FR3125524A1 - Clay-based composition for building material - Google Patents
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Abstract
Composition à base d’argile pour matériau de construction L’invention concerne une composition à base d’argile pour matériau de construction, notamment pour liant hydraulique tel que du ciment, comprenant : - une ou plusieurs argiles « flashées » obtenues par calcination flash de la ou des argiles en particules à une température comprise entre 600 et 900°C pendant quelques secondes, suivie d’un refroidissement rapide, et - de l’oxyde de silice cristallisé, ou quartz, en particules. L’invention concerne également un liant, notamment hydraulique, comportant une telle composition, un procédé de fabrication d’une telle composition et l’utilisation de fines de lavage pour fabriquer une telle composition.Clay-based composition for building material The invention relates to a clay-based composition for building material, in particular for hydraulic binder such as cement, comprising: - one or more "flashed" clays obtained by flash calcination of the clay or clays in particles at a temperature between 600 and 900° C. for a few seconds, followed by rapid cooling, and - crystallized silica oxide, or quartz, in particles. The invention also relates to a binder, in particular a hydraulic binder, comprising such a composition, a process for manufacturing such a composition and the use of washing fines to manufacture such a composition.
Description
La présente invention concerne le domaine des matériaux de construction, et plus particulièrement de nouvelles compositions pour matériaux de construction, leurs procédés de fabrication et leurs utilisations pour la réalisation, notamment de liants hydrauliques tels que du béton ou du mortier.The present invention relates to the field of building materials, and more particularly to new compositions for building materials, their manufacturing processes and their uses for the production, in particular of hydraulic binders such as concrete or mortar.
Il existe deux types de ciment, les ciments dits hydrauliques tels que les ciments Portland, et les ciments dis géopolymériques.There are two types of cement, the so-called hydraulic cements such as Portland cements, and the geopolymeric cements.
Le ciment Portland est un matériau très utilisé dans le domaine de la construction, mais qui nécessite, pour sa fabrication, d’une part, la consommation de nombreuses ressources et, d’autre part, produit une quantité non-négligeable de polluants responsables, entre autres, du réchauffement climatique et des pluies acides. Par ailleurs, sa production nécessitait la cuisson de calcaire et d’argile à très haute température, de l’ordre de 1450°C.Portland cement is a material widely used in the field of construction, but which requires, for its manufacture, on the one hand, the consumption of many resources and, on the other hand, produces a non-negligible quantity of responsible pollutants, among other things, global warming and acid rain. Moreover, its production required the firing of limestone and clay at very high temperatures, around 1450°C.
Les ciments géopolymériques sont à base de géopolymère minéral formé par la polymérisation d’oxydes d’aluminosilicate en présence d’un activateur alcalin.Geopolymeric cements are based on mineral geopolymer formed by the polymerization of aluminosilicate oxides in the presence of an alkaline activator.
La production de ciment géopolymérique est significativement plus écologique que la production de ciment hydraulique étant donné que la formation d’une tonne de ciment hydraulique génère environ 1 tonne de CO2, alors qu’une tonne de ciment géopolymérique génère seulement environ 0,1 tonne de CO2.The production of geopolymer cement is significantly greener than the production of hydraulic cement since the formation of one ton of hydraulic cement generates about 1 ton of CO 2 , while one ton of geopolymer cement only generates about 0.1 ton of CO 2 .
Cependant, les ciments géopolymériques présentent un coût économique plus élevé, ce qui limite leurs utilisations.However, geopolymeric cements have a higher economic cost, which limits their uses.
Il est également connu de traiter thermiquement les argiles, et plus précisément les kaolins, destinées aux ciments, hydrauliques ou géopolymériques, notamment afin d’obtenir une forme déshydratée, plus précisément les méta-kaolins. La forme déshydratée des argiles, ou méta-argiles, est plus avantageuse pour une utilisation dans les ciments. Un tel traitement thermique permet notamment de limiter les ressources énergétiques nécessaires à la fabrication d’un ciment.It is also known to heat treat clays, and more specifically kaolins, intended for cements, hydraulics or geopolymers, in particular in order to obtain a dehydrated form, more specifically meta-kaolins. The dehydrated form of clays, or meta-clays, is more advantageous for use in cements. Such a heat treatment makes it possible in particular to limit the energy resources necessary for the manufacture of a cement.
