La présente invention concerne un filler pouzzolanique destiné à la production de liant hydraulique et de béton, par exemple, en ce qui concerne les liants hydrauliques, de ciments du type Portland composé.
En Suisse, à titre d'exemple, la production de liants hydrauliques repose sur le broyage de 95% en poids de clinker Portland avec 5% en poids d'ajouts et la quantité adéquate de sulfate de calcium. Il en résulte que pour la production de ces liants hydrauliques le bilan énergétique et les émissions, en particulier l'émission de CO2, sont très défavorables en comparaison avec d'autres pays surtout en raison de l'absence d'ajouts qui soient à la fois disponibles, bon marché et autorisés en Suisse comme le sont dans d'autres pays les cendres volantes, les laitiers etc.
Tout particulièrement mais non seulement en Suisse un souci permanent des cimentiers est de réaliser des économies d'énergie ainsi que de limiter l'émission de CO2 et d'autres émissions indésirables. En outre, tout particulièrement et non seulement en Suisse il est nécessaire de respecter l'environnement, donc de prévoir à cet effet d'importantes installations de protection de l'environnement qui entraînent une élévation supplémentaire des prix de revient pour les liants hydrauliques.
Une manière de réduire les prix de revient consiste à remplacer une partie du clinker Portland par un produit non seulement moins coûteux mais également disponible.
Un produit peu coûteux et disponible est le verre non recyclé: bouteilles cassées, tubes fluorescents, écrans de télévision et d'affichage etc.
Il est connu de plus que l'on ne peut pas utiliser du granulat de verre en tant que substitut d'une partie des granulats du béton sans faire préalablement subir au verre un traitement chimique et/ou thermique onéreux, car il est connu que le verre est nocif dans la production du béton, de manière générale, que ce soit sous forme de sable ou de gravier. En effet, en raison de la grande réactivité de la silice amorphe et aussi de la forte proportion de substances alcalines que le verre contient et dont la solubilité vient s'ajouter à celle qui est inhérente aux alcalins du clinker Portland, la silice solubilisée provenant du verre provoque une alcali-réaction (à savoir une dissolution alcaline par les alcalins du ciment) et elle se met alors sous forme de gel.
Le gonflement de ce gel dans les pores et les capillaires du béton provoque des gonflements importants et irréversibles de celui-ci et en entraîne finalement la destruction. Ainsi le verre non recyclé doit être mis en décharge, ce qui représente aujourd'hui des coûts indirects élevés et représentera bientôt, en Suisse à partir de l'an 2000, un très grave problème du fait de la fermeture des décharges.
Si l'on savait résoudre les problèmes physiques et chimiques cités plus haut et qui sont causés par le verre, le fait de remplacer dans le ciment Portland une partie du clinker par du verre non recyclé serait extrêmement avantageux et permettrait de remédier aux inconvénients précités. Plus particulièrement, le fait de remplacer dans le ciment Portland une partie du clinker par du verre non recyclé permettrait de diminuer le coût immédiat et le problème futur de la mise en décharge du verre, de diminuer en cimenterie d'une part la consommation d'énergie et d'autre part les émissions polluantes par l'abaissement de la proportion de clinker dans le ciment Portland, et ce faisant de réduire aussi deux contributions à l'effet de serre.
La présente invention apporte une solution à ces problèmes et propose à cet effet un filler pouzzolanique destiné à la production de liant hydraulique et de béton, caractérisé en ce qu'il contient du verre broyé.
Plus particulièrement, le filler pouzzolanique peut être caractérisé par une teneur en groupes chimiques SiO2 dont une fraction est liée structurellement dans du verre broyé. De façon encore plus spécifique, les groupes chimiques SiO2 peuvent faire partie d'un composant du filler pouzzolanique qui est le verre broyé.
