FR2503135A1

FR2503135A1 - Carbonating prefabricated permeable concrete elements - by autoclaving in carbon di:oxide atmos

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Publication number: FR2503135A1
Application number: FR8106902A
Authority: FR
Original assignee: DEPPEN JEAN CLAUDE
Current assignee: DEPPEN JEAN CLAUDE
Priority date: 1981-04-03
Filing date: 1981-04-03
Publication date: 1982-10-08

Abstract

Method for mfr. of prefabricated permeable elements from a material consisting of granulates bonded by a hydraulic cement type binder includes exposing the elements after hardening for a predetermined period to a CO2 atmos. to provoke accelerated carbonation of the Ca hydroxides in the material. The elements are introduced into an autoclave, the air in which is replaced by CO2 at a pressure of Po+DeltaP, (Po is the atmospheric pressure and DeltaP is an overpressure of 0.1-1 atmos). This pressure is held constant by injecting further CO2 to replace the gas consumed during the carbonation reaction. By reacting the surface layers of Ca(OH)2 with CO2 before the elements are put into service, the Ca(OH)2 cannot be leached away to react with natural CO2 in other places which might cause problems, such as blockages of natural water channels as in prior art.

Description

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'éléments préfabriqués perméables en ciment, et plus particulièrement en un matériau comportant des granulats liés par un liant hydraulique du type ciment. The present invention relates to a method of manufacturing prefabricated elements permeable in cement, and more particularly in a material comprising aggregates linked by a hydraulic binder of the cement type.

Lors de la prise des liants hydrauliques dans le mortier ou le béton, c'est-à-dire pendant l'hydrolyse des silicates de calcium contenus dans ces liant de l'hydroxyde de calcium se forme dans une proportion qui peut atteindre 25 Z de la pâte de ciment. Le mortier ou le béton ayant durci, l'anhydride carbonique con tenu dans l'air peut, avec le temps, provoquer une certaine carbonation, c'est -dire réagir avec l'hydroxyde de calcium pour former du carbonate de calcium. When setting the hydraulic binders in mortar or concrete, that is to say during the hydrolysis of the calcium silicates contained in these binder, calcium hydroxide is formed in a proportion which can reach 25 Z of cement paste. Once the mortar or concrete has hardened, carbon dioxide contained in the air can, over time, cause a certain carbonation, that is to say react with calcium hydroxide to form calcium carbonate.

Dans l'air, la proportion d'anhydride carbonique étant relativement faible, de l'ordre de 0,3 Zo , le processus aboutissant à la carbonation de l'hydroxyde de calcium est fort lent, et n'intéresse le plus souvent que la couche superficielle des produits en béton ou des enduits de mortier.In air, the proportion of carbon dioxide being relatively low, of the order of 0.3 Zo, the process leading to the carbonation of calcium hydroxide is very slow, and most often concerns only the surface layer of concrete products or mortar coatings.

En principe, le taux de carbonation est fonction de KVF , relation dans laquelle t est la durée et K un coefficient fonction de plusieurs paramètres, en particulier du rapport E/c (eau/ciment), de la granulométrie, du degré de compacité du mélange utilisé comme matière première, de la résistance à la compression et des vides résiduels. In principle, the carbonation rate is a function of KVF, a relationship in which t is the duration and K a coefficient depending on several parameters, in particular the E / c ratio (water / cement), the particle size, the degree of compactness of the mixture used as raw material, compressive strength and residual voids.

Dans la nature, avant que le processus de carbonation n'ait permis de fixer le calcium sous la forme d'un carbonate de calcium insoluble, l'eau douce, qui filtre par percolation à travers un massif en béton ou qui imbibe un mortier, dissout l'hydroxyde de calcium à raison d'environ 1,30 gr/litre d'eau de lessivage à la température de 0 C et d'environ 1,13 gr/litre à 250 C. In nature, before the carbonation process has allowed calcium to be fixed in the form of an insoluble calcium carbonate, fresh water, which filters by percolation through a concrete block or which soaks a mortar, dissolves calcium hydroxide at a rate of approximately 1.30 gr / liter of leaching water at a temperature of 0 C and approximately 1.13 gr / liter at 250 C.

Pour un m3 de mortier ou de béton dosé à 300 Kg de ciment par m3 de béton, on estime à 60 ou 70Kg la quantité d'hydroxyde de calcium qui peut se former, et qui peut être entraînéepar les eaux de ruissellement. For a m3 of mortar or concrete dosed at 300 Kg of cement per m3 of concrete, it is estimated at 60 or 70Kg the amount of calcium hydroxide which can form, and which can be entrained by runoff.

