Mickal THIERYMickal THIERYNicolas ROUSSELGuillaume HABERTPatrick BELINIFSTTAR, Dpartement Matriaux

Cintique de carbonatation dun lit de granulats concasss de matriaux cimentairesModlisation et validation exprimentaleProjet CRAC (ANR) :Carbonation of Recycled Aggregates of Concrete

MarseilleMarseilleMercredi 29 et Jeudi 30 juinMercredi 29 et Jeudi 30 juin

Dveloppement Durable :un challenge pour lindustrie cimentire

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Karen Scrivener (EPFL, CH) assise sur 1 m3 de bton

Le bton est le matriau manufactur le plus utilis au monde (1,3 m3/pers/an) Une popularit lie un faible cot, une grande disponibilit

des matires premires et des performances varies

Mais un impact notable sur lenvironnement

Source CIMBETON

Mais un impact notable sur lenvironnement

Des quantits deau consommes normes(peu de marges de manuvre)

puisement des ressources naturelles pour les granulats et le ciment (granulats de bton recycl)

Dmolition et mise en dcharge des dchets(recyclage du bton)

La production de ciment est lorigine dimportantes missions de GES (pigeage du CO2)

Production de ciment = nergivore(optimisation nergtique de la cuisson)

Tendance actuelle : rduction dudosage en clinker des ciments

CO2

Optimisation du process dosage en clinker

Clinker Gypse Ciment

Cendre volante

Liants alternatifs

LaitierFiller calcaire

Sous-produits ou dchets des industries

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Natural pozzolanSilica fume

Approche actuelle : rduction dudosage en clinker des ciments

La substitution de liants alternatifs au clinker atteint ses limites en raison de problmes lis :

- Disponibilit des additions servant la substitution

- Diffrences de performances techniques entre le clinker et un liant alternatif

- La diminution de la part de Ca dans les ciments ayant pour origine le calcaire cuit change la ractivit des liants

- Prise et durcissement retards- Dgradation des proprits de durabilit

Et la carbonatation ...

Prise en compte dans le bilan carbone ? (rduction de l'empreinte CO2 )

Phase de service ? Dmolition ?

Cycle du carbone des matriaux base de ciment

Cannot be regenerated to form the starting

material

CO2Calcium

carbonate and hydration products

Energy

CO2

3-5 GJ/tonne(94% of requirementfor cement production)

Water, (admixtures) and

mixing

Gypsum

Clinker grinding

Portland cement(2550 Mt in 2006)

Limestone/silica source

Calcining

Hydration products

~7% of global emissions~ 814 kg/t of

cement as global average

Un parallle avec la photosynthse : Une forme de pigeage du CO2 ? Absorption de CO2 dans les btons comparer

l'absorption de CO2 durant la photosynthse

La carbonatation est avant tout une source de dgradation du BA

Diffusion du CO2 Ractions chimiquesHydrates / CO2

Baisse du pH (13 9)Dpassivation des aciers

Corrosion des armatures- Traces de rouille- paufrures- section des aciers

http://www.mssmat.ecp.fr/IMG/jpg/portlandite_carbonate-1.jpg

Pigeage du CO2

Quantification du COQuantification du CO22 absorb absorb

CO2

Dure de service(modles existants)

Aprs la phasede dmolition

Concassage - stockageExp. l'atm. avant reutilisation

en sous couches routires

- Capacit totale de pigeage- Modles prdictifs / validation (lab. & in situ)- Optimisation (forme des tas,

taille des granulats, HR, T)

http://www.sancy-batiment.com/IMG/jpg/_demolition_immeuble1.jpg

Estimation de la capacit totale d'absorption de CO2

Il est impossible de compltement carbonater une matrice cimentaire et de refixer la totalit de la part de CO2 qui avait t initialement mise

pendant la dcarbonatation du calcaire

Paramtres influenant la capacit de fixation de la matrice:- Nature des hydrates (C-S-H ou Ca(OH)2)- Formulation du bton (type de liant ?)- Humidit relative et temprature- Concentration en CO2

