Introduction
L'activation mécano-chimique (AMC) est une technologie en plein essor dans de nombreux domaines de la science des matériaux, en particulier dans la construction. Elle repose sur l'application de processus mécaniques et chimiques pour modifier les matériaux. L'une des principales applications de l'AMC est l'activation d'additifs dans le ciment, connus sous le nom de matériaux cimentaires supplémentaires (MCS). Ces matériaux comprennent les cendres volantes, le laitier granulé de haut fourneau, les pouzzolanes naturelles et diverses argiles, qui peuvent remplacer une partie du ciment Portland et donc la teneur en clinker du ciment. Cela permet de réduire considérablement les émissions deCO2 lors de la production de ciment.
Contexte des MCS et de leur importance
La production conventionnelle de ciment Portland consomme beaucoup d'énergie et libère de grandes quantités de dioxyde de carbone. Les émissions primaires ou de portée 1, qui s'élèvent à environ 500 kg deCO2 par tonne de ciment, sont générées lors de la combustion du clinker par la décomposition du CaCO3 en CaO etCO2 et la combustion des combustibles fossiles ou alternatifs nécessaires à ce processus. Les émissions du champ d'application 1 représentent environ 85 % à 90 % de l'empreinteCO2 totale du ciment. La réduction de la teneur en clinker dans les mélanges de ciment et de béton à l'aide de MCS offre un potentiel important de réduction de ces émissions. En outre, les ajouts cimentaires peuvent avoir un impact positif sur la résistance à long terme, la demande en eau, la résistance chimique et l'ouvrabilité du ciment.
Les ajouts cimentaires tels que les cendres volantes, le laitier granulé de haut fourneau et la fumée de silice sont des sous-produits d'autres industries et contribuent donc au recyclage des déchets. Bien que ces matériaux possèdent des propriétés pouzzolaniques inhérentes qui leur permettent d'être utilisés dans les mélanges de béton, leur réactivité est considérablement améliorée par l'activation mécano-chimique. En outre, des matériaux tels que les argiles, qui ont peu ou pas de propriétés pouzzolaniques par nature, peuvent également être rendus utilisables par l'AMC. Lors de l'activation des argiles, il est également possible d'activer mécaniquement des déchets provenant de fosses existantes ou des argiles de qualité inférieure provenant de l'industrie de l'argile et de la céramique, ce qui permet une production de MCS aussi efficace en termes de ressources que les sous-produits mentionnés ci-dessus.
Principes fondamentaux de l'activation mécano-chimique
L'activation mécano-chimique signifie que l'énergie mécanique, sous forme de broyage ou de déformation, est appliquée à un matériau et que cette énergie déclenche ou accélère des réactions chimiques. Lorsque les MEC sont traités mécaniquement, le matériau est écrasé par un processus de broyage intensif et sa surface augmente considérablement. L'augmentation de la surface permet aux réactions chimiques de se dérouler plus rapidement et plus efficacement.
Outre l'augmentation de la surface, le processus d'activation mécano-chimique entraîne également des changements dans la structure cristalline du matériau. Cela signifie que les structures cristallines sont décomposées et que des phases amorphes et réactives sont créées, qui forment des phases C-S-H et C-A-H supplémentaires avec la portlandite produite lors de l'hydratation du ciment. Cette formation secondaire de C-S-H peut conduire à des résistances plus élevées en raison d'une densité plus importante. Cela s'applique, entre autres, aux matériaux tels que les cendres volantes, qui contiennent peu de phases réactives et dont la réactivité est considérablement améliorée par l'activation mécano-chimique.
Mécanismes d'activation
L'activation mécano-chimique suit plusieurs mécanismes de base :
- Élargissement de la surface spécifique : Le broyage augmente de manière significative la surface du matériau, ce qui augmente le nombre de sites de réaction disponibles.
- Formation de défauts : Les contraintes mécaniques entraînent des défauts de réseau et des fractures dans le réseau cristallin, ce qui les rend plus réactifs sur le plan chimique.
- Transformation de phase: L'énergie mécanique peut transformer des phases cristallines stables en phases amorphes, à énergie plus élevée, qui sont plus réactives sur le plan chimique.
- Augmentation de la solubilité : L'activation mécano-chimique augmente également la solubilité des matériaux dans la matrice du ciment, ce qui permet la formation supplémentaire des phases C-S-H et C-A-H et favorise le durcissement du ciment.
Applications et avantages de l'activation mécano-chimique
L'application de l'activation mécano-chimique aux MSC offre de nombreux avantages significatifs :
Réactivité améliorée
Réduction de la teneur en ciment
Durabilité
Économies de coûts
Source d'énergie
Flexibilité du processus
Défis et développements futurs
Malgré les avantages prometteurs de l'activation mécano-chimique, certains défis doivent être relevés. Les études d'activation précédentes ont souvent été réalisées dans des broyeurs vibrants ou planétaires. Les paramètres du processus et les principes de fonctionnement de ces machines de laboratoire ne sont généralement pas transposables aux installations industrielles. L'activation dans un broyeur à billes à agitation sèche s'est avérée être une excellente alternative. Avec la série Pamir, NETZSCH propose un broyeur à billes à agitation sèche qui peut effectuer à la fois le broyage et l'activation de divers SCM et qui est disponible dans une large gamme de tailles allant des machines de laboratoire aux machines de production industrielle.
Pour la commercialisation d'une installation industrielle complète, il existe des partenariats solides avec thyssenkrupp Polysius GmbH à Beckum, en Allemagne, et avec Minerva Engineering Inc. en Turquie. En tant que partenaire reliable pour la planification, l'installation et la mise en service de groupes de processus complets, Polysius ou Minerva effectue ces tâches en étroite collaboration avec NETZSCH.
Conclusion
L'activation mécano-chimique est une méthode prometteuse pour améliorer la réactivité des MCS et offre un moyen durable et économique de révolutionner la production de ciment à l'avenir. Elle contribue à la réduction des émissions deCO2 dans l'industrie du ciment et ouvre de nouvelles possibilités d'utilisation des sous-produits industriels dans l'industrie de la construction. En poursuivant la recherche et l'innovation technologique, l'activation mécano-chimique peut devenir une partie intégrante de la production moderne de ciment et de béton.