FR3125816A1 - Utilisation d’une fraction obtenue à partir d’un béton usagé comme matière première pour la préparation d’un clinker - Google Patents

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Abstract

UTILISATION D’UNE FRACTION OBTENUE À PARTIR D’UN BÉTON USAGÉ COMME MATIÈRE PREMIÈRE POUR LA PRÉPARATION D’UN CLINKER La présente invention a pour objet l’utilisation d’une fraction dont la granulométrie d90 est inférieure ou égale à 400 µm, ladite fraction comprenant : de 20% à 80% de SiO2 ; de 5% à 50% de CaO ;de 1% à 15% d’Al2O3 ; etde 0,5% à 4% de Fe2O3 ; comme matière première pour la préparation de clinker.

Description

Utilisation d’une fraction obtenue à partir d’un béton usagé comme matière première pour la préparation d’un clinker
La présente invention a pour objet la revalorisation de béton en fin de vie, et plus particulièrement l’utilisation d’une fraction obtenue à partir d’un béton usagé comme matière première de substitution pour la préparation d’un clinker.
La fabrication des liants hydrauliques, et notamment celle des ciments, consiste essentiellement en une calcination d’un mélange de matières premières judicieusement choisies et dosées, aussi désigné par le terme de « cru ». La cuisson de ce cru donne un produit intermédiaire, le clinker, qui, broyé avec d’éventuels ajouts minéraux, donnera du ciment. Le type de ciment fabriqué dépend de la nature et des proportions des matières premières ainsi que du procédé de cuisson. On distingue plusieurs types de ciments : les ciments Portland (qui représentent la très grande majorité des ciments produits dans le monde), les ciments alumineux (ou d’aluminate de calcium), les ciments prompts naturels, les ciments sulfo-alumineux, les ciments sulfo-bélitiques et d’autres variétés intermédiaires.
Les ciments les plus répandus sont les ciments de type Portland. Les ciments Portland sont obtenus à partir de clinker Portland, obtenus après clinkérisation à une température de l’ordre de 1450°C d’un cru riche en carbonate de calcium dans un four. La production d’une tonne de ciment Portland s’accompagne de l’émission de très importantes quantités de CO2(environ 0,8 à 0,9 tonnes de CO2par tonne de ciment dans le cas d’un CEM I).
Or, en 2014, la quantité de ciment vendu dans le monde avoisinait les 4.2 milliards de tonnes (source : Syndicat Français de l’Industrie Cimentière - SFIC). Ce chiffre, en constante augmentation, a plus que doublé en 15 ans. L’industrie du ciment est donc aujourd’hui à la recherche d’une alternative valable au ciment Portland, c’est-à-dire de ciments présentant au moins les mêmes caractéristiques de résistance et de qualité que les ciments Portland, mais qui, lors de leur production, dégagent moins de CO2.
Lors de la production du clinker, principal constituant du ciment Portland, le dégagement de CO2est lié :
- à hauteur de 40% au chauffage du four de cimenterie, au broyage et au transport ;
- à hauteur de 60% au CO2dit chimique, ou de décarbonatation.
La décarbonatation est une réaction chimique qui a lieu lorsque l’on chauffe du calcaire, principale matière première pour la fabrication du ciment Portland, à haute température. Le calcaire se transforme alors en chaux vive et en CO2selon la réaction chimique suivante :
La carbonatation naturelle des matériaux à base de ciment, en particulier les bétons, est un moyen potentiel de réduire l'empreinte carbone liée au processus de fabrication et à l'utilisation du ciment. Cependant, bien que les bétons préparés à partir de ces ciments se recarbonatent naturellement pendant la durée de vie des ouvrages à hauteur de 15% à 20% du CO2émis pendant la fabrication, le bilan carbone associé à la production de ciment Portland demeure positif. Il demeure donc nécessaire de réduire les émissions de CO2lors de la production du ciment Portland et/ou d’améliorer les procédés de revalorisation de bétons en fin de vie.
