Brevet FR3154727A1 — publié le 20250502

UN MATERIAU CIMENTAIRE BASE SUR L’ARGILE CALCINEE ET SON PROCEDE DE PREPARATION La présente invention concerne le domaine technique des matériaux de construction, et rend publics un matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée et son procédé de préparation, ledit matériau cimentaire, comprenant : de l’argile calcinée, du laitier d’acier, des scories, du clinker de ciment, du gypse et un activateur alcalin. La présente invention utilise un procédé d’activation composite multiple, la combinaison rationnelle de l’argile calcinée, du laitier d’acier, des scories, du clinker de ciment et du gypse et la coordination organique de multiples activateurs alcalins chimiques, offre non seulement aux sous-produits industriels un nouveau mode de ressources à haute valeur ajoutée, mais réduit les quantités de clinker de ciment utilisées, tout en augmentant efficacement la résistance initiale en compression du matériau cimentaire et en garantissant une résistance ultérieure du matériau. Les domaines d’application de ce procédé sont vastes, sa technologie est simple, et il dispose d’une valeur d’application potentielle extrêmement élevée. Figure pour l'abrégé : néant UN MATERIAU CIMENTAIRE BASE SUR L’ARGILE CALCINEE ET SON PROCEDE DE PREPARATION La présente invention concerne le domaine des matériaux de construction, et concrètement un matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée et son procédé de préparation. ÉTAT DE LA TECHNIQUE Avec le développement continu de l’urbanisation, la demande en ciment est de plus en plus forte, cependant la production de ciment aggrave la pollution de l’environnement. Selon des statistiques, la production d’une tonne de ciment engendre environ 0,86 tonne de dioxyde de carbone (CO 2 ). Actuellement, la production mondiale totale de ciment est de 3,6 milliards de tonnes, les émissions de l’industrie du ciment en CO 2 représentent 5~8% des quantités totales de CO 2 d’origine humaine rejeté, on estime qu’en 2030, la production annuelle de ciment atteindra 5 milliards de tonnes, les énormes quantités de CO 2 rejetées vont aggraver l’effet de serre. Pour atteindre le pic d’émission et la neutralité carbone, il est urgent de résoudre le problème de pollution de l’environnement engendré par le ciment. L’argile calcinée est une argile industrielle obtenue en chauffant entre 700°C et 850°C une matière première d’argile de rebut. Lorsqu’elle est utilisée pour élaborer un matériau cimentaire, elle permet non seulement d’utiliser efficacement l’argile de rebut, mais par comparaison avec le clinker de ciment classique, elle permet de réduire la consommation d’énergie et les émissions de carbone durant son processus de production. En outre, l’argile calcinée dispose d’une activité de cendres volcaniques élevée, l’interaction entre l’argile calcinée et le clinker ou le ciment Portland ordinaire profite à la production supplémentaire de phase CO 3 -AFM et de gel C-(A)-S-H dans le système, c’est pourquoi les matériaux de ciment d’argile calcinée produits ont un diamètre de pores plus petit que celui du ciment Portland, ce qui bénéficie au développement des propriétés mécaniques. À ces fins, le brevet chinois CN 116409948 A fournit un matériau composite cimentaire à faibles émissions de carbone et à poudre de ciment recyclé, son procédé de préparation et ses applications, dans lequel de petites quantités d’argile calcinée et de poudre de ciment recyclée sont ajoutées au clinker de ciment pour préparer le matériau composite cimentaire à faibles émissions de carbone, cependant une fois que l’argile calcinée est incorporée au ciment, bien que sa dureté ultérieure soit nettement accrue, cela présente un problème de dégradation de la résistance initiale. C’est pourquoi, il est nécessaire de fournir un matériau cimentaire à faible consommation