Ciment énergétiquement modifié

Les ciments énergétiquement modifiés (CEM) sont une classe de ciments fabriqués à partir de pouzzolanes (par exemple, cendres volantes, cendres volcaniques, pouzzolane), de sable siliceux, de laitier de haut fourneau ou de ciment Portland (ou de mélanges de ces ingrédients).

Le terme "énergétiquement modifié" découle du procédé mécanochimique appliqué à la matière première, plus précisément qualifié de "broyage à boulets à haute énergie" (HEBM).

Cela provoque, entre autres, une transformation thermodynamique du matériau pour augmenter sa réactivité chimique.

Pour les CEM, le procédé HEBM utilisé est une forme unique de broyage vibratoire spécialisé découvert en Suède et appliqué uniquement aux matériaux cimentaires, ici appelé "Activation CEM". En améliorant la réactivité des pouzzolanes, leur vitesse de développement de la résistance est augmentée.

Cela permet de se conformer aux exigences modernes de performance des produits ("normes techniques") pour les bétons et les mortiers.

À son tour, cela permet le remplacement du ciment Portland dans les mélanges de béton et de mortier.

Cela a un certain nombre d'avantages pour leurs qualités à long terme. Les ciments énergétiquement modifiés ont un large éventail d'utilisations.

Par exemple, les CEM ont été utilisés dans des bétons pour de grands projets d'infrastructure aux États-Unis, répondant aux normes de béton américaines.

Justification

Le terme "ciment énergétiquement modifié" incorpore un descripteur thermodynamique simple pour désigner une classe de ciments produits à l'aide d'un procédé de broyage spécialisé très intensif découvert pour la première fois en 1993 à l'Université de technologie de Luleå (LTU) en Suède.

Le processus de transformation est initié entièrement mécaniquement par opposition au chauffage direct des matériaux.

Les mécanismes des transformations mécanochimiques sont souvent complexes et différents des mécanismes thermiques ou photochimiques "classiques".

Les effets de la transformation HEBM provoquent un changement thermodynamique qui réside finalement dans une énergie de Gibbs modifiée.

Le processus augmente la capacité de liaison et les taux de réactivité chimique des matériaux transformés.

propriétés des ciments énergétiquement modifiés est en cours au LTU.

Par exemple, EMCs a reçu des prix de la Elsa ō Sven Thysells stiftelse för konstruktionsteknisk forskning (Elsa & Sven Thysell Foundation for Construction Engineering Research) de Suède.

Utilisation du terme "EMC"

Le terme "ciment énergétiquement modifié" a été utilisé pour la première fois en 1992 par Vladimir Ronin, introduit dans un article de Ronin et al.

daté de 1993 et ​​présenté lors d'une réunion formelle du groupe académique Nordic Concrete Research.

Le processus a été affiné par Ronin et d'autres, dont Lennart Elfgren (aujourd'hui professeur émérite de LTU). Lors du 45e Salon mondial de l'invention, de la recherche et de l'innovation, qui s'est tenu en 1996 à Bruxelles, en Belgique, EMC Activation a reçu une médaille d'or avec mention de EUREKA, l'organisation intergouvernementale européenne (recherche et développement), pour la "modification énergétique de ciments". Le terme "énergétiquement modifié" a été utilisé ailleurs - par exemple aussi récemment qu'en 2017 - bien qu'un tel usage ne désigne pas la méthode utilisée. Activation EMC telle que définie ici.

Aperçu

Les revendications faites incluent : Un EMC est une poudre fine (typique de tous les ciments) dont la couleur dépend du matériau traité.

Les EMC sont produits en utilisant seulement une "fraction" de l'énergie utilisée dans la production de ciment Portland (prétendue ~120 KWh/tonne, <10% du ciment Portland).

Aucun CO2 n'est libéré par le processus.

C'est "zéro émission".

Le but d'un EMC est de remplacer l'exigence de ciment Portland dans le mortier ou le béton utilisé.

Plus de 70% de remplacement est réclamé.

L'activation EMC est un processus sec.

Aucune fumée nocive n'est dégagée.

L'activation EMC est un processus à basse température, même si les températures peuvent être "momentanément extrêmes" à des échelles "inférieures au micron".

Les CEM ne nécessitent aucun produit chimique pour leur transformation thermodynamique.

Il existe plusieurs types de CEM, selon les matières premières transformées.

Selon les besoins des utilisateurs, les produits secs livrés peuvent également comprendre une proportion minoritaire de ciment Portland « à haute teneur en clinker ».

Chaque type de CEM a ses propres caractéristiques de performance, y compris la charge mécanique et le développement de la résistance.

Les bétons coulés à partir d'EMC peuvent offrir des capacités "d'auto-guérison" importantes.

Les EMC les plus fréquemment utilisés sont fabriqués à partir de cendres volantes et de pouzzolanes naturelles.