La présente invention vise à résoudre les différents problèmes techniques énoncés précédemment. En particulier, la présente invention vise à proposer une composition pour matériau de construction permettant de diminuer encore plus l’impact environnemental de la fabrication du matériau de construction. Plus précisément, la présente invention vise à proposer l’utilisation de résidus de procédés industriels pour la fabrication d’une composition pour matériau de construction.The present invention aims to solve the various technical problems mentioned above. In particular, the present invention aims to provide a composition for a construction material which makes it possible to further reduce the environmental impact of the manufacture of the construction material. More specifically, the present invention aims to propose the use of residues from industrial processes for the manufacture of a composition for construction material.
Ainsi, selon un aspect, il est proposé une composition à base d’argile pour matériau de construction, notamment pour liant hydraulique tel que du ciment. La composition comprend :
- une ou plusieurs argiles « flashées » obtenues par calcination flash de la ou des argiles en particules à une température comprise entre 600 et 900°C pendant quelques secondes, suivie d’un refroidissement rapide, et
- de l’oxyde de silice cristallisé, ou quartz, en particules.Thus, according to one aspect, a clay-based composition is proposed for a construction material, in particular for a hydraulic binder such as cement. The composition includes:
- one or more "flashed" clays obtained by flash calcination of the clay(s) in particles at a temperature between 600 and 900°C for a few seconds, followed by rapid cooling, and
- crystallized silica oxide, or quartz, in particles.
Ainsi, la composition selon la présente invention est basée sur des résidus de procédés industriels de lavage de matières minérales, par exemple de lavage de terres excavées, de matériaux de carrière (sable ou granulats) ou de sédiments. De tels résidus présentent notamment l’avantage de comporter une proportion importante d’argiles nécessaires à la préparation d’un liant. L’utilisation de tels résidus permet donc d’économiser les ressources nécessaires classiquement à l’extraction de l’argile.Thus, the composition according to the present invention is based on residues of industrial processes for washing mineral matter, for example washing excavated earth, quarry materials (sand or aggregates) or sediments. Such residues have the particular advantage of comprising a large proportion of clays necessary for the preparation of a binder. The use of such residues therefore makes it possible to save the resources conventionally necessary for the extraction of clay.
Par ailleurs, et afin de limiter encore plus l’impact environnemental de la composition selon l’invention, les argiles sont traitées thermiquement à une température comprise entre 600°C et 900°C pendant quelques secondes, suivi d’un refroidissement, afin d’obtenir une forme déshydratée de ces argiles qui est particulièrement avantageuse pour la fabrication de liants. Un tel traitement thermique est notamment rendu possible, et particulièrement avantageux, par le fait que la composition récupérée, issue du lavage de matières minérales, est déjà sous forme de particules fines (ou poudre, ou sous forme pulvérulente), et ne nécessite donc pas nécessairement d’être préalablement broyée, mais éventuellement juste dés-agglomérée.Furthermore, and in order to further limit the environmental impact of the composition according to the invention, the clays are heat-treated at a temperature of between 600° C. and 900° C. for a few seconds, followed by cooling, in order to obtain a dehydrated form of these clays which is particularly advantageous for the manufacture of binders. Such a heat treatment is in particular made possible, and particularly advantageous, by the fact that the recovered composition, resulting from the washing of mineral materials, is already in the form of fine particles (or powder, or in pulverulent form), and therefore does not require necessarily to be crushed beforehand, but possibly just de-agglomerated.
En effet, l’argile flashée, ou méta-argile flashée, est obtenue par calcination flash, au contraire de méta-argile « classique » qui est obtenue par calcination dans un four rotatif pendant au moins 5 heures. Dans les deux cas, on obtient une activation de l’argile par désorption d’eau. La fabrication de la méta-argile flashée nécessite beaucoup moins d’énergie, est un procédé à faible émission de CO2et est moins complexe que celui de la méta-argile classique puisque la période de chauffe ne dure que quelques secondes et aucun broyage postérieur n’est nécessaire. De plus, la préparation de l’argile avant le traitement thermique est minimale. Son impact environnemental est donc plus faible et son coût est moins élevé.Indeed, flashed clay, or flashed meta-clay, is obtained by flash calcination, unlike “conventional” meta-clay which is obtained by calcination in a rotary kiln for at least 5 hours. In both cases, an activation of the clay is obtained by desorption of water. The manufacture of flashed meta-clay requires much less energy, is a low CO 2 emission process and is less complex than that of conventional meta-clay since the heating period lasts only a few seconds and no subsequent grinding is not necessary. In addition, preparation of the clay before heat treatment is minimal. Its environmental impact is therefore lower and its cost is lower.