Préférentiellement, dans le filler pouzzolanique selon l'invention, le verre broyé est composé de particules dont au moins 95% en poids ont une taille inférieure à 40 mu m et dont le diamètre médian est inférieur à 12 mu m, et/ou le verre broyé est composé de particules dont la finesse de mouture exprimée en tant que surface spécifique mesurée selon le procédé Blaine (mesure de finesse dans l'air) est supérieure à 5000 cm<2>/g, et/ou le verre broyé est composé de particules dont la surface spécifique mesurée selon le procédé BET (mesure de finesse sous azote) est supérieure à 5 m<2>/kg.
Quand on utilise le filler pouzzolanique selon l'invention pour la fabrication d'un liant hydraulique du type ciment Portland composé, soit les composants du liant hydraulique sont réunis avant broyage et broyés ensemble, soit les composants du liant hydraulique sont broyés séparément et mélangés après broyage. Quand on utilise le filler pouzzolanique selon l'invention pour la fabrication d'un béton, le filler pouzzolanique peut être mélangé aux autres constituants du béton au moment de la fabrication de celui-ci.
Il s'est avéré en effet que le broyage modifie la réactivité du verre essentiellement par suite de l'augmentation de la surface spécifique des particules de verre résultantes, et que cette modification est favorable dans le sens qu'elle permet l'emploi du verre dans le filler pouzzolanique. Plus précisément, à part l'effet de la nature du verre utilisé, c'est de la granulométrie du verre broyé, c'est-à-dire essentiellement de la finesse moyenne et de la répartition granulométrique des particules résultantes, que résulte dans le filler pouzzolanique selon l'invention le niveau approprié de pouzzolanicité et de sensibilité réduite à l'alcali-réaction et à la lixiviation des éléments toxiques.
La chélation des éléments toxiques contenus dans le verre a pour effet la fixation et l'insolubilisation de ceux-ci; cet effet est particulièrement important dans le cas des verres au baryum ou au plomb.
Par ailleurs, comme on le voit, la présente invention surmonte le préjugé de l'homme de l'art qui, sachant que l'on ne peut pas utiliser du verre non recyclé en tant que substitut d'une partie des granulats sans faire préalablement subir au verre un traitement chimique et/ou thermique onéreux, est conduit à rejeter tout emploi du verre dans un liant hydraulique et dans le béton.
L'invention permet d'utiliser des déchets de pratiquement tous les types de verre de nature très variée et qui sont habituellement mis en décharge, tels que verre à bouteilles, verre à vitres, verre utilisé pour les lampes et tubes à incandescence, verres spéciaux en particulier au baryum et au plomb, et verres fluorescents utilisés pour les écrans d'appareils électroniques, informatiques et de télévision, etc. L'invention fournit ainsi une solution élégante à l'important problème de l'élimination des déchets de verre.
En termes industriels dont la signification est équivalente à la définition de l'invention, celle-ci permet de substituer du verre au clinker dans une proportion qui peut s'élever à 50% en poids. Il en résulte une diminution des nuisances à l'environnement, en particulier des émissions de CO2 et de la consommation d'énergie thermique et/ou électrique qui eussent été nécessaires à la production des quantités de clinker qui précisément ont été, selon l'invention, substituées par du verre dans les ciments, les liants hydrauliques ou le béton.
Bien entendu la nature et l'origine du verre utilisé confère au filler pouzzolanique selon l'invention et aux liants hydrauliques composés fabriqués avec le filler pouzzolanique selon l'invention des propriétés qui peuvent varier selon cette nature et cette origine. C'est en particulier la raison pour laquelle la finesse du broyage auquel est soumis le verre doit de préférence être adaptée à la nature et l'origine du verre utilisé.
Il s'est avéré aussi que le filler pouzzolanique selon l'invention répond aux critères posés par les normes en vigueur concernant de façon générale la production des liants hydrauliques à base de clinker.
