins un agent tensioactif et au moins un agent fluidifiant;
  2. ajouter l'eau de gâchage;
  3. malaxer le mélange obtenu à l'étape (b) pour produire une mousse minérale dans laquelle des bulles d'air sont emprisonnées;
  4. couler la mousse minérale ainsi obtenue, notamment dans un moule, et permettre son durcissement.
Préférentiellement, ce procédé de fabrication de bétons cellulaires durcis à pression atmosphérique, comprend en outre préalablement à l'étape (c) de malaxage, une étape (b') consistant à ajouter au mélange obtenu à l'étape (b) un ou plusieurs agents moussants ou une mousse élaborée séparément à partir d'un ou de plusieurs agents moussants et de l'eau, laquelle mousse peut être préparée par tout moyen de génération de mousses, connu de l'homme du métier, par exemple par un générateur de mousse à air comprimé ou par batteur mécanique. Le ou les agents moussants sont dosés à raison de 1 litre à 1,5 litres pour 2000 litres d'eau pour confectionner une mousse de densité apparente de 20 kg/m3à 30 kg/m3. Le dosage en mousse à incorporer dans le mélange obtenu à l'étape (b) est variable 30 de 400 l/m3à 800 l/m3en fonction de la densité du béton recherché.
Les agents moussants convenant pour la mise en œuvre de ce procédé sont bien connus de l'homme de métier. On cite notamment ceux proposés par la société PROVOTON® sous la dénomination Provoton® et la société DR LUCAS&PARTNER® GmBH sous la dénomination Lithofoam®.
En pratique, le rapport pondéral eau/ciment hydraulique est compris entre 0,2 et 0,4, de préférence entre 0,25 et 0,35.
La quantité d'agent(s) tensioactif(s) mis en œuvre à l'étape (b) est de préférence comprise entre 0,01 % et 0.5% p/p ciment hydraulique, préférentiellement de 0,05% et 0.1% p/p ciment hydraulique
L'ajout d’au moins un agent tensioactif favorise la formation de mousse et la stabilisation des fines bulles créées dans la mousse minérale lors du malaxage. Les agents tensioactifs convenant pour la mise en œuvre de ce procédé sont bien connus de l'homme de métier. On cite notamment ceux proposés par la société SIKA® dans la gamme référencée par la dénomination AER® poudre, ou par la société CLARIANT® sous la dénomination OSTAPUR® OSB.
  1. Production d’un liant hydraulique routier (LHR)
On utilise le ciment selon l’invention dans un procédé de production d’un liant hydraulique routier (LHR) à durcissement normal ou rapide élaboré.
Selon un exemple de réalisation, le liant hydraulique routier comporte 50 % minimum de ciment sursulfaté objet de la présente invention, et 40% minimum d’un laitier d’aciérie de convertisseur (LAC). La résistance à la compression Rc à 56 jours sur mortier (NF EN 196-1) a été mesurée, et l’on obtient: 12,5 MPa ≤ Rc ≤ 32,5 MPa.
  1. Production d’un activateur calcio-sulfato-alcalin
On utilise le ciment selon l’invention dans un procédé de production d’un activateur calcio-sulfato-alcalin pour améliorer les performances des ciments ordinaires, des bétons, des mortiers techniques, des ciments aux laitiers, des ciments alumineux, des ciments sulfo-alumineux et des liants géotechniques ou routiers, des plâtres, des chaux hydrauliques ou aériennes mais non exclusivement.
  1. Production de béton de sable éolien
On utilise le ciment selon l’invention dans un procédé de production de béton de sable à base de granulats de sables ronds éoliens, ou de sable de dune, de sables éoliens ou de sable ordinaire. Un tel ciment pour être utilisé pour la réalisation de bétons armés de structures et bétons de masse pour la réalisation de construction passives à haute inertie thermique.
Les liants issus du procédé selon l’invention ont un comportement d’activation hydrauliques au contact des granulats composant siliceux des sables éoliens. Les matrices minérales ainsi formées sont composées de grains de sable ronds dont la surface est attaquée par activateurs calcio-sulfatiques et alcalins.
Il en résulte une très haute adhérence de l’interface ciment /granulat.