Ce sont des matériaux relativement abondants, et les performances peuvent dépasser celles du ciment Portland.

Le sable de silice et le granit peuvent également être traités par le procédé pour remplacer le ciment Portland.

Les produits EMC ont été largement testés par des laboratoires indépendants et certifiés pour une utilisation par plusieurs US DOT, y compris dans le cadre de projets de la Federal Highway Administration.

Les CEM sont conformes aux normes techniques respectives, telles que ASTM C618-19 (États-Unis) ;

FR-197,

EN-206 et EN 450-1:2012 (territoires du CEN, y compris l'EEE) ;

BS 8615-1:2019 (Royaume-Uni).

Par rapport à l'utilisation de ciment Portland, le mélange de béton résultant utilisant EMC ne nécessite pas une "teneur totale en ciment" plus élevée pour répondre aux exigences de développement de la résistance.

Lors des tests effectués par BASF, le développement de la résistance sur 28 jours pour le remplacement de 55 % du ciment Portland par un EMC pouzzolanique naturel était de 14 000 psi / 96,5 Mpa (c'est-à-dire > C95).

Cela comprenait une « teneur totale en ciment » de 335 kg/m^3 (564 lb/CY) de mélange de béton.

le développement de la résistance sur 28 jours pour le remplacement de 55 % du ciment Portland par un EMC pouzzolanique naturel était de 14 000 psi / 96,5 MPa (c'est-à-dire > C95).

Cela comprenait une « teneur totale en ciment » de 335 kg/m^3 (564 lb/CY) de mélange de béton.

le développement de la résistance sur 28 jours pour le remplacement de 55 % du ciment Portland par un EMC pouzzolanique naturel était de 14 000 psi / 96,5 MPa (c'est-à-dire > C95).

Cela comprenait une « teneur totale en ciment » de 335 kg/m^3 (564 lb/CY) de mélange de béton.

Les CEM comme ciments "Bas Carbone"

Contrairement au ciment Portland, la production d'EMC ne dégage aucun dioxyde de carbone.

Cela fait d'EMC des "ciments à faible teneur en carbone". Les premières allégations citées concernant les capacités de réduction de CO2 d'EMC remontent à 1999, lorsque la production mondiale de ciment Portland s'élevait à 1,6 milliard de tonnes par an.

De 2011 à 2019, la production mondiale de ciment Portland est passée de 3,6 à 4,1 milliards de tonnes par an.

Le potentiel du ciment énergétiquement modifié pour contribuer à une réduction mondiale du CO2 est reconnu en externe depuis 2002 et se poursuit.

La reconnaissance récente a inclus le rapport 2019 de la Commission des transitions énergétiques (Lord Adair Turner et Lord Stern) Mission Possible sector focus: ciment (2019).

Une reconnaissance supplémentaire du potentiel "Zéro-Carbone" a été présentée par McKinsey &

Production et utilisation sur le terrain

Pas d'émissions nocives ou de produits chimiques toxiques pendant la production

L'activation EMC est un processus purement mécanique.

En tant que tel, il n'implique pas de chauffage ou de combustion ou même de traitements chimiques.

Cela signifie qu'aucune fumée n'est produite lors de la fabrication d'un EMC.

Historique d'utilisation

Les CEM sont produits pour l'utilisation de projets depuis 1992 pour un large éventail d'utilisations.

En 2010, le volume de béton coulé contenant des EMC était d'environ 4 500 000 verges cubes (3 440 496 m3), en grande partie sur des projets US DOT.

Pour replacer cela dans son contexte, c'est plus que l'ensemble de la construction du barrage Hoover, de ses centrales électriques associées et des travaux annexes, où un total de 4 360 000 cu·yds (3 333 459 m³) de béton a été coulé - l'équivalent d'une autoroute standard américaine à partir de San Francisco à New York.

Utilisation précoce en Suède

Un des premiers projets utilisant l'EMC à base de cendres volantes a été la construction d'un pont routier à Karungi, en Suède, en 1999, avec l'entreprise de construction suédoise Skanska.

Le pont routier de Karungi a résisté au climat subarctique rigoureux de Karungi et aux écarts de température annuels et diurnes divergents.

Utilisation aux États-Unis

Aux États-Unis, l'utilisation de ciments énergétiquement modifiés a été approuvée par un certain nombre d'agences de transport d'État, notamment PennDOT, TxDOT et CalTrans. Aux États-Unis, des ponts routiers et des centaines de kilomètres de pavage routier ont été construits à l'aide de bétons fabriqués à partir d'EMC. dérivé de cendres volantes.

Ces projets comprennent des tronçons de l'Interstate 10. Dans ces projets, EMC a remplacé au moins 50 % du ciment Portland dans le béton coulé.

C'est environ 2,5 fois plus que la quantité typique de cendres volantes dans les projets où la modification énergétique n'est pas utilisée.