Pour réduire les émissions de CO2liées à la production du ciment Portland, plusieurs approches ont été envisagées jusqu’à présent :
- l’adaptation ou la modernisation des procédés cimentiers afin de maximiser le rendement des échanges thermiques ;
- le développement de nouveaux liants « bas carbone » tels que les ciments sulfo-alumineux préparés à partir de matières premières moins riches en calcaire et à une température de cuisson moins élevée, ce qui permet une diminution des émissions CO2de 35% environ ;
- ou encore la substitution (partielle) du clinker dans les ciments par des matériaux permettant de limiter les émissions de CO2.
Des technologies de captage et de stockage du carbone ont par ailleurs été développées pour limiter les émissions de CO2des cimenteries ou des centrales électriques au charbon. La demande de brevet internationale WO-A-2019/115722 décrit un procédé permettant à la fois le nettoyage de gaz d'échappement contenant du CO2et la fabrication d'un matériau cimentaire supplémentaire. Le procédé décrit consiste à utiliser des fines de béton recyclées comprenant la fourniture de fines de béton recyclées avec d90≤ 1000 µm dans des stocks ou un silo en tant que produit de départ, le rinçage du produit de départ pour fournir un matériau carboné, le retrait du matériau carboné et du gaz d'échappement nettoyé, et la désagglomération du matériau carboné pour former le matériau cimentaire supplémentaire, ainsi que l'utilisation de stocks ou d'un silo contenant un produit de départ de fines de béton recyclées avec d90≤ 1000 µm pour le nettoyage de gaz d'échappement contenant du CO2et la fabrication simultanée d'un matériau cimentaire supplémentaire. Cependant, ce procédé nécessite de sécher le produit carbonaté avant que celui-ci ne soit utilisable.
A la date de la présente invention, il demeure nécessaire d’identifier de nouveaux matériaux de substitution permettant d’abaisser significativement les émissions de CO2lors de la production de ciment Portland, mais également d’améliorer les processus de recyclage de bétons usagés, lesquels peuvent avoir un impact important sur le bilan carbone associé à la production de matériaux de construction.
Or, il a maintenant été trouvé de façon tout à fait surprenante que certaines fractions de fines issues du recyclage de bétons usagés pouvaient être utilisées comme matière première pour la préparation de clinker en substitution d’une partie du calcaire et de l’argile de carrières classiquement utilisés, ce qui permet d’abaisser significativement les émissions de CO2lors de la préparation du clinker.
Ainsi, la présente invention a pour objet l’utilisation d’une fraction dont la granulométrie d90est inférieure ou égale à 400 µm, ladite fraction comprenant :
  • de 20% à 80% de SiO2;
  • de 5% à 50% de CaO ;
  • de 1% à 15% d’Al2O3; et
  • de 0,5% à 4% de Fe2O3;
comme matière première pour la préparation de clinker.
Contre toute attente, les fractions de fines définies précédemment obtenues à partir d’un matériau de construction, notamment un béton, en fin de vie, peuvent être utilisées comme matière première pour la préparation de clinker en substitution d’une partie du calcaire et de l’argile classiquement utilisées. Les émissions de CO2pour préparer le clinker sont ainsi significativement abaissées.
Dans le cadre de la présente invention :
- on entend par « perte au feu » la teneur cumulée en eau liée, en matières organiques, en CO2des carbonates (charges calcaires et partie carbonatée du matériau) et en éventuels éléments oxydables. La perte au feu est déterminée par calcination à l’air à une température de (950 +/- 25°C) selon la méthode décrite dans la norme NF EN 196-2 (indice de classement P 15-472) - Méthodes d’essais des ciments - Partie 2 : Analyse chimique des ciments ; et
- on entend par « matériau de construction » un ciment, un béton, un mortier.