Enfin, la composition selon la présente invention comprend également de l’oxyde de silice cristallisé, ou quartz. La présence de cet oxyde découle directement de l’origine de la composition, puisque l’oxyde de silice cristallisé, ou quartz, est présent dans les matières minérales. La composition selon la présente invention exploite ainsi avantageusement la présence de cet oxyde, en mélange avec les argiles, qui est également sous forme de particules (ou sous forme pulvérulente). Les particules de quartz peuvent donc avantageusement former une charge minérale dans le liant obtenu à partir de la composition selon l’invention. En effet, le quartz permet d’augmenter la compacité, et donc la résistance du liant final, mais est souvent difficile et cher à broyer en raison sa dureté. Dans le cas de la présente invention, la présence de quartz, déjà sous forme de particules, permet d’améliorer les caractéristiques mécaniques du liant final sans augmenter le coût ou les ressources nécessaires à la fabrication dudit liant.Finally, the composition according to the present invention also comprises crystallized silica oxide, or quartz. The presence of this oxide stems directly from the origin of the composition, since crystallized silica oxide, or quartz, is present in mineral materials. The composition according to the present invention thus advantageously exploits the presence of this oxide, mixed with the clays, which is also in the form of particles (or in powder form). The quartz particles can therefore advantageously form a mineral filler in the binder obtained from the composition according to the invention. Indeed, quartz makes it possible to increase the compactness, and therefore the resistance of the final binder, but is often difficult and expensive to grind because of its hardness. In the case of the present invention, the presence of quartz, already in the form of particles, makes it possible to improve the mechanical characteristics of the final binder without increasing the cost or the resources necessary for the manufacture of said binder.
Ainsi, la composition selon l’invention exploite avantageusement des résidus des procédés de lavage de matières minérales, classiquement appelés « fines de lavage », souvent inexploités et encombrants, pour former une composition riche en argile et en quartz, sous forme de particules. La composition selon l’invention découle directement du traitement thermiquement à une température comprise entre 600°C et 900°C pendant quelques secondes, suivi d’un refroidissement, de tels résidus, pour obtenir, avec des ressources limitées, une composition pour matériaux de construction.Thus, the composition according to the invention advantageously exploits residues from the washing processes of mineral materials, conventionally called "washing fines", often unused and bulky, to form a composition rich in clay and quartz, in the form of particles. The composition according to the invention derives directly from the heat treatment at a temperature between 600°C and 900°C for a few seconds, followed by cooling, of such residues, to obtain, with limited resources, a composition for materials of construction.
Préférentiellement, le pourcentage massique, notamment en matière sèche, d’oxyde de silice cristallisé est supérieur ou égal à 5%, de préférence supérieur ou égal à 10%, et plus préférentiellement compris entre 5% et 60%, voire entre 10% et 40%.Preferably, the mass percentage, in particular of dry matter, of crystallized silica oxide is greater than or equal to 5%, preferably greater than or equal to 10%, and more preferably between 5% and 60%, or even between 10% and 40%.
La composition selon l’invention étant obtenue à partir des résidus de procédés de lavage de matières minérales, elle comporte donc une quantité d’oxyde de silice cristallisé, ou quartz, relativement élevée, et qui reste inchangée durant le traitement thermique (calcination flash) appliqué pour la déshydratation des argiles.The composition according to the invention being obtained from the residues of mineral matter washing processes, it therefore comprises a quantity of crystallized silica oxide, or quartz, relatively high, and which remains unchanged during the heat treatment (flash calcination) applied for the dehydration of clays.