En ce qui concerne les éléments toxiques qui peuvent être apportés par le verre utilisé, c'est-à-dire qui peuvent exister dans le verre utilisé sans enfreindre la réglementation en vigueur en Suisse (connue aussi sous son abréviation en langue allemande "TVA"), ces éléments toxiques sont suffisamment insolubilisés au cours des réactions et/ou processus physico-chimiques et d'hydratation qui se produisent durant la prise du liant hydraulique issu du filler pouzzolanique selon l'invention. Des tests lixiviation ont été effectués en accord avec les méthodes standard préconisées par la réglementation TVA, et dans tous ces tests les éléments toxiques qui provenaient du verre et sont passés en solution sont restés en concentrations inférieures aux limites fixées par la réglementation TVA.
Il est particulièrement avantageux que le filler pouzzolanique selon l'invention, aussi bien que liant hydraulique ou le béton qui sont fabriqués avec ce filler pouzzolanique, puissent être produits avec les installations usuelles en cimenterie, le contrôle de cette production se faisant à l'aide de moyens classiquement utilisés en cimenterie en utilisant des méthodes de mesure et des modes opératoires conformes à ceux qui sont habituels en cimenterie.
En outre, il est particulièrement avantageux que le liant hydraulique ou le béton fabriqués avec le filler pouzzolanique selon l'invention supportent aussi bien que les liants hydrauliques ou le béton classiques l'adjonction d'additifs dans les proportions usuelles en accord avec les normes en vigueur en cimenterie en vue de conférer au produit, suivant les désirs et de la manière connue et habituelle, des propriétés particulières de compacité, d'ouvrabilité, de prise, de développement des résistances mécaniques, de résistance aux agressions chimiques, etc.
C'est pourquoi on peut fabriquer le filler pouzzolanique selon l'invention et aussi le liant hydraulique en réunissant les composants, dont le verre, avant de les broyer, ces composants étant alors soit mélangés préalablement, soit réunis directement dans le broyeur, pour y être finalement broyés ensemble et donner le filler pouzzolanique ou le liant hydraulique bien mélangé. On peut tout aussi bien fabriquer le filler pouzzolanique selon l'invention et aussi le liant hydraulique en broyant séparément le verre et les autres composants, puis en les mélangeant après broyage pour donner le filler pouzzolanique ou le liant hydraulique bien mélangé.
Pour évaluer le niveau de pouzzolanicité, c'est-à-dire l'indice d'activité obtenu avec les liants hydrauliques fabriqués avec le filler pouzzolanique selon l'invention, à titre d'exemple on a fabriqué des bétons dosés au m<3> comme suit:
<tb><TABLE> Columns=2
<tb><SEP>(a)<SEP>300 kg de ciment;
<tb><SEP>(b)<SEP>300 kg de liant hydraulique contenant 30% en poids de verre à bouteille;
<tb><SEP>(c)<SEP>300 kg de liant hydraulique contenant 30% en poids de verre au baryum.
<tb></TABLE>
Dans cet exemple, on a constaté dans tous les cas des indices d'activité supérieurs à 50% à 28 jours et approchant de 100% à 90 jours.
Pour évaluer l'effet produit par les liants hydrauliques fabriqués avec le filler pouzzolanique selon l'invention sur l'alcali-réaction, autrement dit pour évaluer l'effet du verre sur la dissolution alcaline par les alcalins du ciment, à titre d'exemple on a fabriqué des bétons en utilisant comme agrégats des granulats de référence désignés dans les normes sous le nom de Spratt et de Hornfels et que l'on sait contenir de la silice amorphe susceptible d'être réactive sous l'effet des alcalins, ainsi que l'un des liants hydrauliques suivants:
<tb><TABLE> Columns=2
<tb><SEP>(a)<SEP>un ciment classique pris comme référence;
<tb><SEP>(b)<SEP>un liant hydraulique fabriqué avec le filler pouzzolanique selon l'invention, basé sur le même clinker que le ciment classique mais dont 15% en poids sont substitués par du verre à bouteille;
<tb><SEP>(c)<SEP>un liant hydraulique fabriqué avec le filler pouzzolanique selon l'invention, basé sur le même clinker que le ciment classique mais dont 15% en poids sont substitués par du verre au baryum.