Dans le cadre de la présente invention, « d90» correspond au diamètre en-dessous duquel se trouve 90% de la masse totale des particules de l’échantillon considéré. Celui-ci peut être déterminé par toute méthode connue de l’homme du métier, notamment par granulométrie laser en voie sèche ou humide.
Dans le cadre de la présente invention, le diamètre des particules peut être déterminé par toute méthode connue de l’homme du métier, notamment par microscopie électronique à balayage, morphogranulométrie ou par granulométrie laser.
Enfin, dans le cadre de la présente invention, les proportions exprimées en % correspondent à des pourcentages massiques par rapport au poids total de l’entité (e.g. clinker ou ciment) considérée.
La présente invention a donc pour objet l’utilisation d’une fraction possédant les caractéristiques, notamment granulométriques et minéralogiques, décrites précédemment comme matière première pour la préparation d’un clinker. De préférence, la présente invention a pour objet l’utilisation d’une fraction telle que définie précédemment comme matière première pour la préparation d’un clinker, ladite fraction possédant les caractéristiques suivantes, choisies seules ou en combinaison :
  • la granulométrie d90de la fraction est inférieure ou égale à 300 µm. De préférence encore, la granulométrie d90de la fraction est inférieure ou égale à 250 µm. De façon tout à fait préférée, la granulométrie d90de la fraction est inférieure ou égale à 200 µm ;
  • la fraction contient de 30% à 70% de SiO2. De préférence encore, la fraction contient de 40% à 70% de SiO2;
  • la fraction contient de 10% à 40% de CaO. De préférence encore, la fraction contient de 10% à 30% de CaO ;
  • la fraction contient de 2% à 12% d’Al2O3. De préférence encore, la fraction contient de 4% à 10% d’Al2O3;
  • la fraction contient de 1% à 3% de Fe2O3. De préférence encore, la fraction contient de 1% à 2,5% de Fe2O3;
  • la fraction contient en outre de 0,1% à 3%, de préférence de 0,5% à 2% de MgO ;
  • la fraction contient en outre de 0,05% à 2%, de préférence de 0,1% à 1% de TiO2;
  • la fraction contient en outre de 0,1% à 3%, de préférence de 0,5% à 2,5% de K2O ;
  • la fraction contient en outre de 0,05% à 2%, de préférence de 0,1% à 1% de Na2O ;
  • la fraction contient en outre de 0,01% à 1%, de préférence de 0,05% à 0,5% de P2O5;
  • la fraction contient en outre de 0,005% à 0,2%, de préférence de 0,01% à 0,1% de Mn2O3;
  • la fraction contient en outre de 0,05% à 3%, de préférence de 0,1% à 1,5% de SO3; et/ou
  • la fraction présente une perte au feu variant de 3% à 30%, de préférence encore de 4% à 25%, de façon tout à fait préférée de 6% à 20%.
La fraction décrite ci-avant est donc obtenue à partir d’un matériau de construction, notamment un béton, en fin de vie. Ainsi, la présente invention a également pour objet un procédé de préparation d’une fraction telle que décrite précédemment, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
  • déferraillage et concassage du matériau de construction ;
  • criblage du produit concassé en vue d’obtenir une fraction 0/4 mm ;
  • séchage de la fraction ainsi obtenue ; et
  • séparation grâce à un séparateur dynamique pour obtenir la fraction au d90souhaité.
Le déferraillage et le concassage du matériau de construction peuvent être conduits selon tout procédé connu de l’homme du métier, notamment par un cisaillage des ferrailles du matériau de construction puis par un déferraillage magnétique par « overband » et enfin concassage du matériau de construction par un concasseur à percussion, par exemple, qui favorise la diminution de la taille des granulats.
Le criblage est une opération mécanique réalisée à partir d’appareils communément appelés cribles qui permet de sélectionner les grains. Le crible ne laisse passer dans ses mailles que des éléments inférieurs à une certaine taille. Ils sont équipés de grilles perforées avec des ouvertures de taille déterminée en fonction de la dimension des grains recherchée. Il existe des cribles vibrants inclinés et des cribles vibrants horizontaux. Le criblage peut être effectué selon toute méthode connue de l’homme du métier. De préférence, la fraction obtenue après le criblage est une fraction 0/2 mm.
