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Jul 22, 2023

Effets des processus de mélange prolongés sur les propriétés fraîches, durcies et durables des systèmes de ciment incorporant des cendres volantes

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 6091 (2023) Citer cet article 1058 Accès à 3 citations Détails des métriques Les spécifications qui correspondent aux performances du système peuvent garantir l'ajout

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6091 (2023) Citer cet article

1058 Accès

3 citations

Détails des métriques

Les spécifications qui correspondent aux performances du système peuvent garantir l’ajout de valeur. La plupart des spécifications relatives au béton prêt à l'emploi concernent les limites de temps de déchargement et le nombre de tours du tambour du camion. Ces limites ont été développées pour le béton conventionnel. À mesure que les utilisations de matériaux cimentaires supplémentaires (SCM) deviennent omniprésentes, il est important de déterminer si ces spécifications sont applicables aux SCM, c'est-à-dire aux systèmes contenant des cendres volantes. Cet article présente les résultats des effets du temps de mélange et du nombre de tours du mélangeur sur les caractéristiques des pâtes et mortiers fabriqués en laboratoire contenant 20 % et 50 % de cendres volantes. Leurs caractéristiques évaluées comprennent les concentrations d'ions variant dans le temps, le temps de prise, le débit, la résistance à la compression, la porosité et le coefficient de diffusivité apparent du chlorure. Les résultats indiquent qu'avec l'augmentation du temps de mélange et du nombre de tours du mélangeur, les mélanges avec remplacement des cendres volantes présentent des caractéristiques améliorées à la fois fraîches et durcies. Lorsqu'ils sont mélangés pendant 60 min ou 25 505 tours, les résistances à la compression sur 28 jours des mélanges contenant 20 % et 50 % de cendres volantes sont de 50 à 100 % supérieures à celles du ciment pur. Il est suggéré d’adopter les cendres volantes dans les processus de mélange étendus des systèmes de ciment.

Les cendres volantes sont un sous-produit pouzzolanique du processus de combustion du charbon utilisé pour produire de l'électricité. Actuellement, le processus de combustion du charbon représente environ 50 à 55 % de la production totale d'énergie des États-Unis1,2. Environ 75 pour cent des sous-produits de cette opération sont des cendres volantes3,4,5. Par conséquent, on prévoit que 500 à 550 millions de tonnes de cendres volantes seront produites chaque année à l’échelle mondiale6,7. De nombreux secteurs emploient des cendres volantes, notamment les industries agricoles et celles du ciment et du béton. Il a été constaté que l'utilisation de cendres volantes dans les industries du ciment et du béton améliore les performances des produits hydratés8,9. L'utilisation principale des cendres volantes pour la production de composites de béton modernes, conduisant à de nouvelles solutions innovantes dans ce domaine, telles que les nanomatériaux10, les liants quaternaires et ternaires11,12,13 et les graines actives14,15. Les nouvelles solutions innovantes peuvent offrir des produits en béton personnalisés pour diverses applications. Cependant, plus de 70 pour cent des cendres volantes collectées dans les centrales électriques ne sont pas utilisées, ce qui pose un grave problème d’élimination16,17. Les centrales électriques au charbon entraînent des dépenses supplémentaires en raison de l’élimination des cendres volantes. Le coût annuel devrait être d’environ 1,2 milliard de dollars18. Par conséquent, davantage de recherches et d’innovations susceptibles d’élargir l’utilisation des cendres volantes sont nécessaires, en particulier dans les secteurs du ciment et du béton. En plus de réduire les coûts d'élimination, cela peut améliorer les caractéristiques de performance des mélanges de béton.

Le béton est la deuxième substance la plus utilisée dans le monde, après l’eau19. Des efforts importants ont été déployés pour limiter les émissions de CO2 des secteurs du ciment et du béton en raison de préoccupations environnementales. Néanmoins, les émissions de CO2 de ces entreprises restent particulièrement élevées et des efforts supplémentaires sont nécessaires. L’American Coal Ash Association (ACAA)20 a calculé que l’utilisation de cendres volantes comme source de ciment supplémentaire (SCM) dans le béton peut permettre de réduire les émissions de CO2 de 10 à 14 tonnes/an rien qu’aux États-Unis. Non seulement le remplacement partiel des cendres volantes peut promouvoir la durabilité en réduisant les émissions de CO2, mais il diminue également les dépenses associées à la production de béton et à l'élimination des cendres volantes. Les règles de la Federal Highway Administration (FHWA) encouragent les systèmes de béton contenant des cendres volantes. Cela est particulièrement vrai lorsque le prix du béton à base de cendres volantes est comparable ou inférieur à celui du béton de ciment Portland (PCC)21. Par conséquent, tout le ciment ne doit pas être remplacé par des cendres volantes dans un mélange donné. En plus des avantages environnementaux et économiques, il est reconnu que le remplacement du ciment Portland (PC) par des cendres volantes améliore les propriétés de fraîcheur et les performances de durcissement du produit hydraté. En tant que matériau pouzzolanique, l'hydroxyde de calcium (Ca (OH2)) peut réagir pour produire des silicates de calcium hydratés qui augmentent la résistance (CS – H). Ces hydrates entraînent une zone de transition interfaciale (ITZ) densifiée et des microstructures de béton améliorées à l'interface de la pâte de ciment et des granulats22,23. Par conséquent, les performances des systèmes de béton intégrant des cendres volantes peuvent être supérieures à celles des systèmes de béton conventionnels, et cela peut inclure du béton prêt à l'emploi.