Préférentiellement, le rapport, notamment en matière sèche, du pourcentage massique de l’oxyde de silice cristallisé sur le pourcentage massique d’une argile « flashée » ou d’argiles « flashées » est compris entre 0.2 et 3, de préférence entre 0.3 et 1.5.Preferably, the ratio, in particular of dry matter, of the mass percentage of the crystallized silica oxide to the mass percentage of a "flashed" clay or of "flashed" clays is between 0.2 and 3, preferably between 0.3 and 1.5.
La composition selon l’invention comporte ainsi des proportions proches en argiles et en quartz, les argiles étant traitées thermiquement pour leur utilisation dans le liant, et le quartz jouant le rôle de charge minérale pour le liant.The composition according to the invention thus comprises close proportions of clays and quartz, the clays being heat-treated for their use in the binder, and the quartz playing the role of mineral filler for the binder.
Préférentiellement, l’oxyde de silice cristallisé est mélangé à la ou aux argiles avant la calcination flash.Preferably, the crystallized silica oxide is mixed with the clay or clays before the flash calcination.
La composition selon l’invention est obtenue à partir d’un mélange de particules d’argile et de quartz, notamment issues du lavage de matières minérales. Les particules d’argile et de quartz peuvent ainsi être traitées thermiquement en même temps, le quartz restant stable sous une température de 900°C notamment, pour préparer la composition selon la présente invention.The composition according to the invention is obtained from a mixture of clay and quartz particles, in particular resulting from the washing of mineral materials. The clay and quartz particles can thus be heat-treated at the same time, the quartz remaining stable at a temperature of 900° C. in particular, to prepare the composition according to the present invention.
Préférentiellement, le pourcentage massique de calcaire est supérieur ou égal à 2%, de préférence supérieur ou égal à 5%, et plus préférentiellement compris entre 5% et 40%.Preferably, the mass percentage of limestone is greater than or equal to 2%, preferably greater than or equal to 5%, and more preferably between 5% and 40%.
La composition selon la présente invention peut également comporter du calcaire, notamment et avantageusement issu également du lavage des matières minérales. Les particules de calcaire déjà présentes permettent de diminuer la quantité de calcaire à rajouter à la composition selon la présente invention, pour former le liant. En particulier, une température de flash calcination inférieure à 800°C permet d’activer les argiles sans calciner le calcaire. La présence de calcaire dans la composition selon la présente invention est donc avantageuse pour l’utilisation de ladite composition dans la fabrication d’un liant, et permet d’exploiter également un composé parfois important dans les résidus de lavage de matières minérales.The composition according to the present invention may also comprise limestone, in particular and advantageously also resulting from the washing of mineral matter. The limestone particles already present make it possible to reduce the quantity of limestone to be added to the composition according to the present invention, to form the binder. In particular, a flash calcination temperature lower than 800°C makes it possible to activate the clays without calcining the limestone. The presence of limestone in the composition according to the present invention is therefore advantageous for the use of said composition in the manufacture of a binder, and also makes it possible to exploit a compound that is sometimes important in the washing residues of mineral materials.
Préférentiellement, 90% en masse, de préférence 95% en masse, des particules de la composition présentent une taille mesurée selon la norme NF EN ISO 17892-4, inférieure ou égale à 100µm, de préférence inférieure ou égale à 70µm.Preferably, 90% by mass, preferably 95% by mass, of the particles of the composition have a size measured according to standard NF EN ISO 17892-4, less than or equal to 100 μm, preferably less than or equal to 70 μm.
La composition selon l’invention est issue de résidus qui sont déjà sous forme de particules, ce qui permet d’y appliquer directement le traitement thermique sans nécessairement d’étape préalable de broyage, pour obtenir une composition selon l’invention sous forme de particules également. Une étape de dés-agglomération d’éventuels agrégats peut être effectuée préalablement au traitement thermique, le cas échéant.The composition according to the invention is derived from residues which are already in the form of particles, which makes it possible to directly apply the heat treatment thereto without necessarily a prior grinding step, to obtain a composition according to the invention in the form of particles. also. A de-agglomeration stage of any aggregates can be carried out prior to the heat treatment, if necessary.
