Valorisation des sédiments pour la production de ciment

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Valorisation des sédiments pour la production de ciment Portland

Coryse COUDRAY - EDFAgnès SMITH - IRCER

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Thèse CIFRE : Industrie des Liants hydrauliques

IRCER – UMR CNRS 7315• Expertise calcinations et clinkers• Moyens expérimentaux • Appui scientifique

• Expertise clinkers et aspects normatifs• Mise à disposition de moyens expérimentaux

• Conseils expérimentations• Lien avec la profession cimentière

Capacité d’un sédiment à se substituer à la fraction argileuse de la matière première de l’industrie des liants hydrauliques – Antoine Faure 2014-2017

Eprouvettes 4x4x16 cm de mortier

(à base de clinker de sédiments)

pour essais mécaniques

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DÉROULÉ DE L’EXPOSÉ

1. Contexte

2. Démarche retenue

3. Matières premières

4. Valorisation de sédiments dans le cru cimentier

5. Conclusions et perspectives

Chaire GRQE Limoges 4ème journée thématique valorisation des sédiments| 11/04/2019

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ContexteContexte


HYDROÉLECTRICITÉ ET CONTEXTE GÉOLOGIQUE16.4 %

CharbonGazPétroleNucléaireAutres renouvelablesHydroélectricité

Production hydroélectrique

mondiale

• Première source d’électricité renouvelable

• Participation aux mix énergétiques décarbonés

Production hydroélectrique par EDF

• Environ 10 % au sein du mix énergétique

• Puissance installée de 20 GW

• 622 barrages en gestion répartis sur l’ensemble du territoire français

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ContexteContexte


HYDROÉLECTRICITÉ ET CONTEXTE GÉOLOGIQUE

Impératif : Considérer plusieurs ressources sédimentaires d’origines variées

Observations :

• Ouvrages hydroélectriques localisés dans divers contextes géologiques

• Influence sur les propriétés minéralogiques et chimiques des sédiments issus de l’érosion des bassins versants

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ContexteContexte

INDUSTRIE CIMENTIÈRE : DEUX OPPORTUNITÉS

Ressources naturelles issues de carrière

• Calcaire (~ 80 %)• Argile (~ 20 %)

CalcinationPouzzolanicité

Filière constituantdu ciment

Extraction de sédiments fins de barrageRessuyage – Séchage (humidité 15%) 2

Clinker

Procédé en voie sèche Constituants du ciment

Stockageciment

Filière cru cimentier1

≥ 95%

CLINKERCEM I

0%

CLINKERCEM II/A

CEM II/B

6% 35%20%

2nd

constituant principal


Industrie du ciment

2Enjeu environnemental : CO2Données-clés

• Découvertes au XIXème s.• Béton = matériau de

construction le plus utilisé au monde

• Consommation de ciment France : 17, 2 Mt/an

• Ressources argileuses

• Émissions de CO2 = 7 % des émissions mondiales

• 50 % décarbonatation / 50 % énergie• Constituants autres que le clinker � CEM II

Économie circulaire

• Démarches d’utilisation de déchets comme matières premières

• Diminution des prélèvements de ressources naturelles

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Démarche de l’étudeDémarche de l’étude

CHEMINEMENT MÉTHODOLOGIQUE

1. Caractérisation matières premières

- 8 sédiments- 3 MP de cimenterie- 2 additions comparatives

2. Traitements thermiques

Clinkers

Hydratation pâtes ciments Portland

1 formulation sélectionnée

Minéralogie

Chimie

Propriétés physiques

Observations

7 sédimentsAnalyse de la microstructure

Teneur en chaux libre

Chimie

Clinkérisation3. Caractérisation des produits anhydres

Résistances mécaniques

Caractérisation phases hydratées

4. Caractérisation des produits en pâte cimentaire

5. Essais avancés sur mortier et à l’état frais


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Matières premièresMatières premières

PRÉLÈVEMENTS ET DÉNOMINATIONS8 ressources sédimentaires étudiées� Référencement à l’aide d’une couleur et d’une notation en 3 lettres correspondant aux bassins versants

� Essais dans les deux filières de valorisation ou seulement pour l’une d’entre elles (CAD et STA)

Référence

Filière(s)étudiée(s)

CADFLU ISE

ClinkerClinkerPouzzo.

ClinkerPouzzo.

ClinkerPouzzo.

ClinkerPouzzo.

ClinkerPouzzo.

ClinkerPouzzo. Pouzzo.

