Brevet FR2464239A1 — publié le 19810306

La présente invention concerne un procédé de fabrication de pastilles d'agrégats légers à partir de résidus industriels finement divisés,tels que des cendres volantes, des résidus provenant d'opérations d'enrichissement et de flottation et des poussières, comme matériau de base, procédé suivant lequel on amène un liant en contact avec le matériau de base pour former des pastilles ver- tes, et on fritte ces pastilles vertes dans un four rotatif pour obtenir les pastilles finales. Dans le domaine des travaux de construction en béton, il faut, dans certains cas, un matériau dont les propriétés ne peuvent être obtenues par l'emploi des types de béton basés sur un agrégat classique. Ces cas spéciaux peuvent correspondre par exemple à des conditions de broyage médiocres, au désir d'obtenir des capacités portantes élevées, eu égard au poids propre de la construction, ou à la nécessité d'une capacité d'isolation thermique meilleure que celle des matériaux à base de béton classiques. On peut occasionnellement satisfaire techniquement à ces conditions à l'aide de béton de composition normale, mais les solutions apportées deviennent plus lourdes à supporter économiquement. Ainsi, dans l'industrie de la construction, il y a une tendance générale à édifier des constructions de béton de poids moindre et de porosité plus éle- vée, sans renoncer aux propriétés favorables que l'on avait atteintes antérieurement. Un procédé de ce genre consiste à remplacer l'agrégat fait de pierre naturelle par un agrégat dont le matériau a été produit artificiellement et possède un poids moindre et une porosité plus élevée,ce que l'on appelle un agrégat léger. Le béton fait à partir d'un tel agrégat est appelé par analogie "béton léger". La fabrication d'agrégats légers à partir d'argile, de schiste, de perlite et d'autres maté- riaux bruts naturels, en tant que matériau de dé- part, est connue dans ses traits généraux. De même, il est connu d'utiliser comme matériaux de départ des résidus industriels tels que des cendres vo- lantes provenant de centrales brûlant du charbon, des résidus d'opérations d'enrichissement et de flottation, des résidus provenant de mines de char- bon, des scories, etc... Les procédés connus supposent que l'on tra- vaille le matériau de départ en même temps que des additifs, à l'aide d'eau, pour obtenir un mélange mou. Ce mélange est, au moyen de machines conçues à cet effet, mis sous forme de granules, - ce que l'on appelle les pastilles vertes -, que l'on fritte ensuite. Dans le processus de frittage, les composés organiques sont brûlés par combustion, de sorte qu'il reste des pores dans les pastilles. En même temps, l'eau et d'autres substances volatiles s'échappent sous forme gazeuse, ce qui conduit à l'expansion et à l'accroissement de volume dans le cas de certains matériaux. Le résultat final se présente sous forme de pastilles poreuses dont la densité est considérablement inférieure à la densité de la roche naturelle. Suivant un procédé connu de fabrication d'agrégats légers à partir de résidus industriels, on prépare un mélange, convenablement humide, des résidus considérés, par exemple de cendres volan- tes et d'eau, en y ajoutant éventuellement d'au- tres additifs; après pré-mélange et homogénéisation dans un activateur, on fait passer le mélange sur un plateau rotatif granulateur incliné. Pendant la projection d'eau en quantités appropriées, il se forme alors sur le plateau des pastilles vertes de forme sphérique. Après que ces pastilles vertes aient reçu une dimension désirée, on leur fait quitter le plateau et on les transporte vers une installation de frittage. Les difficultés de la fabrication d'un agré- gat léger acceptable à partir de résidus finement divisés sont cependant encore grandes. On indiquera ci-après les difficultés les plus grandes connues à ce jour, que l'on rencontre dans la mise en oeuvre des procédés: (1) On ne peut donner aux pastilles vertes la résistance mécanique requise en vue du transport ultérieur et du traitement par la chaleur. (2) En raison de la résistance médiocre des pastilles vertes, il faut choisir des procédés de frittage dans lesquels les pastilles vertes demeu- rent au repos pendant le processus de frittage. Des installations généralement connues et utilisées le plus communément sont les installations dites à tabliers de frittage. Dans celles-ci, les pastilles vertes reposent sous forme d'un lit d'une épaisseur d'environ 20 à 30 cm sur un tablier sans fin passant lentement à travers le four de frittage. Dans le lit immobile épais, toute ex- pansion des