Le gel de CSH enrobe parfaitement les composants siliceux, ce qui est facteur de hautes résistance équivalentes à celle obtenue avec des compositions de bétons, sables et graviers de carrière. L’aspect sphérique des granulats éolien est un facteur de rhéologie fluide et de réduction de l’eau de gâchage.
Selon un exemple de réalisation, on réalise un béton de sable en mélangeant un ciment selon l’invention à 350 Kg/m3avec un sable éolien 0/2 mm 1950 Kg/m3.
Selon un autre mode de réalisation, on remplace le sable éolien par du sable de pouzzolane broyée avec:
  • Dosage en eau 182 Litres;
  • Fluidifiant à 0.4% ONS 2000 de chez Tillmann®;
  • Retardant P 0.02 % Sika.
La résistance à la compression a été étudiée. Les résultats suivants ont été obtenus:
  • à 24 heures: 12 MPa;
  • à 7 jours: 29MPa;
  • à 28 jours: 59MPa.
La résistance à la flexion a été étudiée. Les résultats suivants ont été obtenus:
  • à 24 heures: 4.2 MPa;
  • à 7 jours: 9.7 MPa;
  • à 28 jours: 13MPa.
  1. Production de granulats minéralisés
On utilise le ciment selon l’invention dans un procédé de fabrication de granulats allégés, isolants thermiques et acoustiques à base de déchets végétaux ou bois ou pailles broyées ou autres déchets de basse densité, par minéralisation de ces composants au moyen d’un enrobage par coulis à prise rapide à base dudit ciment.
Selon un exemple de réalisation, on réalise un enrobage de granulats végétaux par un coulis de ciment selon l’invention. Ces granulats végétaux à base d’anas de lin, de chènevotte de chanvre ou de bois concassé ont un intérêt majeur pour la composition de bétons allégés de densité variant de 350kg/m3 à 600kg/m3. Les composant végétaux coupés présentent une longueur entre 10 mm et 20 mm, de préférence 15 mm.
Outre leur faible densité ces bétons élaborés avec ces granulats sont particulièrement performants dans le cadre de la fabrication de matériaux absorbants acoustiques, matériaux isolants, bétons drainants, rénovation de bâtiments, chapes isolantes, murs isolants, parpaings, murs antibruit, mortiers acoustiques absorbants etc.
Selon un exemple de réalisation, le procédé comporte les étapes suivantes :
  • phase A :préparation d’un coulis de ciment CSS dans un mélangeur à double arbre en continu grande vitesse en continu en présence d’un adjuvant fluidifiant, d’un activateur hydraulique tel que décrit dans la présente invention, composé d’un complexe sulfatique AII/AII dosé à 10% d’un composant alcalin carbonate de sodium et d’eau dosée E/L = 0.50 ;Durée du malaxage 1 à 2 minutes ;
  • phase B : injection du coulis dans un mélangeur à grande vitesse à sabots à double arbre alimenté en partie supérieure en granulats végétaux ; Durée du mélange 2 à 4 minutes ; En sortie de mélangeur les granulats végétaux sont parfaitement imprégnés et minéralisés ; l’adhérence de la minéralisation sur le granulat végétal est complète et son épaisseur est de 150 microns à 300 microns Ces granulats en sortie de mélangeur sont alors déversés sur un convoyeur à lit fluidisé en 25 maille inoxydable traversé par un fluide chaud entre 45 °C à 65 °C pendant 3 à 6 minutes ; le temps de prise du coulis est ajusté entre 5 à 8 minutes en fonction du débit de production souhaité.
  1. Compositions de valorisation de déchets
Selon un mode de réalisation on utilise des déchets polyuréthane ou des déchets plastiques ou des déchets végétaux ou des déchets bois.
On réalise au moins l’une des compositions suivantes:
1° béton allégé et isolant thermique, composé de ciment selon l’invention additionné de granulats recyclés.
2° mortier technique composé de ciments selon l’invention additionnés de granulats précités ou plastiques.
3° granulats pour bétons allégés composés de ciment selon l’invention basse densité et isolant, par un procédé de minéralisation des granulats précités pour la production via un mélangeur en continu, de granulats à destination des centrales à bétons, des centrales de préfabrication, des travaux routiers, des particuliers et de la GSB.