Préférentiellement, la composition comprend du métakaolin et au moins une argile flashée différente du métakaolin. Dit autrement, la composition selon l’invention ne comprend pas exclusivement du métakaolin en tant qu’argile flashée.Preferably, the composition comprises metakaolin and at least one flashed clay different from metakaolin. In other words, the composition according to the invention does not exclusively comprise metakaolin as flashed clay.
Selon un autre aspect, il est également proposé un liant, notamment hydraulique, comportant notamment une composition à base d’argile telle que décrite précédemment.According to another aspect, a binder, in particular hydraulic, including in particular a clay-based composition as described above is also proposed.
Le liant comporte ainsi à la fois de l’argile traitée thermiquement, du quartz comme charge minérale, et éventuellement du calcaire.The binder thus comprises both heat-treated clay, quartz as mineral filler, and possibly limestone.
Le liant ainsi obtenu peut être laissé tel quel. Le liant ainsi obtenu peut également être mélangé avec du ciment standard, par exemple à hauteur de 10% à 70%, de préférence de 20% à 40% en masse.The binder thus obtained can be left as it is. The binder thus obtained can also be mixed with standard cement, for example up to 10% to 70%, preferably 20% to 40% by mass.
Le liant ainsi obtenu peut également être mélangé à d’autres composants choisis parmi : laitier moulu de hauts fourneaux, charges calcaires, cendres volantes, activateurs chimiques, adjuvants, etc.The binder thus obtained can also be mixed with other components chosen from: ground slag from blast furnaces, limestone fillers, fly ash, chemical activators, additives, etc.
Selon un autre aspect, il est également proposé un mortier ou béton comprenant une composition telle que décrite précédemment, ou un liant, notamment hydraulique, tel que décrit précédemment.According to another aspect, a mortar or concrete comprising a composition as described above, or a binder, in particular hydraulic, as described above, is also proposed.
Selon un autre aspect, il est également proposé un procédé de fabrication d’une composition à base d’argile pour l’obtention d’un liant, notamment hydraulique, tel que du ciment, dans lequel :
- on récupère des particules issues du lavage de matières minérales, comportant une ou plusieurs argiles et de l’oxyde de silice cristallisé, ou quartz,
- on applique un traitement thermique inférieur à une température comprise entre 600 et 900°C pendant quelques secondes, suivie d’un refroidissement rapide, sur lesdites particules, de manière à obtenir une composition à base d’argile « flashée » destinée à la fabrication d’un liant, notamment hydraulique.According to another aspect, there is also proposed a process for manufacturing a clay-based composition for obtaining a binder, in particular hydraulic, such as cement, in which:
- particles are recovered from the washing of mineral materials, comprising one or more clays and crystallized silica oxide, or quartz,
- applying a lower heat treatment at a temperature between 600 and 900°C for a few seconds, followed by rapid cooling, on said particles, so as to obtain a "flashed" clay-based composition intended for the manufacture of a binder, in particular hydraulic.
Les particules issues du lavage de matières minérales, ou fines, présentent une composition (argile, quartz et éventuellement calcaire) ainsi qu’une forme (particules fines) adaptées à la mise en œuvre d’un traitement thermique des argiles qu’elles contiennent en vue d’obtenir une composition pour un matériau de construction. L’utilisation de telles particules pour préparer une composition pour matériau de construction est d’autant plus avantageuse que de telles fines sont peu ou pas valorisées actuellement, de sorte qu’elles sont généralement stockées sans finalité particulière, ce qui les rend encombrantes et couteuses.The particles resulting from the washing of mineral materials, or fines, have a composition (clay, quartz and possibly limestone) as well as a form (fine particles) adapted to the implementation of a heat treatment of the clays which they contain in to obtain a composition for a construction material. The use of such particles to prepare a composition for construction material is all the more advantageous since such fines are little or not currently valued, so that they are generally stored without any particular purpose, which makes them cumbersome and expensive. .
Le lavage de matières minérales consiste à séparer les particules fines des fractions plus importantes. Une telle séparation est notamment obtenue à l’aide d’une solution liquide, principalement de l’eau. Le procédé de lavage peut ainsi comprendre des étapes de débourbage et/ou de criblage et/ou de classification.The washing of mineral materials consists in separating the fine particles from the larger fractions. Such separation is achieved in particular with the help of a liquid solution, mainly water. The washing process can thus comprise settling and/or screening and/or classification steps.