Des données de test indépendantes ont montré que les exigences de développement de la résistance de 28 jours ont été dépassées dans tous les projets. Un autre projet était l'extension des terminaux passagers du port de Houston, au Texas, où le ciment énergétiquement modifié'

Propriétés des bétons et mortiers à base de CEM

Conception personnalisée pour l'utilisation finale

Les performances des mortiers et bétons à base d'EMC peuvent être conçues sur mesure.

Par exemple, les bétons CEM peuvent aller de l'application générale (pour la résistance et la durabilité) à la production de bétons à haute résistance à durcissement rapide et ultra-rapide (par exemple, plus de 70 MPa / 10 150 psi en 24 heures et plus de 200 MPa / 29 000 psi en 28 jours).

Cela permet aux ciments énergétiquement modifiés de produire des Bétons Hautes Performances.

Durabilité des bétons et mortiers CEM

Tout matériau cimentaire soumis à l'activation EMC bénéficiera probablement d'une durabilité améliorée, y compris le ciment Portland traité avec l'activation EMC.

En ce qui concerne les CEM pouzzolaniques, les bétons fabriqués à partir de CEM pouzzolaniques sont plus durables que les bétons fabriqués à partir de ciment Portland. Le traitement du ciment Portland avec l'activation CEM donnera des bétons à hautes performances (BHP).

Ces HPC seront à haute résistance, hautement durables et présenteront un développement de résistance plus important que les HPC fabriqués à partir de ciment Portland non traité.

Le traitement du ciment Portland avec le processus d'activation EMC peut augmenter le développement de la résistance de près de 50 % et également améliorer considérablement la durabilité, telle que mesurée selon les méthodes généralement acceptées.

Résistance accrue à l'attaque de l'eau salée

Le béton fabriqué à partir de ciment Portland ordinaire sans additifs a une résistance relativement altérée aux eaux salées.

En revanche, les CEM présentent des résistances élevées à l'attaque des ions chlorure et sulfate, ainsi que de faibles réactivités alcali-silice (ASR).

Par exemple, des tests de durabilité ont été réalisés selon la "méthode Bache" (voir schéma).

Des échantillons en HPC ayant des résistances à la compression respectives de 180,3 et 128,4 MPa (26 150 et 18 622 psi) après 28 jours de durcissement, ont ensuite été testés selon la méthode de Bache.

Les échantillons étaient constitués de (a) EMC (comprenant du ciment Portland et de la fumée de silice ayant tous deux subi une activation EMC) et (b) du ciment Portland.

La perte de masse résultante a été tracée afin de déterminer la durabilité.

A titre de comparaison, les résultats des tests ont montré : Alors que le béton de ciment Portland de référence avait "

Faible lixiviation des bétons EMC

Des tests de lixiviation ont été réalisés par LTU en 2001 en Suède, pour le compte d'une société suédoise de production d'électricité, sur du béton fabriqué à partir d'un CEM à base de cendres volantes.

Ces tests ont confirmé que le béton coulé "présentait une faible lixiviation spécifique de surface" par rapport à "tous les métaux pertinents pour l'environnement".

CEM utilisant des pouzzolanes telles que des matériaux volcaniques

Propriétés d'auto-guérison des CEM pouzzolaniques

Les réactions pouzzolaniques naturelles peuvent entraîner l'« auto-guérison » des mortiers et bétons contenant ces matériaux.

Le processus d'activation EMC peut augmenter la probabilité de survenue de ces réactions pouzzolaniques.

La même tendance a été notée et étudiée dans les diverses structures de soutien de Sainte-Sophie construites pour l'empereur byzantin Justinien (maintenant, Istanbul, Turquie).

Là, comme la plupart des ciments romains, des mortiers contenant de grandes quantités de pouzzolane ont été utilisés - afin de donner ce que l'on pensait être une résistance accrue aux effets de stress causés par les tremblements de terre. Les CEM fabriqués à partir de matériaux pouzzolaniques présentent une auto- capacités de guérison qui peuvent être photographiées au fur et à mesure de leur développement (voir l'encart photo).

CEM utilisant des pouzzolanes de Californie

Les bétons fabriqués en remplaçant au moins 50 % du ciment Portland par des CEM ont donné des résultats constants sur le terrain dans les applications à volume élevé.

C'est également le cas pour l'EMC fabriqué à partir de pouzzolanes naturelles (par exemple, les cendres volcaniques). Les dépôts de cendres volcaniques du sud de la Californie ont été testés indépendamment ;

à 50 % de remplacement du ciment Portland, les bétons obtenus dépassaient les exigences de la norme américaine pertinente.

À 28 jours, la résistance à la compression était de 4 180 psi / 28,8 MPa (N/mm²).

La résistance à 56 jours dépassait les exigences pour le béton de 4 500 psi (31,1 MPa), même en tenant compte de la marge de sécurité recommandée par l'American Concrete Institute.

