Étude de la valorisation des brasques traitées comme liants cimentaires

Brial, Victor (2022). Étude de la valorisation des brasques traitées comme liants cimentaires. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les brasques usées issues de la production d’aluminium primaire (appelée spent pot lining (SPL) en anglais) sont une matière dangereuse générée par les cellules d'électrolyse en fin de vie. Le SPL est séparé en deux parties, la première riche en matériaux carbonés et la seconde riche en réfractaires vitrifiés. Le traitement de la partie réfractaire du SPL par le procédé industriel LCL&L (Low Caustic Leaching and Liming) génère un résidu inerte non dangereux, appelé LCLL Ash.

Avec une production de 4 milliards de tonnes en 2018, le béton est l'un des matériaux les plus consommés au monde. Néanmoins, l'industrie du béton consomme aussi beaucoup de ressources naturelles et d'énergie, causant d'importantes émissions de gaz à effet de serre (GES). L’une des meilleures solutions pour réduire l’impact environnemental des bétons est d’utiliser des ajouts cimentaires (SCM). L’objectif de la présente thèse est d’étudier la possibilité de valorisation du LCLL Ash comme matériaux cimentaire.

Ce projet de doctorat se divise en trois objectifs spécifiques. Le premier objectif s’intéresse à la caractérisation du LCLL Ash, et à la compréhension de l’impact de l’ajout de LCLL Ash sur les propriétés des matériaux cimentaires. Le second objectif spécifique de la thèse vise à étudier la réactivité du LCLL Ash selon les méthodes standardisées et par méthodes avancées. Le troisième objectif spécifique se concentre sur l’amélioration de la réactivité du LCLL Ash comme liant cimentaire. Pour ce faire, cet objectif spécifique est divisé en quatre sous-objectifs visant à identifier la température de calcination idéale, et évaluer l’impact de l’addition de fluorite sur la calcination du LCLL Ash. Enfin les deux derniers sous-objectifs, se sont concentrés sur des essais exploratoires pour améliorer le LCLL Ash avec des mélanges ternaires et par la synthèse de ciments alternatifs.

L’étude des diffèrent objectifs spécifiques a montré que le LCLL Ash est une poudre composée de phases cristallines stables telles que l'albite, la néphéline, de corindon, et des résidus de graphite. Le LCLL Ash a montré un comportement similaire à un filler, comme la poudre de quartz. La calcination du LCLL Ash à 1050°C a montré une nette augmentation de la réactivité avec un comportement pouzzolanique visible par un indice de réactivité similaire à ceux des cendres volantes. L’influence de la température de calcination sur la réactivité du LCLL Ash a ensuite été étudiée à l’aide des essais Frattini et R3 . Avec des températures de calcination allant de 600°C à 1200°C, deux comportements ont pu être identifiés. À 800°C une augmentation de la réactivité similaire à celle d’un ajout pouzzolanique moyennement réactif a été observée. Cette augmentation s’accompagne d’une diminution des alcalis dans la solution poreuse. Pour des températures de 1000°C et plus, une réactivité offrant des performances similaires à une cendre volante de classe N a été observée. Afin de favoriser la formation de phases amorphes lors de la calcination, l’ajout de fluorite, un autre sous-produit du procédé LCL&L, a été étudié à 800°C et 1000°C selon les méthodes précédentes. À 1000°C, et avec un remplacement de 10 % en masse de fluorite, une augmentation significative de la réactivité a été observée, avec un comportement entre un laitier de haut fourneau et une cendre volante de classe N. Au-delà d’un remplacement de 10 %, la fluorite en excès ne permet plus d’augmenter la réactivité du LCLL Ash calciné. Enfin, des essais exploratoires ont été menés afin de déterminer si l’inclusion du LCLL Ash sans calcination, dans des mélanges ternaires ou pour la synthèse de ciment alternatif, pourrait s’avérer avantageuse. Les mélanges ternaires à base de LCLL Ash non calciné n’ont pas montré d’amélioration. La synthèse de ciment à base de LCLL Ash a permis d’obtenir des ciments belitique, riche en mayenite.

Titre traduit

Study of aluminum spent pot lining valorization as cementitious materials

Résumé traduit

Spent pot lining from primary aluminum production (SPL) is a hazardous material generated by end-of-life electrolysis cells. The SPL is separated into two parts, the first rich in carbonaceous materials and the second rich in vitrified refractories. The treatment of the refractory part of the SPL by the industrial LCL&L (Low Caustic Leaching and Liming) process generates a non-hazardous inert residue, called LCLL Ash.

With a production of 4 billion tons in 2018, concrete is one of the most consumed materials in the world. However, the concrete industry also consumes a lot of natural resources and energy, causing significant greenhouse gas emissions. One of the best solutions to reduce the environmental impact of concrete is to use supplementary cementitious materials (SCM). The objective of this thesis is to study the possibility of upgrading LCLL Ash as cementitious materials.

This doctoral project is divided into three specific objectives. The first specific objective concerns the characterization of LCLL Ash, and the understanding of the impact of the addition of LCLL Ash on the properties of cementitious materials. The second specific objective of the thesis aims to study the reactivity of LCLL Ash according to standardized methods and advanced methods. The third specific objective focuses on improving the reactivity of LCLL Ash as a cementitious binder. This specific objective is divided into four sub-objectives aimed at identifying the ideal calcination temperature, and evaluating the impact of the addition of fluorite on the calcination of LCLL Ash. Finally, the last two sub-objectives respectively focused on exploratory tests to improve LCLL Ash respectively with ternary mixtures and by the synthesis of alternative cements.

The study of the specific objectives showed that the LCLL Ash is a powder composed of stable crystalline phases such as albite, nepheline, corundum, and graphite residues. LCLL Ash showed filler-like behavior like quartz powder. Calcination of LCLL Ash at 1050°C showed a marked increase in reactivity with a pozzolanic behavior visible by a reactivity index similar at class N fly ash. The influence of the calcination temperature on the reactivity of LCLL Ash was then studied using the Frattini and R3 tests. With calcination temperatures ranging from 600°C to 1200°C, two behaviors could be identified. At 800°C an increase in reactivity similar to a medium reactivity fly ash was observed with a decrease in alkalis in the porous solution. For temperatures of 1000°C and above, a reactivity similar to fly ash has been observed. In order to promote the formation of an amorphous phase during calcination, the addition of fluorite, another by-product of the LCL&L process, was studied at 800°C and 1000°C according to the previous methods. At 1000°C, and with a replacement of 10% by mass of fluorite, a significant increase in reactivity was observed, with a behavior between a blast furnace slag and a class N fly ash. Beyond a 10% replacement, the excess fluorite no longer increases the reactivity of the calcined LCLL Ash. Finally, exploratory tests were conducted to assess the potential of LCLL Ash without calcination in ternary mixtures and for the synthesis of alternative cement. Ternary blends did not show improvement in LCLL Ash. The synthesis of cement based on LCLL Ash made it possible to obtain belitic cements, rich in mayenite.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 265-286).
Mots-clés libres:	LCLL Ash, brasques traitées, production d’aluminium primaire, ajouts cimentaires, réactivité, ciment
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ouellet-Plamondon, Claudiane
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	15 févr. 2023 15:22
Dernière modification:	15 févr. 2023 15:22
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3169

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