Les fractions de fines sont obtenues par utilisation d’un séparateur dynamique qui permet la séparation des particules qu'il reçoit selon leur taille, forme et densité. Le produit alimentant le séparateur tombe sur le moyeu de distribution mis en rotation. La force centrifuge projette les particules : les plus grossières sont projetées vers la périphérie, leur vitesse diminue et, sous l'action de la gravité, tombent dans le cône de refus d'où elles sont évacuées. Les particules plus fines sont entraînées par l'air ascendant vers la zone de séparation où des pales de sélection à inclinaison variable leur impriment une force centrifuge supplémentaire qui élimine les particules grossières restantes. La vitesse de rotation, la ventilation et l’angle des pales de la turbine permet d’ajuster la granulométrie souhaitée. Si la ventilation du séparateur est assurée par de l’air chaud, il a également la capacité de sécher les matériaux
La fraction décrite ci-avant peut donc être utilisée comme matière première pour préparer un clinker en substitution d’une partie du calcaire et de l’argile classiquement utilisées. Ainsi, la présente invention a également pour objet un procédé de préparation d’un clinker à partir de la fraction décrite précédemment, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
  • préparation d’un cru par dosage des matières premières afin d’apporter les quantités d’éléments nécessaires à l’obtention de la composition phasique souhaitée, ledit cru comprenant notamment
    • de 2% à 30% d’une fraction telle que définie précédemment ;
    • de 50% à 70% de calcaire ;
    • de 15% à 30% d’argile ;
  • mélange (éventuellement par co-broyage) des matières premières,
  • cuisson du mélange des matières premières à une température allant de 1400°C à 1500°C, et
  • refroidissement rapide du clinker.
La présente invention peut être illustrée de façon non limitative par les exemples suivants.
Exemple 1 – Fractions de fines utilisées selon l’invention
Les différentes fractions ont été obtenues au laboratoire après tamisage à l’Alpine (tamisage par jet d’air) de différents « sables de béton » de granulométrie 0/2 mm ou 0/4 mm selon la norme NF EN 933-10.
Un tamis avec une maille carrée 200 microns a été utilisé.
Les fractions conservées correspondent à la fraction passante à travers le tamis.
Les compositions minéralogiques et la granulométrie de différentes fractions ainsi obtenues sont rapportées dans le Tableau 1 suivant.
Fraction F-1 Fraction F-2 Fraction F-3 Fraction F-4
SiO2(% p/p) 62,35 67,32 55,48 48,52
CaO (% p/p) 16,16 11,38 24,98 26,58
Al2O3(% p/p) 6,35 9,87 6,54 3,34
Fe2O3(% p/p) 1,37 2,19 1,20 1,16
MgO (% p/p) 0,76 0,77 0,76 0,75
TiO2(% p/p) 0,19 0,35 0,04 0,12
K2O (% p/p) 2,31 2,46 2,34 0,97
Na2O (% p/p) 0,58 0,60 0,59 0,25
P2O5(% p/p) 0,12 0,11 0,51 0,05
Mn2O3(% p/p) 0,04 0,04 0,03 0,03
SO3(% p/p) 0,51 0,99 0,51 0,37
PF (=CO2) 10,37 8,48 16,64 16,83
d90(µm) 150 250 200 180
Tableau 1 – Composition minéralogique et granulométrie des fractions F-1 à F-4
Exemple 2 – Clinkers
Deux clinkers ont été préparés au laboratoire selon le procédé suivant :
  • broyage séparé des matières premières (calcaires, argiles) et les fractions fines obtenues selon l’exemple 1 jusqu’à un refus nul au tamis de 200 µm ;
  • co-broyage des différentes matières selon les proportions nécessaires à l’obtention des crus souhaités ; et
  • cuisson des crus dans un creuset en platine en four électrique de laboratoire pendant 20 minutes à 1450°C puis refroidissement rapide du clinker.