Le béton ainsi fabriqué était maniable et suffisamment résistant, dépassant la norme de 75 % d'activité pouzzolanique à la fois à 7 jours et à 28 jours.

Effet sur les réactions pouzzolaniques

EMC Activation est un processus qui augmente l'affinité chimique d'une pouzzolane pour les réactions pouzzolaniques.

Cela conduit à un développement de résistance plus rapide et plus important du béton résultant, à des taux de remplacement plus élevés, que les pouzzolanes non traitées.

Ces pouzzolanes transformées (maintenant hautement réactives) présentent d'autres avantages en utilisant des voies de réaction pouzzolaniques connues qui considèrent généralement comme objectif final une gamme de produits hydratés.

Une étude RMN sur les EMC a conclu que l'activation EMC provoquait "la formation de fines couches de SiO2 autour des cristaux de C3S", qui à son tour, "accélère la réaction pouzzolanique et favorise la croissance de filets plus étendus de produits hydratés". En termes simples, en utilisant pouzzolanes dans le béton, la Portlandite poreuse (réactive) peut être transformée en composés durs et imperméables (relativement non réactifs),

plutôt que le carbonate de calcium poreux et mou relativement réactif produit à l'aide de ciment ordinaire.

De nombreux produits finaux de la chimie pouzzolanique présentent une dureté supérieure à 7,0 sur l'échelle de Mohs. Les capacités "d'auto-guérison" peuvent également contribuer à améliorer les durabilités d'application sur le terrain lorsque des contraintes mécaniques peuvent être présentes.

Plus en détail, les avantages du béton pouzzolanique commencent par comprendre que dans le béton (y compris les bétons avec CEM), le ciment Portland se combine avec l'eau pour produire un matériau semblable à la pierre à travers une série complexe de réactions chimiques, dont les mécanismes ne sont pas encore entièrement connus. entendu.

Ce processus chimique, appelé hydratation minérale, forme deux composés cimentaires dans le béton : le silicate de calcium hydraté (CSH) et l'hydroxyde de calcium (Ca(OH)2).

Cette réaction peut être notée de trois façons,

Ca ( OH ) 2 {\ displaystyle {\ ce {2Ca3SiO5 + 7H2O -> 3CaO * 2SiO2 * 4H2O + 3Ca(OH)2}}} Notation du chimiste du ciment (la césure indique la stoechiométrie variable): C3S + H → CSH + CHThe La réaction d'hydratation sous-jacente forme deux produits : Le silicate de calcium hydraté (CSH), qui confère au béton sa résistance et sa stabilité dimensionnelle.

La structure cristalline du CSH dans la pâte de ciment n'a pas encore été entièrement résolue et il y a toujours un débat en cours sur sa nanostructure.

L'hydroxyde de calcium (Ca(OH)2), qui dans la chimie du béton est également connu sous le nom de Portlandite.

Par rapport au silicate de calcium hydraté, la Portlandite est relativement poreuse,

perméable et doux (2 à 3, sur l'échelle de Mohs).

Il est également sectile, avec des éclats de clivage souples.

La portlandite est soluble dans l'eau, pour donner une solution alcaline qui peut compromettre la résistance d'un béton aux attaques acides. La portlandite représente environ 25% du béton fabriqué avec du ciment Portland sans matériaux cimentaires pouzzolaniques.

Dans ce type de béton, le dioxyde de carbone est lentement absorbé pour convertir la Portlandite en carbonate de calcium insoluble (CaCO3), dans un processus appelé carbonatation :

Ca ( OH ) 2 + CO 2 ⟶ CaCO 3 + H 2 O {\displaystyle {\ce {Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O}}} Sous forme minérale, le carbonate de calcium peut présenter une large gamme de dureté selon la façon dont il est formé.

Au plus doux,

le carbonate de calcium peut se former dans le béton sous forme de craie (de dureté 1,0 sur l'échelle de Mohs).

Comme la Portlandite, le carbonate de calcium sous forme minérale peut également être poreux, perméable et peu résistant aux attaques acides, ce qui lui fait libérer du dioxyde de carbone.

Les bétons pouzzolaniques, y compris les EMC, continuent cependant de consommer la Portlandite molle et poreuse au fur et à mesure que le processus d'hydratation se poursuit, la transformant en béton durci supplémentaire sous forme d'hydrate de silicate de calcium (CSH) plutôt que de carbonate de calcium.

Il en résulte un béton plus dense, moins perméable et plus durable.

Cette réaction est une réaction acido-basique entre la Portlandite et l'acide silicique (H4SiO4) qui peut être représentée comme suit :

comme le grenat de calcium et d'aluminium (hydrogrossulaire : C4AH13 ou C3AH6 en notation cimentière, dureté 7,0 à 7,5 sur l'échelle de Mohs) ;

ou en combinaison avec de la silice, pour former de la strätlingite (Ca2Al2SiO7·8H2O ou C2ASH8 en notation chimiste du ciment), qui géologiquement peut former des xénolithes dans le basalte sous forme de calcaire métamorphosé. La chimie du ciment pouzzolanique (avec la chimie du ciment à haute teneur en aluminate) est complexe et en soi n'est pas contraint par les voies précédentes.

