Mechanosynthesis and construction materials : Optimization and application for clinkerization and geopolymerization

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 obtenusConstruction materials are an essential need for humans. After Water, concrete is the most widely used material in the world and cement production is constantly increasing due to the increase in the world population. In 2010, the annual cement production reached 3.3 billion tonnes. An increase of +6.9% was recorded in 2015 for a production that reached 4.6 billion tonnesStudies conducted on the environmental impact of the clinker manufacturing process have revealed that for a production of one tonne of clinker, a quantity of 0.7 to 0.8 tonnes of CO2 is released into the atmosphere or an annual emission of 2.8 billion tonnes of CO2. These greenhouse gas emissions are responsible for 5% of global emissions. In order to reduce this impact, solutions already proposed such as the use of alternative fuels for clinker manufacture, the partial substitution of cement by industrial co-products or carbon capture and storage.This thesis is part of a desire to reduce the carbon impact in the manufacture of construction materials by introducing the mechanosynthesis process into the production process of clinker and cement as well as geopolymers.The thesis work has been divided into 3 main parts:The first part concerns the mechanosynthesis process optimization by adding process control agents (PCAs). The use of these agents for the grinding of fly ash and blast furnace slag has reduced the milling time to 15 minutes, whereas without PCA, 1 hour milling time is required, or even 3 hours for optimal milling. Cement pastes which we have substituted up to 50% clinker with industrial co-products activated by mechanosynthesis with PCAs (we have used alcohol and water) have shown higher mechanical performance than those prepared with 100% Portland cement.Cement pastes prepared with a substitution of 50% milled slag 15 min + 4% alcohol has shown an improvement in mechanical performance (compression) of + 10%, + 15% and + 40% compared to a reference cement paste for 7, 28 and 90 days respectively.The second part aims to propose a clinkerization process by indirect mechanosynthesis. We have used limestone and clay (traditional products for clinker manufacturing) to produce an equivalent clinker. To achieve our objective, we have used indirect mechanosynthesis, which consists of coupling a mechanical activation with short milling time and a heat treatment not exceeding 900°C. This technique has allowed us to produce the essential compounds of clinker, C3S alite (Ca3SiO5), β-C2S belite (Ca2SiO4) and C3A aluminates.The last part is focused on the direct mechanosynthesis process used for the production of a ready-to-use geopolymer powder only by adding water. This process consists of mixing aluminosilicates such as slag, fly ash or metakaolin with chemical activators by grinding to obtain a final geopolymer product.Geopolymer paste formulations have been made and encouraging results in terms of compressive strength have been obtained