Le développement durable dans l'industrie cimentière

Aujourd’hui plus que jamais, le développement durable est une préoccupation essentielle dans tous les secteurs d’activité et notamment dans celui de l’industrie cimentière. Dans cette dernière, la protection de l’environnement est un souci majeur et les efforts portent sur :
• la réduction des émissions de CO2,
• la préservation des matières premières.

Un moyen de réalisation de ces deux objectifs est de s’orienter de plus en plus vers la fabrication de ciments avec des ajouts minéraux dont certains peuvent être issus de sous-produits industriels en substitution partielle du clinker. De tels ciments existent déjà et sont normés. En effet, les ciments avec des ajouts comme les laitiers de haut fourneau (H. F.), les cendres volantes ou les fumées de silice utilisées en substitution du clinker sont connus depuis le début du 20ème siècle. Ils constituent des exemples de valorisation réussie de sous-produits industriels. Au delà de leur simple réutilisation, les matériaux réalisés avec ces ciments avec ajouts présentent des caractéristiques spécifiques qui peuvent les rendre plus performants pour certaines applications. Néanmoins, deux points importants associés à ces ciments avec ajouts remettent en perspective la suffisance de l’état actuel :

• Le premier point est que les ressources des sous-produits sont limitées, comme par exemple le cas des laitiers HF en France, voire en diminution puisque d’autres secteurs eux aussi ont recours à ces constituants. Et ceci alors que l’industrie souhaite augmenter la production de ces ciments avec ajouts.

• Le second point est que le développement d’un nouveau ciment est long puisque uniquement basé sur l’expérimentation et particulièrement dans la détermination de la durabilité. Sur l’aspect relatif à la durabilité, on peut de plus constater qu’il existe beaucoup de travaux expérimentaux de laboratoire mais peu d’études complètes et particulièrement vis à vis de l’impact environnemental si les sous-produits contiennent des éléments chimiques potentiellement toxiques.

Afin de mener à bien une volonté de positionnement croissant, le développement de nouveaux produits dans des délais relativement courts s’impose. C’est exactement dans cette optique de développement de ciments avec de nouveaux ajouts minéraux que se situe le contexte de la thèse. Cependant, plus que la mise au point d’un nouveau type particulier de ciment avec ajout, c’est la mise au point d’une méthodologie de développement des ciments avec ajouts minéraux qui est élaborée. Essentiellement basée sur la simulation numérique, cette méthodologie doit permettre d’évaluer rapidement le potentiel d’un sous-produit comme constituant du ciment afin de faire ensuite des campagnes expérimentales de validation uniquement sur les sous-produits les plus prometteurs. Cette approche numérique initiale requiert toutefois des données expérimentales utilisées comme données d’entrée dans les simulations, tout en restant en quantité limitée.

La première consiste à estimer la compatibilité chimique du sous-produit ajouté avec les phases contenues dans une pâte de ciment Portland. Il convient de savoir si de nouvelles phases minérales seront formées et si les phases du ciment restent ou non stables dans ce nouveau système chimique. La deuxième étape permet d’étudier l’impact de l’ajout sur la microstructure résultante et ainsi son effet sur certaines propriétés physiques de la pâte de ciment telles que le temps de prise, le module élastique et la diffusivité d’ions. Le changement d’échelle au niveau mortier et béton est possible à travers des relations empiriques permettant notamment d’estimer la résistance mécanique à la compression. Ces relations empiriques ont été établies pour des ciments Portland sans ajouts, dont il conviendra de vérifier leur validité en présence d’ajouts. La troisième étape consiste à étudier la durabilité de la pâte de ciment à base du nouvel ajout dans divers environnements. Deux cas ont été choisis : d’une part, la lixiviation par l’eau pure, cas bien documenté aussi bien d’un point de vue expérimental que numérique et d’autre part, une attaque sulfatique par une solution saturée en sulfate de calcium qui représente un cas classique d’attaque.

Afin d’étudier la compatibilité chimique de l’ajout avec la pâte de ciment portland, il est nécessaire de bien connaître la chimie et la minéralogie du sous-produit minéral choisi comme ajout. La compatibilité chimique est étudiée par une approche thermodynamique permettant de déterminer les phases les plus stables à l’équilibre (réaction d’hydratation complète ou non) en fonction de la quantité de sous-produits par rapport au clinker. Cette étude consiste à répondre à deux questions principales qui sont :

• Les constituants contenus dans le sous-produit ajouté sont-ils stables thermodynamiquement dans la pâte de ciment composée de ses cinq principales phases qui sont C-S-H, CH, AFt, AFm et hydrogrenats ?

• Si les constituants ne sont pas stables et réagissent, quelles seront les nouvelles phases formées et notamment, le C-S-H restera-t-il une phase stable ?

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Table des matières

Introduction
CHAPITRE 1 Virtual Cement and Concrete Testing Laboratory
1.1 Description et compréhension du VCCTL
1.1.1 Principe détaillé de fonctionnement
1.1.1.1 Présentation du VCCTL
1.1.1.2 Le module d’hydratation : CEMHYD3D
1.2 Amélioration du modèle standard
1.2.1 Evaluation du modèle à la lumière de la bibliographie
1.2.1.1 Les équations générales d’hydratation
1.2.2 Amélioration du modèle standard : les équations
1.2.2.1 Fonctionnement du VCCTL du point de vue informatique / Structure logicielle du VCCTL
1.2.2.2 L’implémentation du mécanisme d’hydratation dans CEMHYD3D / Travail de compréhension du code
1.2.2.3 Travail de modification du code à la lumière de la bibliographie
1.3 Ajout de fonctionnalités
1.3.1 Prise en compte de nouveaux ajouts ; Modèle d’hydratation générique
1.3.1.1 Le modèle d’hydratation des laitiers du NIST
1.3.1.2 Modèle d’hydratation générique développé
1.3.2 Prise en compte de la forme des grains des ajouts
1.3.2.1 Traitement des formes de grain dans le modèle du NIST
1.3.2.2 Modification du modèle pour le traitement des formes de grain
CHAPITRE 2 HYTEC
2.1 Le logiciel HYTEC
2.1.1 Principes algorithmiques
2.1.2 HYTEC du point de vue utilisateur
2.1.3 Passage de l’étape 2 à l’étape 3 : Le lien HYTEC-VCCTL
2.2 Choix des conditions pour l’étape 3
Conclusion