Par exemple, la strätlingite peut être formée de plusieurs façons, y compris par l'équation suivante qui peut ajouter à la résistance d'un béton : C2AH8 + 2CSH + AH3 + 3H → C2ASH8 (notation de chimiste du ciment) Le rôle des pouzzolanes dans la chimie d'un béton n'est pas totalement compris.

Par exemple, la strätlingite est métastable,

qui, dans un environnement à haute température et à haute teneur en eau (qui peut être généré au cours des premières étapes de durcissement du béton) peut en soi produire un grenat d'aluminium calcium stable (voir le premier point ci-dessus).

Cela peut être représenté par l'équation suivante : 3C2AH8 → 2C3AH6 + AH3 + 9H (notation du chimiste du ciment) Selon le premier point, bien que l'inclusion de grenat de calcium et d'aluminium en soi ne soit pas problématique, s'il est plutôt produit par la voie précédente, alors des micro-fissures et une perte de résistance peuvent se produire dans le béton.

Cependant, l'ajout de pouzzolanes à haute réactivité dans le mélange de béton empêche une telle réaction de conversion.

En somme, alors que les pouzzolanes fournissent un certain nombre de voies chimiques pour former des matériaux durcis, les pouzzolanes "à haute réactivité" telles que le laitier de haut fourneau (GGBFS) peuvent également stabiliser certaines voies.

Dans ce contexte, il a été démontré que les EMC fabriqués à partir de cendres volantes produisent des bétons qui répondent aux mêmes caractéristiques que les bétons comprenant du "120 Slag" (c'est-à-dire, GGBFS) selon la norme américaine ASTM C989.Portlandite, lorsqu'il est exposé à de basses températures, des conditions humides et condensation, peut réagir avec les ions sulfate pour provoquer une efflorescence.

En revanche, la chimie pouzzolanique réduit la quantité de Portlandite disponible, pour réduire la prolifération des efflorescences.

Activation CEM

Le but d'EMC Activation est de provoquer une destruction fondamentale de la structure cristalline du matériau traité, pour le rendre amorphe.

Bien que ce changement augmente la réactivité chimique du matériau traité, aucune réaction chimique n'est provoquée pendant le processus d'activation EMC.

La mécanochimie elle-même peut être définie comme une branche de la chimie qui s'intéresse à la "transformation chimique et physico-chimique des substances dans tous les états d'agrégation produits par l'effet de l'énergie mécanique".

L'IUPAC n'a pas de définition standard du terme mécanochimie, définissant plutôt une "réaction mécanochimique" comme une réaction chimique "induite par l'absorption directe d'énergie mécanique", tout en notant "cisaillement, étirement,

L'activation EMC est une forme spécialisée d'activation mécanique limitée à l'application du broyage à billes à haute énergie (HEBM) aux matériaux cimentaires.

Plus étroitement que cela, EMC Activation utilise le broyage vibratoire, et même alors, uniquement en utilisant ses propres supports de broyage.

L'activation EMC est une forme spécialisée d'activation mécanique limitée à l'application du broyage à billes à haute énergie (HEBM) aux matériaux cimentaires.

Plus étroitement que cela, EMC Activation utilise le broyage vibratoire, et même alors, uniquement en utilisant ses propres supports de broyage.

Justification thermodynamique

Plus particulièrement, HEBM peut être décrit comme augmentant la réactivité chimique d'un matériau en augmentant son énergie potentielle chimique.

Dans EMC Activation, l'énergie mécanique transférée est stockée dans le matériau sous forme de défauts de réseau causés par la destruction de la structure cristalline du matériau.

Par conséquent, le processus transforme les substances solides en états thermodynamiquement et structurellement plus instables, ce qui permet d'expliquer cette réactivité accrue par une augmentation de l'énergie de Gibbs : Δ G G T ∗ − G T {\displaystyle \Delta GG_{T}^{*}-G_{ T}} où, pour la température T {\displaystyle T} ,

les termes G T ∗ {\ displaystyle G_ {T} ^ {*}} et G T {\ displaystyle G_ {T}} sont les valeurs respectives de Gibbs dans le matériau traité et non traité. Dans sa forme la plus simple, HEBM provoque la destruction des liaisons cristallines, augmenter la réactivité d'un matériau.

Du point de vue thermodynamique, toute réaction chimique ultérieure peut diminuer le niveau d'énergie excédentaire dans le matériau activé (c'est-à-dire en tant que réactif) pour produire de nouveaux composants comprenant à la fois une énergie chimique plus faible et une structure physique plus stable.