pastilles vertes devient impossible, en même temps que les pastilles sont frittées les unes avec les autres. Il en résulte un mélange fritté en masse plus ou moins fortement, qu'il faut broyer et qui donnera des pastilles d'agrégat à coins anguleux. Les procédés ne diffèrent les uns des au- tres qu'en ce qui concerne les opérations visant à réduire ce frittage en masse. En même temps, ce- pendant, les procédés utilisant le tablier de fritta- ge exigent qu'après frittage on broie le mélange fritté. Les pastilles obtenues de cette façon produisent un agrégat de type lourd. Les pastilles ont des arêtes tranchantes et des pores ouverts et, lorsqu'on les mélange pour former le béton, il faut y ajouter plus d'eau (préhydratation) que dans le cas d'un agrégat de roche naturelle. Le rapport eau à ciment du béton en devient plus élevé et, par conséquent, la résistance devient corrélative- ment plus faible. (3) Dans la plupart des résidus industriels, il ne se produit pas d'expansion pendant le pro- cessus de frittage. On n'ôbtient un poids volumé- trique moindre de l'agrégat que par l'effet des pores et des cavités produits dans les pastilles lorsque les éléments combustibles et volatils (or- dinairement de la poudre de charbon et de l'eau) s'échappent. Il arrive même que les pores de ces pastilles soient ouverts, ce qui entraîne un rapport eau à ciment non satisfaisant dans la fabrication du béton. (4) Beaucoup de résidus industriels ont une température de frittage si élevée, ou se frittent dans une gamme de températures si étroite, que la commande du processus de frittage devient coûteuse et difficile à obtenir, sinon totalement impossible. Par exemple, si l'on utilise des cendres volantes provenant des centrales brûlant du charbon, il est nécessaire de choisir la fraction ou les fractions ayant les propriétés physiques et chimi- ques les plus favorables, parmi les cendres re- cueillies sur les électro-filtres des centrales. Les cendres restantes ne peuvent servir dans ce but (5) La composition chimique et minéralogi- que des résidus industriels varie dans une large mesure. Dans des cas défavorables, le frittage peut 2464Z39 avoir lieu à des températures entièrement inaccep- tables. Si, par exemple, du fer est présent sous la forme ferri ( fer trivalent) et si l'atmosphère du four de frittage est oxydante, le frittage n'a lieu qu'à une température élevée, ce qui est dé- favorable du point de vue économique. Le coeur des pastilles qui se trouve dans un milieu réducteur en raison des particules de carbone qui subsistent, est au contraire fritté, se dilate, gonfle et de- vient une masse rigide ressemblant à de la lave. Le frittage dans une atmosphère réductrice ne peut se Justifier économiquement pour des matériaux si peu coûteux. Ainsi, l'exigenced'un agrégat léger accepta- ble du point de vue économique et du point de vue de la technique de la construction, fabriqué à par- tir de résidus industriels, suppose ce qui suit: - il faut donner aux pastilles vertes une résis- tance telle qu'elles résistent à la contrainte mé- canique intervenant dans le processus de frittage le plus favorable; - le frittage doit avoir lieu dans un four rota- tif pour permettre et faciliter une libre expansion des pastilles et pour diminuer le frittage en masse; - il faut stimuler l'expansion des pastilles pendant le frittage, au moyen d'additifs convena- bles à cette fin; - il faut choisir les additifs et les méthodes que l'on emploie pour les introduire, de telle façon que l'on puisse surveiller et commander les proces- sus tant de formation de pastilles vertes que de frittage; - un frittage de la couche superficielle doit avoir lieu dans une étape précoce du processus de frittage pour que se forme une pellicule imperméa- ble empêchant l'échappement des gaz qui provoquent l'expansion; - la composition de la couche superficielle des pastilles doit être telle que dans les conditions régnantes, le frittage commence dans cette couche avant que commence le frittage de la matière du coeur. Il faut que se produise autour du coeur une pelli- cule élastique qui, en raison de sa densité et de son élasticité, permette une expansion homogène du coeur sans échappement non contrôlé de gaz. Les pastilles obtiennent ainsi une forme sensiblement sphérique et surtout une structure à pores fermés. Ces pastilles n'absorbent pas d'eau à la façon de l'agrégat léger fritté sur tablier, ce qui, en même temps que la forme sphérique, a un effet favo- rable sur le besoin en eau du béton à consistance prédéterminée. Suivant l'invention, on obtient des pastilles vertes de compositions chimique et