Estimation prcise de la quantit de CO2 pige dans la matrice par

ATG Spectromtrie de masse(Financement: ANR + IFSTTAR)

Estimation de la capacit totale d'absorption- Mesure par Analyse ThermoGravimtrique (ATG) couple la spectromtrie de masse des gaz mis : quantification prcise- Existence de diffrents modes de dcomposition du CaCO3

Non carbonat

Carbonat

Estimation de la capacit totale d'absorption (ciments CEM I)Capacit maximale de fixation du CO2 (chelle des temps gologique !)

- Bton B25 (btiment) 72%- Bton B40 65%- Bton B50 (ponts) 58%

de la quantit totale de CO2 mis pour la dcarbonatation du calclaire

Ptes de ciment Btons

Vitesse de pigeage ...

Quantification de la cintique de carbonatation ? A quelle chelle des temps est-il possible de piger

du CO2 ?

Cintique de pigeage calcule(phase de service)

L'tat limite de service de durabilit est atteint quand le front de carbonatation a atteint le premier lit d'armatures(EUROCODE, Code Fib)

Influence de la taille de la pice de bton- Enrobage = 3 cm- Efficacit du pigeage XC/d

Faible rendement pour les structures massives

CO2 CO2

Cintique de pigeage calcule(phase de service)

Hypothses- Mur de bton de 20 cm d'paisseur / enrobage = 3 cm- Enregistrement des variation d'humidit (in situ) - Prdiction de la dure de service de durabilit (XC=E)

Code Bil

Prdiction de la cintique de pigeagePhase de dmolition - exposition

Hypothses :- Exposition d'un lit de granulats de bton concass(aprs dmolition, concassage, tamisage)- Protection contre la pluie- Milieu granulaire mono-dispers constitu de sphres concentriques

Accroissement de la cintique de pigeage due l'augmentation de la surface spcifique expose

20 cm

cement paste + sand

Aggregate

cement paste + sand

Aggregate

CO2

Prdiction de la cintique de pigeagePhase de dmolition - exposition

Carbonatation dun lit granulaire de morceaux concasss de bton de dmolition

Complexit du problme traiterDeux chelles despace distinctes : -diffusion du CO2 travers le milieu granulaire-diffusion travers chaque concass de bton

Hypothses simplificatrices- Assimilation des granulats de bton des sphres- Rpartition homogne de la matire carbonatable- Raction chimique instantane par rapport aux phnomnes diffusifs

Hypothses de calculs- paisseur du lit : 20 cm- Taille des granulats de bton : variable (1 cm 1 mm)- Conditions hygromtriques : HR = 60 % (protection des intempries afin dacclrer le pigeage)

Prdiction de la cintique de pigeagePhase de dmolition - exposition

tude de sensibilit :Taille des granulats concasss

Rduction taille des grains

Acclration de la

cintique de carbonatation

(cintique en 1/R)

Rduction de la taille des grains

Raidissement du front de carbonatation (accentuation de la

sparation dchelle des temps entre chimie et transport)

Cintique de captage du CO2 Profils de carbonatation du lit de concasss

tude de sensibilit : teneur en eau

Accroissement de la teneur en eau du bton

Ralentissement de la cintique de carbonatationdu lit de concasss de bton

(ralentissement de la diffusion du CO2 travers chaque grain de bton)

Obligation de de protger

le lit de granulats des intempries

Validation en laboratoireEssai acclr de carbonatation

CO2 beam

- Des morceaux de pte de ciment ont t concasss une taille de 1-2 mm schs HR=53%- Carbonatation dans un incubateurs (CO2=10%)- Les profils de pigeage du CO2 ont t dtermins par gammadensimtrie et ATG