Inversement, pour rendre le matériau prétraité dans un état physique plus réactif,

le processus de désorganisation au cours du processus HEBM peut être justifié comme étant équivalent à une décristallisation (et donc à une augmentation d'entropie) qui entraîne en partie une augmentation de volume (diminution de la densité apparente).

Un processus inverse, parfois appelé "relaxation", peut être quasi immédiat (10−7 à 10−3 secondes) ou prendre beaucoup plus de temps (par exemple 106 secondes).

En fin de compte, tout effet thermodynamique global conservé peut être justifié sur la base qu'un tel processus inverse est incapable d'atteindre un état final thermodynamique idéal de lui-même.

Par conséquent, au cours de l'activation mécanique des minéraux, les processus de "relaxation" inverses ne peuvent pas complètement diminuer l'énergie libre de Gibbs qui a été créée.

Par conséquent, l'énergie reste dans le matériau, qui est stockée dans les défauts de réseau cristallin créés.

parfois appelée "relaxation", elle peut être quasi immédiate (10−7 à 10−3 secondes) ou beaucoup plus longue (par exemple 106 secondes).

En fin de compte, tout effet thermodynamique global conservé peut être justifié sur la base qu'un tel processus inverse est incapable d'atteindre un état final thermodynamique idéal de lui-même.

Par conséquent, au cours de l'activation mécanique des minéraux, les processus de "relaxation" inverses ne peuvent pas complètement diminuer l'énergie libre de Gibbs qui a été créée.

Par conséquent, l'énergie reste dans le matériau, qui est stockée dans les défauts de réseau cristallin créés.

parfois appelée "relaxation", elle peut être quasi immédiate (10−7 à 10−3 secondes) ou beaucoup plus longue (par exemple 106 secondes).

En fin de compte, tout effet thermodynamique global conservé peut être justifié sur la base qu'un tel processus inverse est incapable d'atteindre un état final thermodynamique idéal de lui-même.

Par conséquent, au cours de l'activation mécanique des minéraux, les processus de "relaxation" inverses ne peuvent pas complètement diminuer l'énergie libre de Gibbs qui a été créée.

Par conséquent, l'énergie reste dans le matériau, qui est stockée dans les défauts de réseau cristallin créés.

tout effet thermodynamique global retenu peut être justifié sur la base qu'un tel processus inverse est incapable d'atteindre un état final thermodynamique idéal de lui-même.

Par conséquent, au cours de l'activation mécanique des minéraux, les processus de "relaxation" inverses ne peuvent pas complètement diminuer l'énergie libre de Gibbs qui a été créée.

Par conséquent, l'énergie reste dans le matériau, qui est stockée dans les défauts de réseau cristallin créés.

tout effet thermodynamique global retenu peut être justifié sur la base qu'un tel processus inverse est incapable d'atteindre un état final thermodynamique idéal de lui-même.

Par conséquent, au cours de l'activation mécanique des minéraux, les processus de "relaxation" inverses ne peuvent pas complètement diminuer l'énergie libre de Gibbs qui a été créée.

Par conséquent, l'énergie reste dans le matériau, qui est stockée dans les défauts de réseau cristallin créés.

Effet thermodynamique net de HEBM

Dans l'ensemble, HEBM rend un effet thermodynamique net : le désordre structurel implique une augmentation à la fois de l'entropie et de l'enthalpie et stimule ainsi les propriétés cristallines en fonction des modifications thermodynamiques.

Seule une petite fraction (environ 10 %) de l'enthalpie en excès du produit activé peut être prise en compte comme agrandissement de surface.

Au lieu de cela, la majeure partie de l'excès d'enthalpie et des propriétés modifiées peut principalement être attribuée au développement d'états thermodynamiquement instables dans le réseau du matériau (et non à une réduction de la taille des particules).

Étant donné que le système activé est instable, le processus d'activation est réversible, ce qui entraîne une désactivation, une recristallisation, une perte d'entropie et une production d'énergie du système.

Ce processus inverse ("relaxation") continue jusqu'à un équilibre thermodynamique,

mais finalement ne peut jamais atteindre une structure idéale (c'est-à-dire exempte de défauts).

Une description plus complète d'un tel processus "d'activation" prend également en compte l'enthalpie, par laquelle, selon l'équation de Gibbs-Helmholtz, l'énergie libre de Gibbs entre l'état solide activé et non activé peut être représentée : Δ G Δ H − T Δ S {\displaystyle \Delta G\Delta HT\Delta S} où, Δ H {\displaystyle \Delta H} est le changement d'enthalpie et Δ S {\displaystyle \Delta S} le changement d'entropie.

Trouble cristallin résultant

Lorsque le désordre cristallin est faible, Δ S {\displaystyle \Delta S} est très faible (voire négligeable).

En revanche, dans les cristaux hautement déformés et désordonnés, les valeurs de Δ S {\displaystyle \Delta S} peuvent avoir un impact significatif sur l'énergie libre de Gibbs rendue.