d’énergie et à haute résistance initiale, ce matériau cimentaire étant capable de pleinement utiliser les caractéristiques de faible consommation énergétique, de faibles émissions de carbone et de haute activité de cendres volcaniques de l’argile calcinée. CONTENU DE L’INVENTION À cet effet, le but de la présente invention est de fournir un matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée et son procédé de préparation, à même de résoudre les problèmes antérieurs de dégradation de la résistance initiale et faible champ d’application des matériaux cimentaires basés sur l’argile calcinée. Afin de résoudre les problèmes susmentionnés, la présente invention utilise le plan technique ci-dessous : Un matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée et son procédé de préparation, comprenant les étapes suivantes : Chaque composant de matériau de base est prélevé et mélangé à un activateur alcalin, après broyage, un matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée est obtenu. Lesdits matériaux de base sont choisis parmi un ou plusieurs des éléments suivants, argile calcinée, laitier d’acier, scories, clinker de ciment, gypse : et/ou, ledit activateur alcalin comprend un ou plusieurs éléments parmi le formiate de calcium, du lignosulfonate de calcium, du sulfate de sodium, du chlorure de calcium, du carbonate de sodium, du silicate de sodium et de l’hydroxyde de sodium . Préférablement, ledit activateur auxiliaire alcalin comprend du formiate de calcium, de l’hydroxyde de sodium et du silicate de sodium selon un rapport de masse de 1~3 : 9~11 : 0,3~0,8. Ledit activateur alcalin représente une teneur massique de 0,1~10% dudit matériau de base ; préférablement, ledit activateur alcalin représente une teneur massique de 5~7% dudit matériau de base ; et/ou ledit activateur alcalin est à l’état solide, la teneur en solides de l’activateur alcalin est de 95~100%. Ledit matériau de base comprenant, en pourcentage de masse : 30~60% d’argile calcinée, 3~30% de laitier d’acier, 30~60% de scories, 4~25% de clinker de ciment et 0~5% de gypse. Préférablement, ledit matériau de base comprend, en pourcentage de masse, les matières premières suivantes : 30~60% d’argile calcinée, 3~5% de laitier d’acier, 30~60% de scories, 4~6% de clinker de ciment et 0,5~2% de gypse. Dans ladite argile calcinée Al 2 O 3 > 15%, Al/Si > 0,3, CaO 3 2 O 3 est ≥ 20%, l'indice de l'activité de résistance en compression à 28 jours est supérieur à 80% ; plus préférablement, la composition chimique de ladite argile calcinée comprend, en pourcentage de masse : Al 2 O 3 : 25~40%, SiO 2 : 60~75%, K 2 O + Na 2 O ≤ 3%, CaO + MgO ≤ 5%, SO 3 Ledit laitier d’acier est un agrégat de laitier composé d’oxydes de calcium, fer, silice et magnésium issu de la sidérurgie, dans ledit laitier d’acier, la teneur massique du CaO est de 30-60%, la teneur massique du SiO 2 est de 10-30%, la teneur massique du MgO est de 2~20%, la teneur massique du Fe 2 O 3 est de 10-40% ; préférablement, la composition chimique dudit laitier d’acier comprend, en pourcentage de masse : CaO : 38-50%, Fe 2 O 3 : 25~35%, SiO 2 :14~20%, MgO : 4.5~12%, MnO : ≤ 5%, Al 2 O 3 : 1~10%, CaF 2 ≤ 2%, SO 3 ≤ 5%. Lesdites scories sont des scories granulées de haut-fourneau moulues ou des scories de haut fourneau refroidi par air ; et/ou, ledit clinker de ciment est du clinker de ciment Portland répondant aux exigences de la norme GB/T 21372 « Clinker de ciment Portland » ; et/ou ledit gypse est au moins un élément parmi le gypse de désulfuration, le gypse de mirabilite, le phosphogypse et le gypse de titane. Avant d’être mélangé, ledit matériau de base subit un traitement de séchage, et/ou la poudre obtenue après broyage doit encore être tamisée par un tamis à pores de 60~100 μm, le poids de résidu de tamisage de ladite poudre est de 0~10%. Ledit clinker de ciment