Validation en laboratoireEssai acclr de carbonatation

Confrontation entre deux techniques diffrentesProfil gammadensimtrique / profil ATG(pte de ciment E/C = 0.8 aprs 2 jours de carbonatation)

Validation en laboratoireEssai acclr de carbonatation

Simulations numriquesPte de ciment CEM I E/C=0.5

3-4 jours ncessaires pour compltement carbonater le lit granulaire (7 cm)

Pte de ciment CEM I E/C=0.5 Pte de ciment CEM I E/C=0.8

Conclusion et perspectives

Estimation de la capacit de piger du CO2 aprs une exposition de morceaux de bton concass l'atmosphre (protection de la pluie) Quantification de la cintique de pigeage (validation en labo.) Possibilit de fixer de 10% 20% du CO2 initialement mis lors

de la dcarbonatation du calcaire pendant une dure d'exposition d'au moins 6 mois ( faisabilit ?)

Amlioration des proprits des granulats de bton concass (amplitude de l'absorption et cintique)

Vers une utilisation plus traditionnelle des granulats de bton concass dans du bton

Les btons recycls base de granulats de bton concass sont plus poreux(en raison d'une couche de pte de ciment leur surface)

La carbonatation peut rduire la porosit de la phase cimentaire rduction du coefficient d'absorption

Paradoxalement la carbonatation est susceptible d'accrotre la permabilit Acclration de la cintique d'absorption

Ultimate absorption

Characteristic time of absorption (kinetics)

Amlioration des proprits des granulats de bton recyclAmlioration des proprits des granulats de bton recycl

Amlioration des proprits des granulats de bton recycl

Carbonatation : amlioration des proprits d'absorption des Carbonatation : amlioration des proprits d'absorption des granulats de btons concassgranulats de btons concass

Amlioration de la cintiqued'absorption grce

la carbonatation (rhologie)

Faciliter l'emploi desgranulats recycls

- Amlioration de la qualit des granulats quand un ciment de type CEM I est utilis (rduction de porosit, volution de la permabilit)

- Quid des ciments composs ?

- Approche pertinente pour les btons des annes 60-70 recycler SEM-BSE, mortar

La carbonatation est responsable d'un :- Colmatage global de la microstructure (abaissement de la porosit)- Rarrangement de la microstucture : cration de macropores

Amlioration des proprits des granulats de bton recycl

Amlioration des proprits des granulats de bton recycl

Acclration de la cintique d'absorption des granulats de bton concass aprs carbonatation90 % de l'absorption a lieu pendant les 2 premires minutes

Mais un impact important sur lenvironnement

Des quantits deau consommes normes(peu de marges de manuvre)

puisement des ressources naturelles pour les granulats et le ciment

La production de ciment est lorigine dimportantes missions de GES (principalement CO2)

Dmolition et mise en dcharge des dchets

Production de ciment = nergivore(amlioration des performances nergtiques des cimenteries)

Et la carbonatation atmosphrique, une aubaine ?

Interrogations- Pertinence de lintgration de la carbonatation naturelle dans le bilan carbone des matriaux cimentaires- Quantification prcise de la part absorbe- Prise en compte de la cintique de pigeage- Profiter de la phase de recyclage (cintiques ?)

Cimenterie (cuisson)

CaCO3 CaO + CO2

Hydratation (prise)

CaO + H2O Ca(OH)2

Point de vue du calcium

Carbonatation durant la priode de service (durabilit)

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3

Carbonatation durant le recyclage (dveloppement durable)

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 CO2

Gran

ulats

recyc

ls

Opration de recherche de l'IFSTTARMatriaux cimentaires et procds pour un dveloppement durable

Lexprience des pays nordiques

http://www.sancy-batiment.com/IMG/jpg/_demolition_immeuble1.jpg

Objectifs du projet CRAC

Quantification de la quantit de CO2 pouvant tre fixe dans le bton du fait de la carbonatation (cintiques) Dure de service (XC