physique telles que les nodules puissent être transportés, sans être brisés, dans le four, lequel pourra être dans le présent cas un four rotatif, et y subir la combus- tion avec expansion. On peut se rendre maître de cette expansion en commandant les propriétés de la boue que l'on utilise pour la formation des pastilles vertes, d'une part, et en réglant le temps de com- bustion et la température dans le four, d'autre part. Les granules d'agrégats légers, que l'on ob- tient au moyen-des procédés généralement connus, ne satisfont pas aux conditions imposées. L'invention a pour but d'éliminer les incon- vénients intervenant dans les procédés antérieurement connus de fabrication d'agrégats légers. Le procédé selon l'invention se caractérise principalement en ce que: - le liant est un liant saturé d'eau; - on pulvérise le liant sous forme d'une boue ou d'un liquide, sur le matériau de base, pendant la formation des pastilles vertes. Suivant l'invention, on peut faire passer le matériau finement divisé, non humidifié (cen- dres volantes, résidus de flottation, etc...) sur un plateau de granulation incliné, ou on pulvérise sur le matériau une boue consistant en argile et/ou en substances organiques à poids moléculaire élevé, jouant le rôle "d'apprêt" ( par exemple de la li- queur résiduaire sulfitique, des dérivés cellulosi- ques divers et des matériaux équivalents). Le but de cette boue est de donner aux pas- tilles vertes la résistance mécanique nécessaire pour le traitement mécanique subséquent, d'une part, et de donner aux pastilles vertes une composition chimique et minéralogique telle que le frittage soit plus facile et commence dans la couche superficiel- le des pastilles vertes avant que.le gaz commence à être produit à l'intérieur des pastilles, d'autre part. Il est possible aussi d'utiliser, à cette fin, des matières premières non expansibles en utilisant, dans la phase de fabrication des pastilles vertes, de l'argile expansible et/ou des additifs du type mentionné plus haut. En commandant la quantité et le type'de boue utilisé dans la phase de formation des pastilles vertes, il est possible de modifier les propriétés de la matière première dans un sens favorable au processus de frittage, ce qui est d'une grande im- portance, par exemple lorsqu'on forme des pastilles de cendres volantes de genres différents. Au moyen de la matière organique, on empêche une oxydation des composés de fer dans la couche superficielle oxydation qui entraînerait un retard dans le frit- tage de la couche superficielle, par rapport à l'intérieur des pastilles, ainsi qu'une fissuration et une déformation des pastilles. Le frittage que l'on exécute de préférence dans un four rotatif à compartiments multiples pour mieux surveiller et commander le processus de sé- chage et de frittage et le processus d'expansion, conduit à une couche superficielle dense qui em- pêche les gaz formés à l'intérieur des pastilles de s'échapper. On obtient ainsi un agrégat léger à pores fermés, ceux-ci étant, du point de vue de la technologie du béton, à préférer aux pores ou- verts. En choisissant convenablement la température de combustion et le temps, il est possible de pré- parer, à partir du même matériau de départ, des agrégats ayant les dimensions, le poids et la ré- sistance désirés. - Il est important que la boue d'argile que l'on utilise dans le processus de formation des pastilles vertes soit saturée d'eau, c'est-à-dire que l'argile n'absorbe pas de l'eau prise à la boue argileuse après le commencement du processus. Ceci peut arriver si l'on utilise de l'argile séchée, sans une période suffisamment longue de -saturation à l'eau. On peut améliorer aussi l'économie thermique en comparaison des procédés connus, en raison du fait que les additifs dont il a été question en- traînent des réactions qui produisent des gaz ex- pansibles, même à des températures relativement basses. En procédant à des essais de frittage dans un four rotatif, on a établi que l'on obtient les meilleures pastilles si l'on divise le processus en plusieurs phases de traitement par la chaleur, d savoir: (a) chauffage, élimination d'humidité; (b) frittage en surface, expansion en une ou plusieurs étapes; et (c) refroidissement. Pour la possibilité de la surveillance et de la commande, on exécutera ces phases dans plu- sieurs compartiments séparés du four, dont on pourra faire varier la rotation indépendamment l'un de l'autre. On indiquera ci-après, sous forme d'exemples, les propriétés de pastilles obtenues par le procédé suivant l'invention, en les comparant avec les pro- h priétés correspondantes de pastilles