14.3.2 Production de ciment de sulfoaluminate de calcium par le procédé de calcination hydrothermique
Le procédé de calcination hydrothermique a été développé il y a plusieurs années par Jiang et Roy (1992). Il présente plusieurs avantages par rapport au procédé de clinkérisation ou de cuisson. Les produits obtenus présentent une granulométrie plus fine, une surface plus importante et une morphologie plus homogène. De plus, l’énergie nécessaire à la transformation est beaucoup plus faible. Cependant, son inconvénient est la nécessité d’un processus en deux étapes qui peut entraver son utilisation finale. La synthèse hydrothermale consiste en deux étapes de réaction sous haute pression (>1 pression atmosphérique) et température ; la dissolution, et la précipitation. Les précipités se présentent généralement sous la forme de phases hydratées, appelées « phases intermédiaires », qui seront transformées en ciment final après traitement thermique ou calcination. Le processus hydrothermique a été utilisé pour synthétiser du ciment bélite (C2S) hautement réactif dans la première ère par Ishida et al. (1992) et Garbev et al. (2014). Ishida et al. (1992, 1993) et Sasaki et al. (1993) ont montré que les phases intermédiaires après le processus hydrothermique sont cruciales pour obtenir différents types et caractéristiques de produits après les calcinations. D’après ces travaux précédents, les phases α-silicate de calcium hydraté (Ca2(HSiO4)(OH)), hillebrandite (Ca2(SiO3)(OH)2) et dellaite (Ca6(SiO4)(Si2O7)(SiO4)(OH)2) ont été obtenues comme phases intermédiaires par traitement hydrothermique à des températures comprises entre 100 et 250ºC. La phase hillebrandite est recommandée pour produire du C2S plus réactif que les phases α-silicate de calcium hydraté et dellaite.
Seulement quelques travaux ont utilisé le procédé hydrothermal-calcination pour synthétiser la ye’elimite (C4A3Ŝ). Cela est peut-être dû à la difficulté du traitement qui nécessite deux étapes principales de travail. Rungchet et al. (2016) ont synthétisé du ciment de sulfoaluminate de calcium-bélite (CSAB) à partir de déchets industriels tels que des cendres volantes (FA), des boues riches en aluminium et du gypse de DGF. De la chaux hydratée de qualité commerciale (Ca(OH)2) a également été utilisée pour corriger la stœchiométrie du mélange. La proportion du mélange a été pesée stoechiométriquement en combinant les matières premières à 45:20:25:10 de Ca(OH)2:FA:boue d’aluminium:gypse de DGF pour obtenir un mélange brut avec 4:3:1 pour CaO:Al2O3:SO3 et 2:1 pour CaO:SiO2 en combinaison. Le traitement hydrothermique a été réalisé en utilisant un autoclave à 130°C. Le facteur étudié a été le temps de réaction sous traitement hydrothermal à 1, 3, 6 et 9 heures. La deuxième étape de la synthèse a été la calcination des produits hydrothermaux dans un four électrique à différentes températures entre 750°C et 1150°C, avec une vitesse de chauffe de 5°C/min et en restant à la température maximale pendant 1 heure. A 6 heures de traitement hydrothermique, le traitement hydrothermique d’activation non alcaline (H2O) a conduit à une dissolution complète de l’anhydrite contenant des AF et à une précipitation d’AFt à partir de la réaction entre l’anhydrite dissoute et les espèces d’aluminium présentes dans la boue d’aluminium (AS) et les AF. La formation de cébolite, un hydroxyde de silicate de calcium et d’aluminium (Ca5Al2Si3O12(OH)4 C5AS3H2) a également pu être observée. La présence de C-S-H (Ca1.5SiO3.5.xH2O ; C1.5SHx) a été confirmée par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) avec un pic endothermique à 160-180°C. Les sources de silicium et d’aluminium pour les formations de cebolite et de C-S-H provenaient de la dissolution des phases amorphes de FA et AS. Le traitement hydrothermal activé par les alcalis (1 M NaOH) a entraîné la formation de nouvelles phases d’hydratation appelées katoite (Ca3Al2SiO4(OH)8 ; C3ASH4). La réflexion de la portlandite a indiqué que la réaction pouzzolanique de l’AF sous pression de vapeur et l’activation alcaline étaient limitées. Alors que la réaction sans alcali sous la même température hydrothermale n’a montré aucun reste de portlandite. Dans le système activé alcalin, le sulfate disponible à partir de la dissolution de l’anhydrite s’est retrouvé sous forme de thénardite (Na2SO4 ; NŜ), selon la réaction suivante : CaSO4+NaOH⇔Ca(OH)2+Na2SO4 (Kacimi et al., 2010). Cependant, aucune trace d’AFt ou de monosulfoaluminate (AFm) n’a été trouvée, alors que des sulfates étaient disponibles dans le système. Cela était probablement dû à la formation d’un gel de sulfate de silicate de calcium et d’aluminium, comme le confirme la présence d’une large bosse autour de la région 10-30 degrés (2θ) en utilisant la XRD. De plus, avec l’utilisation d’eau sans traitement hydrothermique, le développement des phases était similaire à celles avec traitement hydrothermique, montrant la présence d’AFt et d’AFm. La seule différence était la teneur plus élevée en phases AFt et AFm avec le traitement hydrothermique. Le traitement hydrothermique a aidé une précipitation et une croissance plus rapide des produits.
