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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
Chaire GRQE Limoges 4ème journée thématique valorisation des sédiments| 11/04/2019
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
Chaire GRQE Limoges 4ème journée thématique valorisation des sédiments| 11/04/2019
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
Chaire GRQE Limoges 4ème journée thématique valorisation des sédiments| 11/04/2019
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
Chaire GRQE Limoges 4ème journée thématique valorisation des sédiments| 11/04/2019
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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
Chaire GRQE Limoges 4ème journée thématique valorisation des sédiments| 11/04/2019
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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)
Matières premièresMatières premières
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
Matières premièresMatières premières
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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Matières premièresMatières premières
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)
Chaire GRQE Limoges 4ème journée thématique valorisation des sédiments| 11/04/2019
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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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Valorisation cru cimentierValorisation cru cimentier
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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Valorisation cru cimentierValorisation cru cimentier
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 »
Chaire GRQE Limoges 4ème journée thématique valorisation des sédiments| 11/04/2019
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Valorisation cru cimentierValorisation cru cimentier
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
Chaire GRQE Limoges 4ème journée thématique valorisation des sédiments| 11/04/2019
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Valorisation cru cimentierValorisation cru cimentier
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
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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
Conclusions et perspectives
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DÉMARCHE LOCALEDémarche d’économie circulaire ���� Envisageable seulement à l’échelle locale / Du territoire
Conclusions et perspectives
Conclusions et perspectives
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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