<tb></TABLE>
Dans cet exemple, on a constaté que la présence du verre a réduit de plus de moitié l'expansion du béton due à la sensibilité des granulats de Spratt et de Hornfels aux alcalins du ciment. On voit que le liant hydraulique fabriqué avec le filler pouzzolanique selon l'invention permet d'utiliser ces granulats de Spratt et de Hornfels pour toute une gamme d'usages où sans utilisation de l'invention ils seraient interdits.
Il apparaît que, mis en proportion appropriée dans un béton de composition appropriée, le verre du filler pouzzolanique selon l'invention et/ou du liant hydraulique fabriqué avec le filler pouzzolanique selon l'invention se comporte comme un puits à alcalins à effet rapide, avec tous les avantages que l'on peut en tirer dans les cas d'application les plus divers.
Dans ces exemples le verre au baryum provenait de déchets d'appareils électroniques.
Ainsi, les fillers pouzzolaniques selon l'invention et les liants hydrauliques fabriqués avec ceux-ci s'intègrent dans une famille de fillers et liants pouzzolaniques appropriés à l'usage industriel dans des conditions aussi bien classiques que particulières, tout en apportant leur contribution propre à la protection de l'environnement par une utilisation remarquable des déchets de verre.
The present invention relates to a pozzolanic filler intended for the production of hydraulic binder and concrete, for example, as regards hydraulic binders, cements of the Portland type compound.
In Switzerland, for example, the production of hydraulic binders is based on the grinding of 95% by weight of Portland clinker with 5% by weight of additions and the adequate quantity of calcium sulphate. It follows that for the production of these hydraulic binders the energy balance and the emissions, in particular the emission of CO2, are very unfavorable in comparison with other countries especially because of the absence of additions which are to the Once available, inexpensive and authorized in Switzerland, as are other fly ash, dairy products, etc.
Particularly but not only in Switzerland, a permanent concern of cement manufacturers is to achieve energy savings as well as to limit the emission of CO2 and other undesirable emissions. In addition, especially and not only in Switzerland, it is necessary to respect the environment, and therefore to provide for this purpose large environmental protection installations which lead to an additional rise in the cost prices for hydraulic binders.
One way of reducing production costs is to replace part of the Portland clinker with a product which is not only less expensive but also available.
An inexpensive and available product is non-recycled glass: broken bottles, fluorescent tubes, television and display screens, etc.
It is also known that one cannot use glass granulate as a substitute for part of the concrete aggregates without first subjecting the glass to an expensive chemical and / or thermal treatment, because it is known that the Glass is harmful in the production of concrete, in general, whether in the form of sand or gravel. Indeed, due to the high reactivity of amorphous silica and also the high proportion of alkaline substances that the glass contains and whose solubility is added to that which is inherent in the alkalines of Portland clinker, the solubilized silica coming from glass causes an alkali-reaction (ie an alkaline dissolution by the alkalis of the cement) and it then takes the form of a gel.
The swelling of this gel in the pores and capillaries of the concrete causes significant and irreversible swelling of the latter and ultimately leads to its destruction. Non-recycled glass must therefore be landfilled, which today represents high indirect costs and will soon represent, in Switzerland from the year 2000, a very serious problem due to the closure of landfills.
If it were possible to solve the physical and chemical problems mentioned above and which are caused by glass, replacing part of the clinker in Portland cement with non-recycled glass would be extremely advantageous and would make it possible to remedy the abovementioned drawbacks. More particularly, the fact of replacing part of the clinker in Portland cement with non-recycled glass would make it possible to reduce the immediate cost and the future problem of landfilling the glass, to reduce consumption of cement on the one hand energy and on the other hand polluting emissions by lowering the proportion of clinker in Portland cement, and thereby also reducing two contributions to the greenhouse effect.