Préférentiellement, les particules issues du lavage sont préalablement émottées et/ou dés-agglomérées et/ou broyées et/ou séparées, par exemple tamisées, afin d’obtenir les particules présentant une granulométrie voulue.Preferably, the particles resulting from the washing are previously crumbled and/or de-agglomerated and/or ground and/or separated, for example sieved, in order to obtain the particles having a desired particle size.
Préférentiellement, le pourcentage massique d’oxyde de silice cristallisé est supérieur ou égal à 5%, de préférence supérieur ou égal à 10%, et plus préférentiellement compris entre 10% et 40%.Preferably, the mass percentage of crystallized silica oxide is greater than or equal to 5%, preferably greater than or equal to 10%, and more preferably between 10% and 40%.
Préférentiellement, le rapport, notamment en matière sèche, du pourcentage massique de l’oxyde de silice cristallisé sur le pourcentage massique d’une argile « flashée » ou d’argiles « flashées » est compris entre 0.2 et 1.2, de préférence entre 0.3 et 1.Preferably, the ratio, in particular of dry matter, of the mass percentage of the crystallized silica oxide to the mass percentage of a "flashed" clay or "flashed" clays is between 0.2 and 1.2, preferably between 0.3 and 1.
Selon un autre aspect, il est également proposé une utilisation de particules issues du lavage de matières minérales, telles que des particules issues du lavage de carrière, de sédiments ou de déblais, les particules comportant notamment de l’argile non-flashée et du quartz, pour la fabrication d’un liant, notamment hydraulique.According to another aspect, it is also proposed to use particles from the washing of mineral materials, such as particles from the washing of quarries, sediments or cuttings, the particles comprising in particular unflashed clay and quartz , for the manufacture of a binder, in particular hydraulic.
L’utilisation de telles particules, ou fines, permet d’une part de valoriser un résidu, ou déchet, d’un procédé industriel, tout en permettant d’obtenir une composition déjà sous forme de particules, ce qui la rend adaptée à un traitement thermique optimisé, et dont la composition est compatible, voire même adaptée, à la fabrication d’un liant, notamment hydraulique.The use of such particles, or fines, makes it possible on the one hand to recover a residue, or waste, from an industrial process, while making it possible to obtain a composition already in the form of particles, which makes it suitable for a optimized heat treatment, and whose composition is compatible, or even suitable, for the manufacture of a binder, in particular hydraulic.
Préférentiellement, les particules issues du lavage de matières minérales sont flashées à une température comprise entre 600 et 900°C pendant quelques secondes, suivie d’un refroidissement rapide.Preferably, the particles resulting from the washing of mineral materials are flashed at a temperature between 600 and 900°C for a few seconds, followed by rapid cooling.
Claims (13)
- une ou plusieurs argiles « flashées » obtenues par calcination flash de la ou des argiles en particules à une température comprise entre 600 et 900°C pendant quelques secondes, suivie d’un refroidissement rapide, et
- de l’oxyde de silice cristallisé, ou quartz, en particules.Clay-based composition for construction material, in particular for hydraulic binder such as cement, comprising:
- one or more "flashed" clays obtained by flash calcination of the clay(s) in particles at a temperature between 600 and 900°C for a few seconds, followed by rapid cooling, and
- crystallized silica oxide, or quartz, in particles.
- on récupère des particules issues du lavage de matières minérales, comportant une ou plusieurs argiles et de l’oxyde de silice cristallisé, ou quartz,
- on applique un traitement thermique inférieur à une température comprise entre 600 et 900°C pendant quelques secondes, suivie d’un refroidissement rapide, sur lesdites particules, de manière à obtenir une composition à base d’argile « flashée » destinée à la fabrication d’un liant, notamment hydraulique.
Process for the manufacture of a clay-based composition for obtaining a binder, in particular hydraulic, such as cement, in which:
- particles are recovered from the washing of mineral materials, comprising one or more clays and crystallized silica oxide, or quartz,
- applying a lower heat treatment at a temperature between 600 and 900°C for a few seconds, followed by rapid cooling, on said particles, so as to obtain a "flashed" clay-based composition intended for the manufacture of a binder, in particular hydraulic.
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-
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