Or , on sait qu'une élévation de température de ces eaux entraîne une diminution de la solubilité de l'hydroxyde de calcium, ce qui est à l'origine de certains dépôts blanchâtres. D'autre part, lorsque les eaux chargées d'hydroxyde de calcium entrent en contact avec des eaux naturelles plus ou moins bicarbonatées, des eaux de pluies saturées en C02, les bicarbonates de calcium et le C02 réagissent sur l'hydroxyde de calcium pour provoquer un précipité de carbonate de calcium. Cette réaction est à l'origine de certaines obstructions catastrophiques de canalisations ou de conduits d'évacuation des eaux, pouvant provoquer des dégâts matériels extrêmement importants et entraîner des frais de réparation imprévus, très élevés. However, it is known that a rise in temperature of these waters causes a reduction in the solubility of calcium hydroxide, which is the cause of certain whitish deposits. On the other hand, when the water loaded with calcium hydroxide comes into contact with more or less bicarbonated natural water, rainwater saturated with C02, the calcium bicarbonates and C02 react on the calcium hydroxide to cause a precipitate of calcium carbonate. This reaction is the cause of certain catastrophic obstructions in water drainage pipes or conduits, which can cause extremely significant material damage and result in very high unforeseen repair costs.

La présente invention se propose de remédier a ces inconvénients en supprimant le risque d'une dissolution des hydroxydes de calcium contenus dans le béton ou le mortier pares son durcissement, et le risque d'une précipi tation massive de carbonate de calcium dans les eaux ayant traversé un massif en béton ou une chape de mortier. The present invention proposes to remedy these drawbacks by eliminating the risk of a dissolution of the calcium hydroxides contained in the concrete or the mortar by its hardening, and the risk of a massive precipitation of calcium carbonate in the waters having crossed a concrete block or a mortar screed.

Dans ce but, le procédé de fabrication selon l'invention est caractérisé en ce que l'on expose lesdits éléments, après durcissement, pendant un temps prédéterminé à une atmosphère d'anhydride carbonique, pour provoquer la carbonation accélérée des hydroxydes de calcium contenus dans ledit matériau. For this purpose, the manufacturing method according to the invention is characterized in that said elements are exposed, after hardening, for a predetermined time to a carbon dioxide atmosphere, to cause the accelerated carbonation of the calcium hydroxides contained in said material.

Le dispositif de mise en oeuvre de ce procédé est caractérisé en ce qu'il comporte au moins un autoclave dans lequel sont exposés les éléments à traiter, une source d'anhydride carbonique, un dispositif pour injecter l'anhydride carbonique de ladite source à l'intérieur dudit autoclave et pour évacuer simultanément l'air qu'il contient, et un dispositif de contrôle relié au dispositif d'injection, pour maintenir sensiblement constante la pression de l'anhydride carbonique à l'intérieur de l'autoclave. The device for implementing this process is characterized in that it comprises at least one autoclave in which the elements to be treated are exposed, a source of carbon dioxide, a device for injecting carbon dioxide from said source to the inside said autoclave and to simultaneously evacuate the air it contains, and a control device connected to the injection device, to keep the pressure of carbon dioxide inside the autoclave substantially constant.

La présente invention sera mieux comprise en référence à la description détaillée d'une forme de-réalisation et du dessin annexé, dans lequel
La figure 1 représente une vue schématique de l'ensemble de l'installation, et
La figure 2 représente une vue schématique en coupe transversale de l'autoclave.The present invention will be better understood with reference to the detailed description of an embodiment and the accompanying drawing, in which
FIG. 1 represents a schematic view of the entire installation, and
Figure 2 shows a schematic cross-sectional view of the autoclave.

