Mécanosynthèse et matériaux de construction : optimisation et application pour la clinkérisation et la géopolymérisation

Les matériaux de construction constituent un besoin indispensable pour les êtres humains. Le béton est, après l’eau, le matériau le plus utilisé dans le monde et la production de ciment est en perpétuelle augmentation du fait de l’accroissement de la population mondiale. En 2010 la production annuelle de ciment a atteint les 3,3 milliards de tonnes. Une progression de +6,9% a été constatée en 2015 pour une production qui a atteint 4,6 milliards de tonnes.Des études menées sur l’impact environnemental du procédé de fabrication du clinker ont révélé que pour une production d’une tonne de clinker, une quantité de l’ordre de 0,7 à 0,8 tonne de CO2 est rejetée dans l’atmosphère, soit une émission annuelle de 2,8 milliards de tonnes de CO2. Ces rejets de gaz à effet de serre sont responsables de 5% des émissions mondiales. Afin de réduire cet impact, des solutions ont déjà été proposées telles que l’utilisation de combustibles alternatifs pour la fabrication du clinker, la substitution partielle du ciment par des coproduits industriels ou le captage et stockage du carbone.Cette thèse s’inscrit dans une volonté de réduire l’impact carbone dans la fabrication des matériaux de construction et cela par l’introduction du procédé de mécanosynthèse dans le processus de production du clinker et du ciment ainsi que des géopolymères.Le travail de thèse a été divisé en 3 grandes parties :La première concerne l’optimisation du procédé de mécanosynthèse par l’ajout d’agents de contrôle (process control agents) « PCA ». L’utilisation de ces agents pour le broyage de cendres volantes et de laitiers de hauts fourneaux a permis de réduire la durée du broyage à 15 minutes, alors que sans PCA un broyage de 1h est nécessaire, voire 3h pour un broyage optimal. Les pâtes cimentaires pour lesquelles nous avons substitué jusqu’à 50% de clinker par des coproduits industriels activés par mécanosynthèse avec des PCA (nous avons utilisé de l’alcool et l’eau) ont montré des performances mécaniques supérieures à celles préparées avec 100% de ciment Portland.Les pâtes cimentaires préparées avec une substitution de 50% de laitier broyé 15 min + 4% d’alcool ont montré une amélioration des performances mécaniques (compression) de + 10%, + 15% et + 40% par rapport à une pâte de ciment référence respectivement pour 7, 28 et 90 jours.La deuxième partie vise à proposer un procédé de clinkérisation par mécanosynthèse indirecte. Dans cette partie nous avons utilisé dans un premier temps du calcaire et de l’argile (produits classiques pour la fabrication du clinker) pour la production d’un clinker équivalent. Pour atteindre notre objectif nous avons utilisé la mécanosynthèse indirecte qui consiste à coupler une activation mécanique de courte durée et un traitement thermique ne dépassant pas les 900°C. Cette technique nous a permis de produire les composés indispensables au clinker, l’alite C3S (Ca3SiO5), la belite β-C2S (Ca2SiO4) et les aluminates C3A.La dernière partie avait pour but d’utiliser le procédé de mécanosynthèse directe pour la production d’une poudre géopolymère prête à l’emploi seulement par addition d’eau. Ce procédé consiste à mélanger des aluminosilicates tels que des laitiers, des cendres volantes ou du métakaolin avec des activateurs chimiques par broyage pour l’obtention d’un produit géopolymère final.Des formulations de pâtes géopolymères ont été faites et des résultats encourageants en terme de résistance à la compression ont été obtenus