4° matériaux isolants composés de ciment selon l’invention et des granulats précités, par coulage, moulage, pressage ,vibro-compactage des bétons.
5° bétons drainants prêts à l'emploi composés de ciment selon l’invention et des granulats précités pour applications paysagères, stabilisation des talus, drainages de sols, et application décoratives extérieures.
  1. Production de bétonthermiquement activés
Le ciment issu du procédé selon l’invention peut être utiliser pour la fabrication de bétons thermiquement activés, formulés pour la préfabrication industrielle intensive dont les résistances en compression sont de 15 à 25 MPa en 8 heures.
De tels bétons peuvent comporter des granulats calibrés, des fillers hydrauliques de type calcaires ou siliceux et des agents alcalins de type carbonate de sodium ou silicates de calcium.
  1. Production de de composants plâtre de très haute dureté shore
Le ciment issu du procédé selon l’invention peut être utiliser pour la fabrication de composants plâtre de très haute dureté shore mis en œuvre par moulage, coulage, injection, projection, stratification.
  1. Encapsulation des déchets industriels dangereux
Le ciment issu du procédé selon l’invention peut être utiliser pour l’encapsulation des déchets industriels dangereux (chimique, pharmaceutiques ou radioactifs), par enrobage de ces composants dans une matrice minérale stable et non lixiviable.
  1. Production d’éléments composites préfabriqués
Le ciment issu du procédé selon l’invention peut être utiliser pour la production d’éléments composites préfabriqués à base de bois et de béton, d’éléments de types panneaux, panneaux sandwich, panneaux isolants, panneaux acoustiques dalles, prédalles, murs, mais non exclusivement.

Claims (23)

  1. Procédé de fabrication de ciment sursulfaté, dans lequel on mélange des composants aluminosilicates pouzzolaniques et un complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin, caractérisé en ce que ledit complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin est élaboré en réalisant les étapes successives suivantes :
    • une première étape de mélange de 70% en masse de sulfate de calcium et 30% en masse de composants alcalins; puis
    • une deuxième étape d’activation thermodynamique par trempe chaude dudit complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin; puis
    • une troisième étape de trempe froide par mélange rapide du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin activé avec les composants aluminosilicates pouzzolaniques.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le sulfate de calcium est une composition comportant en masse de 5% à 10%d’anhydrite II soluble, 70% à 80% de béta anhydrite III, et 15% à 30% de béta hémihydrate.
  3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les composants alcalins sont choisis seuls ou en combinaison parmi les composants suivants: composants pouzzolaniques synthétiques ou naturels, un aluminate de calcium amorphe, des chaux hydrauliques, des chaux aériennes, des chaux vives, des composants basiques.
  4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le composant aluminosilicates pouzzolaniques comprend 75% en masse au minimum de composants pouzzolaniques naturels ou synthétiques.
  5. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel les composants aluminosilicates pouzzolaniques comportent un laitier granulé de hauts fourneaux.
  6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel on mélange au minimum 75% en masse de composants aluminosilicates pouzzolaniques et 30% en masse maximum du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin.
  7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la deuxième étape d’activation dudit complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin comprend une transformation et activation du sulfate de calcium par un procédé thermodynamique flash.
  8. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le procédé thermodynamique flash est apte à homogénéiser, à microniser, à choquer thermiquement ledit sulfate de calcium, et à le transformer en phases à hautes réactivité hydrauliques, telles que des phases composites anhydrites II, anhydrite III beta, et hémihydrate béta.
  9. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la micronisation est une micronisation autogène cinétique obtenue par mécano-synthèse de particules.
  10. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel les composants du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin ont une température comprise entre 150°C et 300°C à la sortie du procédé thermodynamique flash.
  11. Procédé selon l’une des revendications 7 à 10, dans lequel le procédé thermodynamique flash comporte une étape de choc thermique réalisé à l’intérieur d’un fluide chaud de vapeur surchauffée.
  12. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la transformation du sulfate de calcium est une transformation en phases complexes réalisée par un dispositif de réacteur thermodynamique flash comprenant un conduit toroïdal et une unité de gestion électronique.
  13. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l’unité de gestion électronique est apte à contrôler les paramètres de l’étape d’activation thermique.