Sous la forme préférentielle, le procédé de fabrication consiste à traiteur, par de l'anhydride carbonique, des éléments préfabriqués perméables réalisés en un matériau à base de liant hydraulique tel que le ciment. Ces éléments sont par exemple des dalles utilisées pour couvrir une terrasse exposée aux intempéries ou un toit plat, ou tout autre produit similaire exposé à la pluie ou aux eaux de ruissellement. L'action de l'anhydride carbonique provoque une carbonation rapide et à coeur de ces éléments.Le carbonate de calcium obtenu étant pratiquement insoluble par rapport à l'hydroxyde de calcium, les dangers d'obstruction et de formation de concrétions calcaires sont pratiquement éliminés, ce qui supprime les risques d'obstruction des canalisations d'évacuation des eaux de pluie, des installations de drainage, et en particulier des ouvertures pratiquées dans les tuyaux de drainage. In the preferred form, the manufacturing process consists of treating, with carbon dioxide, permeable prefabricated elements made of a material based on hydraulic binder such as cement. These elements are for example slabs used to cover a terrace exposed to the weather or a flat roof, or any other similar product exposed to rain or runoff. The action of carbon dioxide causes rapid carbonation at the heart of these elements. As the calcium carbonate obtained is practically insoluble compared to calcium hydroxide, the dangers of obstruction and the formation of calcareous concretions are practically eliminated. , which eliminates the risk of obstruction of rainwater drainage pipes, drainage installations, and in particular of the openings made in the drainage pipes.

De préférence, l'on introduit lesdits produits dans un autoclave fermé hermétiquement, et l'on évacue l'air en introduisant l'anhydride carbonique au bas de l'enceinte. Comme l'anhydride carbonique est plus lourd que l'air, si son injection se fait de manière à éviter les remous, l'air initialement contenu à l'intérieur de l'autoclave est progressivement chassé et remplacé par de l'anhydride carbonique. Lorsque tout l'air est chassé, on ferme la vanne d'évacuation et l'on continue à injecter de l'anhydride carbonique jusqu'à ce que la surpression h P soit comprise entre 0,1 et 1 atmosphère, et de préférence soit égale à 0,5 atmosphère. Preferably, the said products are introduced into a hermetically sealed autoclave, and the air is evacuated by introducing carbon dioxide at the bottom of the enclosure. As carbon dioxide is heavier than air, if it is injected in such a way as to avoid swirls, the air initially contained inside the autoclave is gradually expelled and replaced by carbon dioxide. When all the air has been expelled, the discharge valve is closed and carbon dioxide continues to be injected until the overpressure h P is between 0.1 and 1 atmosphere, and preferably either equal to 0.5 atmosphere.

L'anhydride carbonique contenu dans l'autoclave réagit sur l'hydroxy- de de calcium contenu dans les éléments soumis au traitement selon la réaction Ca (OH)2 + CO2 ~ Ca C03 + H20
Ce processus, qui se fait dans la nature de façon extrêmement lente, s'effectue de façon accélérée sur une période d'environ quarante-huit heures à l'intérieur de l'autoclave. Les dalles de recouvrement de terrasses ou les plaques de drainage préfabriquées soumises au traitement de carbonation, ont une porosité ouverte de l'ordre de 20 Z. Elles sont disposées de préférence verticalement et espacées les unes des autres sur des palettes, elles-mêmes introduites à l'interieur de l'autoclave, par exemple sur des chariots mobiles sur des rails.Après leur fabrication et mise en forme par des machines spécialisées, les éléments à traiter sont d'abord stockés pendant la période de durcissement, avant d'être soumis au traitement de carbonation. Ce stockage permet d'évacuer une partie de l'eau qu'ils contiennent, en particulier l'eau de mouillage des granulats et l'eau de gâchage en excès. Lors du traitement, l'humidité due à la réaction de carbonation reste confinée dans l'enceinte de l'autoclave. Un dispositif de contrôle permet d'injecter une quantité prédéterminée d'anhydride carbonique à intervalles réguliers, par exemple toutes les heures, pour compenser l'anhydride carbonique consommé au cours du traitement.The carbon dioxide contained in the autoclave reacts on the calcium hydroxide contained in the elements subjected to the treatment according to the reaction Ca (OH) 2 + CO2 ~ Ca C03 + H20
This process, which takes place in nature extremely slowly, takes place accelerated over a period of approximately forty-eight hours inside the autoclave. The terrace covering slabs or the prefabricated drainage plates subjected to the carbonation treatment, have an open porosity of the order of 20 Z. They are preferably arranged vertically and spaced from each other on pallets, themselves introduced inside the autoclave, for example on carriages movable on rails. After their manufacture and shaping by specialized machines, the elements to be treated are first stored during the curing period, before being subjected to carbonation treatment. This storage makes it possible to discharge part of the water which they contain, in particular the water for wetting the aggregates and the excess mixing water. During the treatment, the humidity due to the carbonation reaction remains confined in the enclosure of the autoclave. A control device makes it possible to inject a predetermined quantity of carbon dioxide at regular intervals, for example every hour, to compensate for the carbon dioxide consumed during the treatment.