En laissant de côté la chaleur générée pendant le processus en raison du frottement, etc. occasionné pendant le processus d'activation, l'excès d'énergie libre de Gibbs retenu dans le matériau activé peut être justifié comme étant dû à deux changements, à savoir une augmentation de ( I {\displaystyle \ mathrm {I} } ) surface spécifique ;

et ( je {\displaystyle \mathrm {I} } je {\displaystyle \mathrm {I}} ) structure de défaut.

Dans les processus HEBM réussis tels que EMC Activation: quant à ( je {\displaystyle \mathrm {I}} ), seulement environ 10% de l'énergie excédentaire d'un tel produit activé peut être comptabilisée comme un changement de surface.

quant à ( I {\displaystyle \mathrm {I} } I {\displaystyle \mathrm {I} } ), presque toute l'énergie transmise est contenue dans les défauts structurels réels du matériau traité.

seulement environ 10 % de l'énergie excédentaire d'un tel produit activé peuvent être pris en compte comme un changement de surface.

quant à ( I {\displaystyle \mathrm {I} } I {\displaystyle \mathrm {I} } ), presque toute l'énergie transmise est contenue dans les défauts structurels réels du matériau traité.

seulement environ 10 % de l'énergie excédentaire d'un tel produit activé peuvent être pris en compte comme un changement de surface.

quant à ( I {\displaystyle \mathrm {I} } I {\displaystyle \mathrm {I} } ), presque toute l'énergie transmise est contenue dans les défauts structurels réels du matériau traité.

Une approximation pour l'activation EMC

Δ H ré {\displaystyle \Delta H_{d}} est une mesure de la densité de dislocations ;

Δ H p {\displaystyle \Delta H_{p}} est une mesure de nouvelles phases (transformation polymorphe) ;

Δ H UNE {\displaystyle \Delta H_{A}} est une mesure de la formation de matériau amorphe ;

Δ H S {\displaystyle \Delta H_{S}} est une mesure de surface spécifique.

Étant donné que la majorité du travail exigé pendant le processus d'activation EMC va à l'aspect ( je {\displaystyle \mathrm {I} } je {\displaystyle \mathrm {I}} ) ci-dessus, Δ H S {\displaystyle \Delta H_{S} } est trivial.

Par conséquent, les fonctions principales pour le changement d'enthalpie se rapprochent de :

les termes précédents sont considérés comme particulièrement importants en raison de la nature des changements observés dans la structure physique.

Par conséquent, le changement d'enthalpie occasionné lors de l'activation EMC peut être approximé à : H {\displaystyle H}

μ s {\displaystyle \mu _{s}} et ρ {\displaystyle \rho} correspondent respectivement au volume molaire du matériau, au vecteur de Burgers, au module de cisaillement et à la densité de dislocation ;

C UNE {\displaystyle C_{A}} et E UNE {\displaystyle E_{A}} sont respectivement la concentration de la phase amorphe et l'énergie d'amorphisation molaire.

Réactivité à basse température

À partir de la construction thermodynamique ci-dessus, l'activation EMC se traduit par une phase hautement amorphe qui peut être justifiée comme une grande Δ H A {\displaystyle \Delta H_{A}} et également une grande Δ H ré {\displaystyle \Delta H_{d}} augmenter.

Les avantages de l'activation EMC étant importants dans H {\displaystyle H} signifie que la réactivité d'un EMC dépend moins de la température.

En termes d'impulsion thermodynamique de toute réaction, l'ensemble d'un réactif ne dépend pas de T {\ displaystyle T},

ce qui signifie qu'un matériau ayant subi HEBM avec une élévation correspondante de H {\displaystyle H} peut réagir à une température plus basse (car le réactif "activé" est rendu moins dépendant de la fonction dépendant de la température T Δ S {\displaystyle T\Delta S} pour sa progression vers l'avant).

De plus, une réaction d'EMC peut présenter des mécanismes physiques à des échelles extrêmement petites "avec la formation de fines couches de SiO2" pour faciliter la voie d'une réaction - avec la suggestion que l'activation d'EMC augmente le rapport des sites de réaction favorables.

Des études ailleurs ont déterminé que l'HEBM peut abaisser considérablement la température requise pour qu'une réaction ultérieure se déroule (jusqu'à une réduction de trois fois),

Justification physique (Amorphisation)

De grands changements dans Δ G {\displaystyle \Delta G} , plus particulièrement dans les valeurs résultantes de Δ H A {\displaystyle \Delta H_{A}} et Δ H ré {\displaystyle \Delta H_{d}} donnent un aperçu de L'efficacité d'EMC Activation.

L'amorphisation d'un matériau cristallin dans des conditions de haute pression "est un phénomène plutôt inhabituel" pour la simple raison que "la plupart des matériaux subissent en fait la transformation inverse d'amorphe à cristallin dans des conditions de haute pression".