The present invention provides a solution to these problems and proposes for this purpose a pozzolanic filler intended for the production of hydraulic binder and concrete, characterized in that it contains crushed glass.
More particularly, the pozzolanic filler can be characterized by a content of chemical groups SiO2, a fraction of which is structurally linked in ground glass. Even more specifically, the SiO2 chemical groups can be part of a component of the pozzolanic filler which is ground glass.
Preferably, in the pozzolanic filler according to the invention, the ground glass is composed of particles of which at least 95% by weight have a size less than 40 μm and whose median diameter is less than 12 μm, and / or the glass ground product is composed of particles whose fineness of grind expressed as a specific surface area measured according to the Blaine method (measurement of fineness in air) is greater than 5000 cm <2> / g, and / or the ground glass is composed of particles whose specific surface measured according to the BET process (measurement of fineness under nitrogen) is greater than 5 m <2> / kg.
When the pozzolanic filler according to the invention is used for the manufacture of a hydraulic binder of the Portland cement compound type, either the components of the hydraulic binder are combined before grinding and ground together, or the components of the hydraulic binder are ground separately and mixed after grinding. When the pozzolanic filler according to the invention is used for the manufacture of a concrete, the pozzolanic filler can be mixed with the other constituents of the concrete at the time of the manufacture thereof.
It turns out that grinding modifies the reactivity of the glass essentially as a result of the increase in the specific surface of the resulting glass particles, and that this modification is favorable in the sense that it allows the use of glass. in the pozzolanic filler. More precisely, apart from the effect of the nature of the glass used, it is the particle size of the ground glass, that is to say essentially the average fineness and the particle size distribution of the resulting particles, which results in the filler pozzolanic according to the invention the appropriate level of pozzolanicity and reduced sensitivity to the alkali-reaction and the leaching of toxic elements.
The chelation of toxic elements contained in the glass has the effect of fixing and insolubilizing them; this effect is particularly important in the case of barium or lead glasses.
Furthermore, as can be seen, the present invention overcomes the prejudice of those skilled in the art who, knowing that one cannot use non-recycled glass as a substitute for part of the aggregates without first doing so to undergo expensive chemical and / or thermal treatment of the glass leads to rejecting any use of the glass in a hydraulic binder and in concrete.
The invention makes it possible to use waste of practically all types of glass of very varied nature and which is usually landfilled, such as bottle glass, window glass, glass used for lamps and incandescent tubes, special glasses in particular with barium and lead, and fluorescent glasses used for the screens of electronic, computer and television devices, etc. The invention thus provides an elegant solution to the important problem of eliminating glass waste.
In industrial terms, the meaning of which is equivalent to the definition of the invention, this makes it possible to substitute glass for clinker in a proportion which can amount to 50% by weight. This results in a reduction in environmental nuisances, in particular in CO2 emissions and in the consumption of thermal and / or electrical energy which would have been necessary for the production of the quantities of clinker which precisely have been, according to the invention. , substituted by glass in cements, hydraulic binders or concrete.
Of course, the nature and the origin of the glass used confers on the pozzolanic filler according to the invention and on the compound hydraulic binders produced with the pozzolanic filler according to the invention properties which may vary according to this nature and this origin. This is in particular the reason why the fineness of the grinding to which the glass is subjected must preferably be adapted to the nature and the origin of the glass used.
It has also been found that the pozzolanic filler according to the invention meets the criteria laid down by the standards in force generally concerning the production of hydraulic binders based on clinker.
Regarding the toxic elements that can be brought by the glass used, that is to say that can exist in the glass used without violating the regulations in force in Switzerland (also known by its abbreviation in German "VAT" ), these toxic elements are sufficiently insolubilized during the physico-chemical and hydration reactions and / or processes which occur during the setting of the hydraulic binder from the pozzolanic filler according to the invention. Leaching tests were carried out in accordance with the standard methods recommended by the VAT regulations, and in all these tests the toxic elements which came from the glass and went into solution remained in concentrations below the limits fixed by the VAT regulations.