Aucun apport thermique n'est prévu en dehors de celui produit par la réaction elle-même, qui est exothermique. No thermal contribution is expected apart from that produced by the reaction itself, which is exothermic.

Divers essais ont été effectués en laboratoire sur la base d'un béton perméable, non pas du fait d'un dosage en liant trop faible, mais par le choix de la granulométrie des granulats utilisés, contenant par exemple et par m3 de béton fini
- 83 Z gravier 3-6mm
- 17 Z sable 0-3mm
- 300 kg/m3 ciment type Portland
- 0,4 E/c (Eau/ciment)
Les éprouvettes obtenues avec ce matériau ont eu les dimensions et les caractéristiques suivantes
- longueur 15.7 cm
- largeur 5,9 cm
- épaisseur 4,2 cm
- volume 0,39 1
- densité apparente 2,07 à 2,15
- porosité 20 Z (maximum 22 %)
L'analyse des éprouvettes soumises au traitement de carbonation a per mis de constater qu'une éprouvette a absorbé en moyenne 14,4 gr d'anhydride carbionique, valeur correspondant à la carbonation de 62 kg d'hydroxyde de calcium par m3 de béton fini, dont le dosage initial en ciment était de 300 kg de ciment par m3 de béton fini.Various tests have been carried out in the laboratory on the basis of permeable concrete, not because of a too weak binder dosage, but by the choice of the granulometry of the aggregates used, containing for example and per m3 of finished concrete.
- 83 Z gravel 3-6mm
- 17 Z sand 0-3mm
- 300 kg / m3 Portland type cement
- 0.4 E / c (Water / cement)
The test pieces obtained with this material had the following dimensions and characteristics
- length 15.7 cm
- width 5.9 cm
- thickness 4.2 cm
- volume 0.39 1
- bulk density 2.07 to 2.15
- porosity 20 Z (maximum 22%)
Analysis of the test pieces subjected to the carbonation treatment revealed that a test piece absorbed on average 14.4 gr of carbionic anhydride, a value corresponding to the carbonation of 62 kg of calcium hydroxide per m3 of finished concrete , whose initial cement dosage was 300 kg of cement per m3 of finished concrete.

I1 s'agit là d'une quantité d'hydroxyde de calcium maximale, théorique ment atteinte lorsque le ciment est totalement hydraté. En pratique, une hydratation complète du ciment n'est toutefois jamais obtenue. I1 reste cependant évident que même lorsque l'hydratation est partielle, les quantités d'hydroxyde de calcium formé et susceptible de précipiter ensuite sous forme de carbonate de calcium, restent importantes. This is a maximum quantity of calcium hydroxide, theoretically reached when the cement is fully hydrated. In practice, however, complete hydration of the cement is never obtained. It remains however obvious that even when the hydration is partial, the quantities of calcium hydroxide formed and capable of precipitating subsequently in the form of calcium carbonate, remain significant.

En référence à la fig. 1, le dispositif de mise en oeuvre du procédé se présente sous une forme modulaire, chaque module 10 comportant un autoclave 11, un régulateur de pression 12 et un système de vannes 13. Chacun des modules est raccordé par l'intermédiaire d'un détendeur 14 et d'un évaporateur 15 à une source d'anhydride carbonique 16, se présentant de préférence sous la forme d' une station de C02 liquide. Le système de vannes 13 peut être constitué par exemple par une première vanne manuelle à bille 17 et une seconde vanne commandée 18, par exemple une vanne électromagnétique. Le régulateur de pression 12 comporte deux sorties 19 et 20, toutes deux reliées à l'autoclave 11 et dont l'une, par exemple la sortie 19, est équipée d'une vanne de réglage 21. L'autoclave 11 comporte d'autre part une soupape de sûreté 22 et une vanne de purge 23. With reference to fig. 1, the device for implementing the process is in modular form, each module 10 comprising an autoclave 11, a pressure regulator 12 and a valve system 13. Each of the modules is connected by means of a pressure reducer 14 and an evaporator 15 to a source of carbon dioxide 16, preferably in the form of a liquid CO 2 station. The valve system 13 can be constituted for example by a first manual ball valve 17 and a second controlled valve 18, for example an electromagnetic valve. The pressure regulator 12 has two outputs 19 and 20, both of which are connected to the autoclave 11 and one of which, for example the outlet 19, is equipped with an adjustment valve 21. The autoclave 11 has other apart from a safety valve 22 and a purge valve 23.