RAN RHIROM SEP STA

N 0 100 200 km

LégendeSédiments investigués SEP

FLURAN

ISE

Immergé

ÉmergéEn installation de transit

ØØ

Logistique et prétraitements� Conditionnement sur chaque site de

prélèvement et transport routier

� Séchage à l’air libre + étuve à 40°C

� Désagrégation (< 200 µm)

Alpins EstProvenceArmoriqueRÉGIONS


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Sable

Argile

Limon

10

20

30

40

50

60

70

90

80

102030405060708090

90

80

70

60

50

40

30

20

10

Argile

Argilelégèrement sableuse

Argilelégèrement limoneuse

Sablelimoneuxargileux

Sable Limon

Limonlégèrement

argileux

Limonlégèrement

sableux

Sablelégèrement limoneux

Sablelégèrement

argileux

CAD

FLU

ISE

RANRHI

ROM

SEPSTA

% Sable

R² = 0,8422,45

2,5

2,55

2,6

2,65

2,7

2,75

2,8

2,85

2,9

0 2 4 6 8 10

Mas

se v

olu

miq

ue

(g/c

m3 )

Teneur en matière organique (% massique)


CARACTÉRISATIONS PHYSIQUESPropriétés physiques considérées :� Granulométrie (diffraction laser) � Masse volumique (pycnométrie He)

630

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,1 1 10 100 1000

Pas

san

t cu

mu

lé (

%)

Diamètre (µm)

CAD FLU ISE RANRHI ROM SEP STA

� Dominante argilo-limoneuse � Sédiments « fins » [8]

� Finesse des sédiments alpins (95 à 100 % des particules < 63 µm)

� Fraction sableuse entre 14 et 19 % pour RHI et STA

SablesArgilesLimons

ROM

RANSTA

RHICAD

ISE

FLUSEP

Richesse en MO

Max : 2,81 g/cm3

Min : 2,51 g/cm3

Argile

Argilelégèrementsableuse

légèrementlimoneuse

Sablelimoneuxargileux

Limonlégèrement

sableux

Sablelégèrementlimoneux

Sable Limon

Sablelégèrement

argileux

Limonlégèrement

argileux

Argile


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CAD

ISE

RHISEP

STA

RAN

SiO2

Al2O3CaO

10

20

30

40

50

60

70

80

90 10

20

30

40

50

60

70

80

90

102030405060708090

FLU

ROM


CARACTÉRISATIONS CHIMIQUESPropriétés chimiques considérées :� Teneurs en oxydes majoritaires (XRF) : SiO2, CaO, Al2O3, Fe2O3

3 oxydes largement dominants pour tous les sédiments � sauf STA (quasi-absence de CaO)

� Teneurs en éléments minoritaires dont : alcalins, magnésium, soufre, titane

Diagramme de Rankin-Wright : CaO-SiO2-Al2O3

• Sur l’axe SiO2 - Al2O3• 3ème oxyde en proportion massique : Fe2O3

• Teneurs en CaO assez proches pour 6 sédiments

• Divergences sur la teneur en SiO2par rapport à Al2O3

• Richesse en CaO• Intérêt pour la valorisation dans le cru

Oxyde minoritaire

Gamme de concentration(% massique)

MgO 0,60 – 3,03

Na2O 0,27 – 0,94

K2O 1,58 – 2,69

Gammes des teneurs massiquesen oxydes minoritaires


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CARACTÉRISATIONS MINÉRALOGIQUESPropriétés minéralogiques considérées :

Mise en parallèle des analyses chimiques :

• Identification des porteurs de SiO2 � Influence sur les réactions de clinkérisation

� Caractérisation minéralogique par diffraction des rayons X :

o Sur poudre

o Sur lame orientée (identification des espèces argileuses)

CADFLURAN

RHI

ROMSEP

STA

ISE

CarbonatesQuartzFeldspaths

Phyllosilicates

Typologie 1(Sédiments alpins / Est)

IlliteMélanges

/ /

Minéraux argileux

≈ 60 %≈ 40 %

Chlorite

IlliteChlorite Kaolinite

Typologie 2(Sédiments armoricains / Sud)

Assemblage complexe de :• Minéraux argileux (20 à 30 % environ)• Quartz• Feldspaths alcalins• Minéraux carbonatés (sauf STA) : Calcite (+ Dolomite et Aragonite)

• Minéraux argileux (20 à 30 % environ)


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Valorisation cru cimentierValorisation cru cimentier

STRATÉGIE DE FORMULATION DES CRUS (1)

CAD

ISE

RHI

ROM

SEP

CALCAIRE

RAN

ARGILE 2

ARGILE 1

SiO2

Al2O3CaO

FLU

Apport silico-alumineux≈ 20 % massique

Apport en calcium≈ 80 % massique

CP

Oxyde CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3

Abréviation C S A F

Objectifs formulation et cuisson des crus

Apporter au système les quantités adéquates en éléments Ca, Si, Al et Fe

Décomposition des matières premières puis réactions de

clinkérisation à 1450°C

ClinkerBroyage + Gypsage

Ciment Portland

Phases minérales : C3S, C2S, C3A et C4AF

H2O

Phases hydratées liantes� Prise� Résistance mécanique

Hydraulicité

Diagramme de Rankin-Wright (adapté de [9])


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Soutenance de thèse – Antoine FAURE | 12/12/2017

STRATÉGIE DE FORMULATION DES CRUS (2) Application des modules de la profession cimentière :

Module Caractéristique(s) contrôlée(s) Valeur usuelle clinker [10]

LSF – Facteur de Saturation en Chaux• Combinaison de CaO• Teneur en C3S

92 – 98

MS – Module Silicique• Proportion de phase liquide• Aptitude à la cuisson du mélange