It is particularly advantageous that the pozzolanic filler according to the invention, as well as hydraulic binder or the concrete which are produced with this pozzolanic filler, can be produced with the usual installations in cement works, the control of this production being done using means conventionally used in cement works by using measurement methods and operating procedures in accordance with those which are usual in cement works.
In addition, it is particularly advantageous that the hydraulic binder or the concrete produced with the pozzolanic filler according to the invention support as well as conventional hydraulic binders or concrete the addition of additives in the usual proportions in accordance with the standards in vigor in the cement industry with a view to imparting, according to the wishes and in the known and usual manner, particular properties of compactness, workability, setting, development of mechanical resistance, resistance to chemical attack, etc.
This is why it is possible to manufacture the pozzolanic filler according to the invention and also the hydraulic binder by bringing together the components, including the glass, before grinding them, these components then being either mixed beforehand, or assembled directly in the grinder, to finally be ground together and give the pozzolanic filler or the well-mixed hydraulic binder. One can just as easily manufacture the pozzolanic filler according to the invention and also the hydraulic binder by grinding the glass and the other components separately, then mixing them after grinding to give the pozzolanic filler or the well-mixed hydraulic binder.
To assess the level of pozzolanicity, that is to say the activity index obtained with the hydraulic binders produced with the pozzolanic filler according to the invention, by way of example, concretes are dosed at m <3 > as follows:
<tb> <TABLE> Columns = 2
<tb> <SEP> (a) <SEP> 300 kg of cement;
<tb> <SEP> (b) <SEP> 300 kg of hydraulic binder containing 30% by weight of bottle glass;
<tb> <SEP> (c) <SEP> 300 kg of hydraulic binder containing 30% by weight of barium glass.
<tb> </TABLE>
In this example, we found in all cases activity indices greater than 50% at 28 days and approaching 100% at 90 days.
To evaluate the effect produced by the hydraulic binders produced with the pozzolanic filler according to the invention on the alkali-reaction, in other words to evaluate the effect of glass on the alkaline dissolution by the alkalis of the cement, by way of example concrete has been produced using aggregates as reference aggregates designated in standards under the name of Spratt and Hornfels and which are known to contain amorphous silica capable of being reactive under the effect of alkalis, as well as one of the following hydraulic binders:
<tb> <TABLE> Columns = 2
<tb> <SEP> (a) <SEP> a classic cement taken as a reference;
<tb> <SEP> (b) <SEP> a hydraulic binder produced with the pozzolanic filler according to the invention, based on the same clinker as conventional cement but of which 15% by weight is replaced by bottle glass;
<tb> <SEP> (c) <SEP> a hydraulic binder made with the pozzolanic filler according to the invention, based on the same clinker as conventional cement but of which 15% by weight is substituted by barium glass.
<tb> </TABLE>
In this example, it was found that the presence of glass reduced the expansion of the concrete by more than half due to the sensitivity of the Spratt and Hornfels aggregates to the alkalis of the cement. It can be seen that the hydraulic binder produced with the pozzolanic filler according to the invention makes it possible to use these aggregates of Spratt and Hornfels for a whole range of uses where, without using the invention, they would be prohibited.
It appears that, when placed in an appropriate proportion in a concrete of suitable composition, the glass of the pozzolanic filler according to the invention and / or of the hydraulic binder produced with the pozzolanic filler according to the invention behaves like a fast-acting alkali well, with all the advantages that can be drawn from it in the most diverse applications.
In these examples the barium glass came from waste electronic devices.
Thus, the pozzolanic fillers according to the invention and the hydraulic binders produced with them are integrated into a family of pozzolanic fillers and binders suitable for industrial use under both conventional and particular conditions, while making their own contribution. environmental protection through remarkable use of glass waste.