et ladite argile calcinée sont tous des matériaux secs, dont la teneur en eau du produit sur le marché est inférieure à 1%, nulle explication supplémentaire étant nécessaire. Ledit activateur alcalin, est également un solide, sa composition en eau relève principalement de l’eau de cristallisation, de l’eau liée chimiquement/groupe hydroxyle, en outre les quantités utilisées sont très faibles, un contrôle de l’eau n’est pas nécessaire. La présente invention fournit en outre un matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée. Effets bénéfiques de la présente invention 1. La présente invention fournit un matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée comprenant un matériau de base et un activateur alcalin, ledit matériau de base comprenant, en pourcentage de masse : 30~70% d’argile calcinée, 0~30% de laitier d’acier, 10~70% de scories, 0~25% de clinker de ciment et 0~5% de gypse, avec la combinaison de l’argile calcinée et des scories selon les proportions spécifiées ci-dessus, couplée ensuite à l’activateur alcalin, ainsi que la combinaison de nombreuses matière première et de l’activateur alcalin, le matériau cimentaire dispose des avantages d’une rapide formation de la résistance et d’une haute résistance finale, surmontant les défauts de prise longue et de lente réaction d’hydratation des autres matériaux cimentaires basés sur l’agile calcinée, et permet d’obtenir une nette augmentation de la résistance en compression du matériau cimentaire. 2. La présente invention fournit un matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée, l’activateur alcalin comprend un ou plusieurs éléments parmi le formiate de calcium, du lignosulfonate de calcium, du sulfate de sodium, du chlorure de calcium, du carbonate de sodium, du silicate de sodium et de l’hydroxyde de sodium, en particulier lorsque l’activateur auxiliaire alcalin comprend du formiate de calcium, de l’hydroxyde de sodium et du silicate de sodium selon un rapport de masse de 1~3 : 9~11 : 0,3~0,8. 3. La présente invention fournit un matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée, l’activateur alcalin représente une teneur massique de 0,1~10% du matériau de base ; en particulier lorsque l’activateur alcalin représente une teneur massique contrôlée à 5~7% du matériau de base, il est possible de stimuler plus encore la réaction entre les composant cimentaires, et ainsi d’augmenter la résistance du matériau cimentaire à la fracture et la résistance en compression. 4. La présente invention fournit un matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée, les teneurs en pourcentage de chaque composant du matériau de base sont maintenues à : 30~60% d’argile calcinée, 3~30% de laitier d’acier, 30~60% de scories, 4~25% de clinker de ciment et 0~5% de gypse, préférablement, les teneurs en pourcentage de chaque composant du matériau de base sont maintenues à : 30~60% d’argile calcinée, 3~30% de laitier d’acier, 30~60% de scories, 4~25% de clinker de ciment et 0~5% de gypse, préférablement, ce qui permet en outre d’accroître les performances du matériau cimentaire. Plus préférablement, les teneurs en pourcentage de chaque composant du matériau de base sont maintenues à : 30~60% d’argile calcinée, 3~5% de laitier d’acier, 30~60% de scories, 4~6% de clinker de ciment et 0,5~2% de gypse, ce qui permet d’augmenter considérablement la résistance en compression du matériau cimentaire obtenu et se traduit par une résistance en compression à 3 jours, 7 jours et 28 jours dans l’eau respectivement de 20,1-35,6 MPa, 24,2-46,1 MPa, 34,5-65,8 MPa. 5. La présente invention fournit un matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée, dans lequel le contrôle des teneurs et compositions chimiques du matériau de base promeut un rapport relativement optimal des substances chimiques des composants du matériau cimentaire, ce qui augmente en outre la résistance en compression et la sécurité du matériau cimentaire. 