2,0 – 3,0

AF – Module Alumino-Ferrique

• Composition de la phase interstitielle 1,0 – 4,0

3 sédiments : CAD, FLU (référence sédiments alpins) et RHI

LSF

• Teneur en silicates de calcium• Difficulté à cuire le mélange

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 4,6 4,8 5,0

ARG2 ARG1

21

FLU RHI CAD

ARG2 RHICADFLU

ARG1

• Apport de CaO au cru• Pourcentage de substitution

MS• Teneur en phase interstitielle• Facilité à cuire le mélange

2 argiles de carrière : ARG1 et ARG2

LSF = % CaO

2,80 × % SiO2 + 1,20 × % Al2O3 + 0,65 × % Fe2O3

MS = % SiO2

% Al2O3 + % Fe2O3

AF = % Al2O3

% Fe2O3

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STRATÉGIE DE FORMULATION DES CRUS (3)

Mélanges crus "Binaires" Mélanges crus "Ternaires"

1Calcaire de

carrièreou

1Argile de carrière

Sédiment

Source de CaO :% CaO = 52,7 %

1 1Calcaire de

carrière

12 2Sédiment

2 1Argile de carrière

3

Porteur silico-alumineux unique

Deux porteurs silico-alumineux

� Ajustement du LSF uniquement �� 97

� Mise en évidence accrue de l’effet du sédiment sur le clinker

CAD34,8 %

FLU27,3 %

RHI26,3 %

ARG 123,3 %

ARG 220,8 %

Sédiments Argiles - Témoins

� Ajustement du LSF et du MS �� 2,4 pour optimisation du rapport silicates / phase interstitielle

� Utilisation de l’ensemble des ressources à disposition

CAD18,4 %

FLU11,4 %

RHI10,8 %

ARG 1 +9,7 %

ARG 213,7 %

Sédiments Argiles - Témoins

Approche plus « industrielle »


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PROTOCOLE DE SYNTHÈSE DES CLINKERS

Calcaire Sédiment Argile

+ +/ou Matières prétraitées et sèches

Pesée des matières premières(Après résolution des équations de formulation)

Homogénéisation à sec du cru(Turbula)

Granulation(cf : voie semi-sèche)

Traitement thermiqueClinkérisation

Trempe à l’air

1450°C – 45 minClinker

Séchage des granules100 °C


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RÉSULTATS MAJEURS

Mélanges crus "Binaires" Mélanges crus "Ternaires"

État durci : Essai en compression sur mortier

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15 20 25 30

Rés

ista

nce

en

co

mp

ress

ion

(M

Pa)

Temps de cure (j)

57,9 MPa

� Développement rapide des résistances mécaniques� Corrélation avec la chaleur d’hydratation� Classe de résistance : CEM I 52,5 N

FLU-TerTémoin

52,555,9 MPa

Ciment FLU ter conforme à ciment

CEM I conventionnel

• Temps de prise• Chaleur d’hydratation• Résistance mécanique• Retrait mortier

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30

Ré

sist

an

ce e

n c

om

pre

ssio

n

(MP

a)

Temps de cure (j)

CAD-Bin

FLU-BIn

RHI-Bin

ARG1-Bin

Rc assez proches à 28 jours

• Hydraulicité des clinkers binaires intégrant des sédiments démontrée

• Spécificités microstructurales des clinkers non « bloquantes »

• Bonne combinaison de la chaux dépend de granulométrie des séd, et de module MS


Différences plus marquées au

jeune âge

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CONCLUSIONS VALORISATION CLINKERAdaptabilité des sédiments à la filière de valorisation matière :�Capacité de tous les sédiments fins de barrage testés à être utilisés comme matière

première du cru

�Spécificités dans la microstructure du clinker engendrée par les sédiments : % phases et polymorphisme� Caractéristiques du clinker contrôlables avec le taux d’introduction et la compensationpar d’autres matières premières

Pourcentage d’introduction :�Max théorique = Remplacement total de la fraction argileuse : 25 à 35 % de sédiment

(sur 20 Mt de matières premières consommées par an pour la production de clinker)

�Utilisation entre 10 et 15 % de sédiments �� Aucune contrainte �� Environ 50 000 t de sédiments valorisables pour une usine produisant entre 400 et 500 000 t de cru par an

�Utilisation possible des sédiments sans impact sur les propriétés du clinker

�Adéquation aux particularités de chaque site industriel (produits)Chaire GRQE Limoges

4ème journée thématique valorisation des sédiments| 11/04/2019

Conclusions et perspectives


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DÉMARCHE LOCALEDémarche d’économie circulaire �� Envisageable seulement à l’échelle locale / Du territoire



Dimension géographique

Spécificités propres à chaque cimenterie sur les matières premières

CIMENTERIE X� Tonnages MP / Clinker

� Caractéristiques des roches et matières à disposition

� Types de ciments produits

� Flexibilité des procédés

Nécessité de partenariats dédiés et appariements

spécifiques entre :

1Sédiment

1Cimenterie

Localisation cimenteries Localisation ouvrages hydroélectriques


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Valorisation des sédiments pour la production de ciment