La composition des clinkers 1 et 2 ainsi obtenus est rapportée dans le Tableau 2 suivant.
Clinker 1 Clinker 2
Calcaire (Urgonien) (% p/p) 57 43
Argile (% p/p) 38 42
Fraction F-1 (% p/p) 5 -
Fraction F-3 (% p/p) - 15
Tableau 2 – Composition des clinkers 1 et 2
Le CO2émis lors de la cuisson de ces crus avec la fraction F-1 ou F-3 est plus faible qu’avec un cru Portland standard. Les gains sont rapportés dans le Tableau 3 ci-dessous.
Clinker 1 Clinker 2
Gain en émission de CO2par rapport à clinker standard 3% 4,5%
Tableau 3 – Gain en émission de CO 2
Exemple 3 – Performances mécaniques
Des ciments ont été préparés co-broyage des clinkers obtenus selon l’exemple 2 et de gypse (4,5%) dans un broyeur planétaire de laboratoire.
La résistance à la compression des ciments 1 et 2 produits avec les clinkers 1 et 2 a été mesurées sur des éprouvettes prismatiques de mortier normalisé (4x4x16cm3), à différentes échéances (7 et 28 jours) selon la norme EN 196-1 et comparée aux résultats obtenus avec ciment CEM I 52.5 R de référence préparé dans les mêmes conditions que les ciments 1 et 2.
Les ciments 1 et 2 présentent des performances similaires à celles du CEM I de référence à toutes les échéances.

Claims (15)

  1. Utilisation d’une fraction dont la granulométrie d90est inférieure ou égale à 400 µm, ladite fraction comprenant :
    • de 20% à 80% de SiO2;
    • de 5% à 50% de CaO ;
    • de 1% à 15% d’Al2O3; et
    • de 0,5% à 4% de Fe2O3;
    comme matière première pour la préparation de clinker.
  2. Utilisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la granulométrie d90de la fraction est inférieure ou égale à 300 µm.
  3. Utilisation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la fraction contient de 30 % à 70% de SiO2.
  4. Utilisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la fraction contient de 10% à 40% de CaO.
  5. Utilisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la fraction contient de 2% à 12 % d’Al2O3.
  6. Utilisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la fraction contient de 1% à 3% de Fe2O3.
  7. Utilisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la fraction contient de 0,1% à 3% de MgO.
  8. Utilisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la fraction contient de 0,05% à 2% de TiO2.
  9. Utilisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la fraction contient de 0,1% à 3% de K2O.
  10. Utilisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la fraction contient de 0,05% à 2% de Na2O.
  11. Utilisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la fraction contient de 0,01% à 1% de P2O5.
  12. Utilisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que la fraction contient de 0,005% à 0,2% de Mn2O3.
  13. Utilisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que la fraction contient de 0,05% à 3% de SO3.
  14. Utilisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que la fraction présente une perte au feu variant de 3% à 30%.
  15. Procédé de préparation d’un clinker comprenant les étapes suivantes :
    • préparation d’un cru par dosage des matières premières afin d’apporter les quantités d’éléments nécessaires à l’obtention de la composition phasique souhaitée, ledit cru comprenant notamment
      • de 2% à 30% d’une fraction telle que définie dans l’une des revendications 1 à 14 ;
      • de 50% à 70% de calcaire ; et
      • de 15% à 30% d’argile ;
    • mélange (éventuellement par co-broyage) des matières premières,
    • cuisson du mélange des matières premières à une température allant de 1400°C à 1500°C, et
    refroidissement rapide du clinker.
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WO2019115722A1 (fr) 2017-12-13 2019-06-20 Heidelbergcement Ag Procédé pour réaliser de manière simultanée le nettoyage de gaz d'échappement et la fabrication de matériau cimentaire supplémentaire

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