Étude de la valorisation des brasques traitées comme liants cimentaires

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.

Date	19 déc. 2022
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Claudiane Ouellet-Plamondon (Directeur(-trice))