Après calcination (1050°C), des phases ye’elimite (C4A3Ŝ) et β-C2S ont été obtenues dans toutes les conditions, mais les intensités ou les quantités de phases différaient selon le traitement utilisé. La Fig. 14.2 montre la formation des phases ye’elimite et belite en utilisant différentes conditions de synthèse. Les mélanges avec activation non alcaline sous traitement hydrothermique ont donné la plus grande teneur en C4A3Ŝ, mais seulement une petite quantité de β-C2S. De plus, les produits de calcination contenaient de l’anhydrite indiquant une combinaison incomplète du calcium, de l’aluminium et du sulfate pour former la phase C4A3Ŝ. Cependant, C12A7-une phase intermédiaire formée pendant la calcination-a réagi davantage avec l’anhydrite et a formé C4A3Ŝ, l’une des phases hydrauliques comme le montre l’équation (14.11). Ici, une phase intermédiaire telle que l’AFt a joué un rôle important dans la réaction de conversion pour former le C4A3Ŝ comme le montre l’équation (14.12). Il est intéressant de noter que sans traitement alcalin, le mélange de ciment a préféré la formation de C4A3Ŝ au lieu de C2S. L’activation alcaline dans des conditions de NaOH 1 M a conduit à la formation complète des deux phases C4A3Ŝ et β-C2S. Bien qu’aucune phase AFt n’ait été développée lors du traitement hydrothermique, la C4A3Ŝ a pu être formée via la réaction entre la katoïte, la gibbsite, la portlandite et la thénardite. En outre, la katoïte a également joué un rôle important dans la formation de β-C2S, comme le montre l’équation (14.13), où N=Na2O. L’activation alcaline a également renforcé la formation de C12A7 au lieu de C4A3Ŝ après les calcinations.
Figure 14.2. Schéma XRD des produits de calcination après calcination à 1050°C obtenus à partir de produits hydrothermaux (A) sous eau et traitement hydrothermique, (B) sous NaOH 1 M et traitement hydrothermique, et (C) sous eau sans traitement hydrothermique. Y, Ye’elimite ; L, Belite ; A, Anhydrite ; M, Mayenite ; Th, Thernardite ; F, Brownmillerite ; C, Chaux (Rungchet et al, 2016).
Après des calcinations à 1150°C, C12A7 a perdu sa stabilité et s’est transformé en aluminate tricalcique (C3A), un produit nouvellement formé. À cette température, la fusion partielle des phases aluminate et silicate a conduit à la décomposition du C4A3Ŝ et du β-C2S. Avec cette méthode de synthèse, le C3A qui est normalement formé vers 1300ºC en utilisant la clinkérisation, pourrait être obtenu à seulement 1150°C. En résumé, le ciment CSAB pourrait être synthétisé à des températures comprises entre 950°C et 1050°C, soit environ 200-300°C de moins que la température utilisée dans la production traditionnelle de CSAB. Un supplément de 20 % en poids de gypse de DGF (CaSO4-2H2O) a été ajouté pour observer l’hydratation du ciment CSAB synthétisé. Le ciment résultant a pris très rapidement, avec des résistances à la compression acceptables de 30,0 MPa et 23,0 MPa à 28 jours de cure pour le ciment non activé par les alcalins et le ciment activé par les alcalins, respectivement. Les temps de prise initiaux du ciment non alcalin et du ciment alcalin activé étaient de 15 et 7 minutes, respectivement. Le temps de prise plus rapide du ciment non activé par un alcalin (C4A3Ŝ inférieur à celui du ciment activé par un alcalin) était dû à la présence de C12A7 qui était plus réactif que le C4A3Ŝ. Il est à noter que le rapport eau/ciment utilisé dans cette recherche était de 0,8, ce qui était supérieur à celui utilisé dans les travaux de recherche précédents. Cela était dû à la plus grande surface du ciment CSAB obtenu par la méthode de calcination hydrothermique. Dans la pratique, un agent réducteur d’eau devrait être ajouté pour conserver sa capacité d’écoulement ainsi qu’une plus grande résistance.