L'installation complète peut prévoir toute une série de modules identiques aux modules 10 et raccordés aux sorties 30, 40, 50, etc.. des conduits tracés sur la fig. 1. The complete installation can provide a whole series of modules identical to the modules 10 and connected to the outputs 30, 40, 50, etc. of the conduits traced in FIG. 1.

La fig. 2 illustre une forme de réalisation préférée de l'autoclave 11 de la fig. 1. I1 se compose d'une cuve cylindrique creuse placée horizontalement et fermée à son extrémité arrière par un fond fixe et à son extrémité antérieure par une porte étanche 24. Bien entendu, cette cuve pourrait être équipée d'une porte étanche aux deux extrémités, de telle manière que les produits soient introduits d'un côté de l'autoclave et évacués après leur traitement par son extrémité opposée. A l'intérieur, l'autoclave comporte un plancher horizontal 25 supportant de préférence des rails 26, sur lequel circulent des plates-formes 27 qui supportent les produits à traiter 28, par exemple entassés sur des palettes. La cuve peut être enterrée jusqu'au niveau de la plate-forme 27, pour faciliter l'introduction et l'évacuation des produits à traiter. Fig. 2 illustrates a preferred embodiment of the autoclave 11 of FIG. 1. I1 consists of a hollow cylindrical tank placed horizontally and closed at its rear end by a fixed bottom and at its front end by a watertight door 24. Of course, this tank could be equipped with a watertight door at both ends , so that the products are introduced on one side of the autoclave and evacuated after their treatment by its opposite end. Inside, the autoclave comprises a horizontal floor 25 preferably supporting rails 26, on which circulate platforms 27 which support the products to be treated 28, for example piled up on pallets. The tank can be buried up to the level of the platform 27, to facilitate the introduction and evacuation of the products to be treated.

I1 serait également possible d'équiper le dispositif d'une station de récupération de l'anhydride carbonique restant dans l'autoclave 11, apres le traitement des produits placés à 1T intérieur. It would also be possible to equip the device with a station for recovering the carbon dioxide remaining in the autoclave 11, after the treatment of the products placed inside 1T.

I1 suffirait pour cela de pomper ce gaz d'un autoclave de l'un des modules dans l'autoclave correspondant d'un autre module. It would suffice for this to pump this gas from an autoclave of one of the modules into the corresponding autoclave of another module.

Claims

1. A method of manufacturing permeable prefabricated elements made of a material comprising aggregates linked by a hydraulic binder of the cement type, characterized in that said elements are exposed, after their hardening and for a predetermined period of time, to a carbon dioxide atmosphere to cause accelerated carbonation of the calcium hydroxides contained in said material.

2. Method according to claim 1, characterized in that the said elements are introduced into a hermetically sealed autoclave, in that the air contained in this autoclave is removed by replacing it with bionic anhydride under pressure. PO + ss P where PO is the atmospheric pressure and AP an overpressure between 0.1 and 1 atmosphere, and in that this pressure is kept substantially constant by re-injecting carbon dioxide to compensate for the gas consumed during the carbonation reaction.

3. The method of claim 2, wherein the overpressure is substantially equal to 0.5 atmosphere.

4. Method according to claim 2, characterized in that the predetermined time of the carbonation treatment is approximately forty-eight hours.

5. Device for implementing the method of claim 1, ca characterized in that it comprises at least one autoclave in which the elements to be treated are exposed, a source of carbon dioxide, a device for injecting carbon dioxide from said source inside said autoclave and to simultaneously evacuate the air it contains, and a control device connected to the injection device, to maintain a substantially constant pressure of carbon dioxide inside from the autoclave.

6. Device according to claim 5, characterized in that it comprises several units connected in parallel to the carbon dioxide source and each comprising a carbonation autoclave.

7. Device according to claim 5, characterized in that the autoclave is constituted by a longitudinal tank comprising a horizontal flat bottom, on which are stored the prefabricated elements which are to be accelerated carbonation.

8. Device according to claim 6, characterized in that it comprises a circuit for recycling the carbon dioxide contained in an autoclave and not used during the carbonation reaction.