préparées suivant l'art antérieur. Exemple 1 Résistance des pastilles vertes On a préparé des pastilles vertes sur une seule et même plaque de granulation, par un procédé connu, à partir de cendres volantes seulement, et en projetant seulement de l'eau, d'une part, et, suivant l'invention, en partant des mêmes cendres volantes et en projetant une boue d'argile consti- tuée d'argile saturée d'eau, et d'eau, la propor- tion invariable d'argile étant de 6 pourcent en poids de la pastille verte, d'autre part. La teneur en humidité était dans les deux cas de 25 pourcent en poids. On a fait tomber les pastilles de façon ré- pétée d'une hauteur de 1 mètre sur un plancher de béton et on a noté le nombre de chutes jusqu'à ap- parition de la première fissure visible. On a obtenu les valeurs moyennes suivantes: Cendres volantes + eau seule: 20 chutes Cendres volantes + boue d'argile: 39 chutes. Toutes les pastilles vertes étaient de forme sphérique et de même diamètre. Exemple 2 Avec le procédé décrit, il est possible d'ob- tenir des pastilles d'agrégats légers de différents degrés d'expansion. Le Tableau 1 présente quelques résultats obtenus par le brûlage dans un four à moufle. Tableau 1 Expansion de nodules avec combustion de 10 minutes dans un four à moufle.- Exemple 3 On a rempli un certain nombre de bottes constituant moules de 4 cm x 4 cm x 16 cm = 256 cm3 de volumes égaux de pastilles frittées du type que l'on trouve dans le commerce, d'une part, et de pas- tilles suivant l'invention, d'autre part. En les Augmentation de Matière première + % en poids volume de liant dans la matière 20 100 % sèche totale O A O00 A Cendres volantes + 6 % 12020C 12140C d'argile B Cendres volantes + 15 % d'argile 11800C 12030C C Cendres volantes + 57 % d'argile 11610C 11740C D Cendres volantes + 5 % de liqueur résiduaire sulfitique 11960C 12100C E Résidus de flottation I + 18 % d'argile 11520C 11640C soumettant à la vibration, on a rempli les moules d'une seule et même pâte de ciment, avec un rapport de ciment à eau de 0,33. On a démoulé au bout d'un jour et on a fait l'essai à la presse après trois jours. Le diamètre des pastilles était de 10 à 12 mm. On a obtenu les résultats suivants: Tableau 2 Propriétés d'agrégats légers A à E: types d'agrégats légers préparés suivant l'invention. F et G: types d'agrégats légers du commerce. On a mesuré la résistance à la compression sur des agrégats de 10 à 12 mm dans un mortier de ciment. Les pastilles préparées suivant l'invention D3 étaient plus lourdes mais leur résistance propor- Maté- |Poids vo- Absorption Poro- Résistance à riau lumétri- d'eau sité la compres- ue 5mm 1 h sion 2 (_ _/1g), % (%) _ (MN/m) . TI i A 1538 |1,3 1,4 43,2 35,2 B 1350 1,5 1,9 49,6 31,5 C 1577 0,6 0,9 39,3 32,2 D 1633 1,8 3,8 45,4 35,0 E 2000 0,6 0,9 32,8 34,1 F(à ba- se d'ar- gile) 600 24 26 12,8 G(à ba- se de cendres volan- tes) 1530 12 15 41,9 21,1 I., _ _ _ _ _. _ _ _ _ _ _,_ _ _ _ _ i _ _...... _ _ _ tionnellement plus élevée les situe dans une classe avantageuse du point de vue de l'économie du bé- ton. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication de pastilles d'agrégats légers à partir de résidus industriels finement divisés, tels que des cendres volantes, des résidus d'opérations d'enrichissement et de flottation et des poussières, en tant que matériau de base, dans lequel on met en contact au moins un liant avec le matériau de base dont on forme des pastilles vertes, et dans lequel on fritte les pas- tilles vertes dans un four rotatif pour en obtenir les pastilles finies, caractérisé en ce qu'on prend pour liant un liant saturé d'eau et on pulvérise le liant sous forme de boue ou de liquide sur le matériau de base, pour la formation des pastilles vertes. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on pulvérise ou projette le liant à l'aide d'ajutages ou de moyens semblables. 3.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on procède à la pulvérisation de façon intermittente. 4.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on procède à la pulvérisation de façon continue. 5.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme liant de l'argile saturée d'eau. 6.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme liant des matériaux organiques ayant un poids moléculaire élevé, tels que de la liqueur résiduaire sulfiti- que ou des matériaux semblables. 7.- Procédé suivant la revendication 5,dans lequel le résidu industriel est constitué de cendres volantes, caractérisé en ce qu'on prend de l'argile dans une proportion allant de 5 pourcent en poids à 15 pourcent en poids de la matière sèche totale.