L'amorphisation représente une "périodicité" fortement déformée de l'élément de réseau d'un matériau,

comprenant une énergie libre de Gibbs relativement élevée.

En effet, l'amorphisation peut être comparée à un état quasi-fondu. Au total, comme d'autres procédés HEBM, l'activation EMC provoque une destruction cristalline en raison de facteurs extrêmement violents et perturbateurs qui se produisent à l'échelle nanométrique du matériau traité.

Bien que de courte durée et hautement focalisés, les processus se répètent à une fréquence élevée : on pense donc que ces facteurs imitent les pressions et les températures trouvées profondément à l'intérieur de la Terre pour provoquer le changement de phase requis.

Par exemple, Peter Thiessen a développé le modèle magma-plasma qui suppose que des températures localisées - supérieures à 103 Kelvin - peuvent être générées aux différents points d'impact pour induire un état de plasma excité momentané dans le matériau,

caractérisé par l'éjection d'électrons et de photons ainsi que la formation de fragments excités (voir schéma ci-dessus).

Les données expérimentales recueillies à partir de la génération localisée de fissures, elle-même un élément important de l'activation EMC, ont confirmé les températures dans cette région dès 1975.

Broyeurs à boulets vibrants (VBM)

Pour l'activation CEM, la méthode HEBM utilisée est un broyeur à billes vibrant (VBM).

Un VBM utilise un mécanisme d'entraînement excentrique vertical pour faire vibrer une chambre fermée jusqu'à plusieurs centaines de cycles par minute.

La chambre est remplie du matériau en cours de traitement avec des objets spécialisés appelés supports de broyage.

Dans leur format le plus simple, ces supports peuvent être de simples boules fabriquées à partir de céramiques spécialisées.

Concrètement, EMC Activation déploie une gamme de corps de broyage de différentes tailles, formes et composites pour réaliser la transformation mécanochimique requise. le mécanisme d'un VBM est particulièrement rapace.

Cinétique VBM

une augmentation de la vitesse d'impact augmente F {\displaystyle F} .

La taille et la masse des corps broyants y contribuent également.

Le terme dénominateur de F {\ displaystyle F} intègre E {\ displaystyle E}, ce qui signifie que la nature du matériau utilisé pour les supports de broyage est un facteur important ( k {\ displaystyle k} est finalement au carré dans F {\displaystyle F} , donc sa valeur négative est sans conséquence).

Plus fondamentalement, en raison de la vibration rapide, une forte accélération est communiquée aux éléments de broyage, après quoi le continu, court,

les impacts brusques sur la charge entraînent une réduction rapide de la taille des particules.

De plus, les pressions élevées et les contraintes de cisaillement facilitent la transition de phase requise vers un état amorphe à la fois au point d'impact et également lors de la transmission d'ondes de choc qui peuvent produire des pressions encore plus élevées que l'impact lui-même. Par exemple, le temps de contact de une collision à deux billes peut être aussi courte que 20 μs, générant une pression de 3,3 GPa vers le haut et avec une augmentation de la température ambiante associée de 20 Kelvin.

En raison de la courte durée de l'impact, le taux de variation de l'élan est important, générant une onde de choc d'une durée de seulement 1 à 100 μs mais avec une pression associée de 10 GPa vers le haut et une température très localisée et focale (c'est-à-dire à l'échelle nanométrique ) jusqu'à plusieurs milliers de degrés Kelvin.

Pour replacer cela dans son contexte,

une pression de 10 GPa équivaut à environ 1 000 kilomètres d'eau de mer.

Autre exemple, l'impact de deux billes d'acier identiques de 2,5 cm de diamètre et de vitesse 1 m/s générera une densité d'énergie de collision de plus de 109 joules/m2, avec des billes d'alumine de même diamètre 2,5 cm et de vitesse 1 m/s. s générant une densité d'énergie encore plus grande.

Les collisions se produisent dans un laps de temps très court et, par conséquent, "le taux de libération d'énergie sur la zone de contact relativement petite peut être très élevé".

Voir également

Contexte scientifique de l'activation EMC : Académique :

Remarques

Références

Liens externes

Site Web officiel d'EMC Cement, Suède – sur lowcarboncement.com Luleå University of Technology, Suède – sur LTU.se Future Infrastructure Forum, Université de Cambridge, Royaume-Uni – sur Fif.construction.cam.ac.uk US Geological Survey (USGS) Cement Statistics and Information – sur Minerals.usgs.gov US Environmental Protection Agency (EPA), Rule Information for Portland Cement Industry – sur EPA.gov American Concrete Institute – sur Concrete.org EDGAR – Emission Database for Global Atmospheric Research – sur Edgar. jrc.ec.europa.eu Vitruvious: The Ten Books on Architecture en ligne: texte latin croisé et traduction anglaise WBCSD Cement Sustainability Initiative Archivé le 18/12/2011 à la Wayback Machine - sur Wbcsdcement.org