  14. Procédé selon l’une des revendications 12 et 13, dans lequel on réalise une étape de déshydratation quasi instantanée des composants du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin par contact direct et par entrainement par un fluide gazeux chargé en vapeur surchauffée dans le conduit toroïdal placé en dépression en sortie et soumis à l’entrée à une pression comprise entre 50 mbar et 200 mbar, à une température réglée entre 250°C et 450°C, générant un flux du fluide gazeux entrant à une vitesse comprise entre 15 m/s et 25 m/s.
  15. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le fluide chaud chargé en vapeur surchauffé est partiellement recyclé et mélangé avec un air neuf dans un caisson de mélange électro-régulé.
  16. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l’air neuf est réchauffé par le fluide chaud extrait dans un échangeur thermique air / air.
  17. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le fluide chargé en vapeur est chauffé par un brûleur automatisé et mélangé dans une chambre de combustion avant d’être injecté dans le réacteur thermodynamique flash par l’intermédiaire d’une batterie d’injecteurs.
  18. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel à la sortie du réacteur thermodynamique flash, la vitesse du fluide gazeux chaud est comprise entre 30 m/s et 40 m/s, la température est comprise entre 180°C et 300°C.
  19. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la troisième étape de trempe froide est réalisée de façon à refroidir le complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin à une température comprise entre 30°C et 50°C en moins d’une minute.
  20. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la deuxième étape d’activation dudit complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin comprend une transformation et activation du sulfate de calcium par un procédé thermodynamique flash, et la troisième étape de trempe froide est réalisée par mélange rapide du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin activé en sortie du procédé thermodynamique flash avec les composants aluminosilicates pouzzolaniques pulvérulents à 30°C +/- 15°C dans un mélangeur en continu.
  21. Procédé selon la revendication 19, dans lequel la deuxième étape d’activation dudit complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin comprend une transformation et activation du sulfate de calcium par un procédé thermodynamique flash, et la troisième étape de trempe froide est réalisée par mélange rapide du complexe d’activation calcio-sulfato-alcalin en sortie du procédé thermodynamique flash avec les composants aluminosilicates pouzzolaniques, par exemple laitiers sidérurgiques moulus, à température ambiante.
  22. Ciment sursulfaté obtenu par le procédé selon l’une des revendications précédentes.
  23. Utilisation d'un ciment selon la revendication 22, pour sa mise en œuvre:
    • dans la production de béton à faible chaleur d’hydratation, à prise mer, résistants aux sulfates, résistants aux acides et la production des mortiers techniques; ou
    • dans la production de béton cellulaire coulé ou moulé durci à pression atmosphérique, comprenant ledit ciment, de l'eau de gâchage, au moins un agent tensioactif, au moins un agent fluidifiant, et le cas échéant au moins un agent moussant; ou
    • dans la composition d’un liant hydraulique routier (LHR) à durcissement normal ou rapide élaboré; ou
    • dans la production d’un activateur calcio-sulfato-alcalin pour améliorer les performances de ciments des bétons et des mortiers; ou
    • pour améliorer les performances des ciments, des bétons, des mortiers techniques, des ciments aux laitiers, des ciments alumineux, des ciments sulfo-alumineux et des liants géotechniques ou routiers, des plâtres ,des chaux hydrauliques ou aériennes; ou
    • pour la fabrication de béton de sable à base de granulats de sables ronds éoliens, ou de sable de dune, de sables éoliens ou de sable ordinaire; ou
    • pour la fabrication de granulats allégés, isolants thermiques et acoustiques à base de déchets végétaux ou bois ou pailles broyées ou autres déchets de basse densité, par minéralisation de ces composants au moyen d’un enrobage par coulis à prise rapide à base dudit ciment; ou
    • pour la fabrication de bétons thermiquement activés; ou
    • pour la fabrication de composants plâtre de très haute dureté shore mis en œuvre par moulage, coulage, injection, projection, stratification; ou
    • pour l’encapsulation des déchets industriels dangereux par enrobage de ces composants dans une matrice minérale stable et non lixiviable; ou
    • pour la production d’éléments composites préfabriqués à base de bois et de béton, d’éléments de types panneaux, panneaux sandwich, panneaux isolants, panneaux acoustiques dalles, prédalles, murs.
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