6. La présente invention fournit un procédé de préparation de matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée, ce procédé est simple, sa consommation énergétique faible, la solidification est rapide, la résistance élevée et ses applications sont vastes ; le procédé de préparation est facile, économe en coûts de production et en énergie, et respectueux de l’environnement grâce à de faibles émissions de carbone ; du point de vue technique, économique et environnemental, la présente invention présente de gros avantages sociaux, économiques et environnementaux, sa faisabilité est élevée et elle est adaptée à une vaste diffusion. MODES DE REALISATION Les modes de réalisation fournis ci-dessous destinés à une meilleure compréhension de la présente invention, ils ne se limitent pas aux modes de réalisation préférés, et ne constituent pas de limite au contenu ou à l’étendue de la protection de la présente invention, tout produit identique ou similaire à la présente invention inspiré par la présente invention ou obtenu par combinaison de la présente invention avec une autre caractéristique technique antérieure est couvert par l’étendue de la protection de la présente invention. Les étapes ou conditions expérimentales concrètes non mentionnées dans les modes de réalisation, peuvent être réalisées selon les étapes ou conditions expérimentales courantes décrites dans des documents relevant du présent domaine technique. Les réactifs ou appareils pour lesquels le fabricant n’est pas mentionné, sont tous des produits de réactifs courants obtenus sur le marché. Les modes de réalisation 1-10 fournissent un matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée, leurs compositions figurent au Tableau 1, les matériaux cimentaires de chaque mode de réalisation sont élaborés selon les étapes suivantes : Chaque composant de matériau de base est prélevé conformément au Tableau 1, mélangé à l’activateur alcalin, les matériaux préparés sont mélangés et broyés de façon homogène pour être tamisés sur un tamis dont le diamètre de pore est de 80 μm, et le poids de résidu de tamisage de la poudre est de 10%, le matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée est ainsi obtenu. Matériau de base Réactif alcalin Argile calcinée Laitier d’acier Scories Clinker de ciment Gypse Carbonate de sodium Lignosulfonate de calcium Hydroxyde de sodium Silicate de sodium Formiate de calcium chlorure de calcium Mode de réalisation 1 40 24 30 5 1 6 0,5 0 0 0 0 Mode de réalisation 2 40 24 30 5 1 6 0 0 0 0,5 0 Mode de réalisation 3 40 24 30 5 1 4 0 0 0 0,5 0 Mode de réalisation 4 40 24 30 5 1 0 0 1 5,0 0,5 0 Mode de réalisation 5 60 4 30 5 1 0 0 1 5,0 0,5 0 Mode de réalisation 6 60 30 4 5 1 0 0 1 5,0 0,5 0 Mode de réalisation 7 30 24 40 5 1 0 0 1 5,0 0,5 0 Mode de réalisation 8 30 4 60 5 1 0 0 1 5,0 0,5 0 Mode de réalisation 9 30 14 40 15 1 0 0 1 5,0 0,5 0 Mode de réalisation 10 70 0 10 25 5 0 0 1 5,0 0,5 0 Comparaison 1 40 24 30 5 1 0 0 0 0 0 6,5 Comparaison 2 40 24 30 5 1 0 0 0 0 0 0 Composition du matériau cimentaire (kg) Dans lequel, les Modes de réalisation et les comparaisons utilisent les composants chimiques de l’argile calcinée du Tableau 2 Matériaux Al 2 O 3 SiO 2 Na 2 O Fe 2 O 3 CaO K 2 O SO 3 Argile calcinée 26,36 70,27 0,01 0,8 0,18 1,47 0,33 Composants chimiques (%) de l’argile calcinée Dans lequel, les modes de réalisation 1-9 et les comparaison 1-2 utilisent les composants chimiques de laitier d’acier du Tableau 3 Matériaux CaO SiO 2 MgO Fe 2 O 3 CaF 2 MnO Al 2 O 3 SO 3 Pertes Laitier d’acier 38,71 15,55 5,9 26,48 0,02 2,29 3,72 0,32 3,11 Composants chimiques (%) du laitier d’acier Dans lequel, les modes de réalisation et comparaison utilisent les composants chimiques de scories du Tableau 4 Matériaux CaO SiO2 MgO Al2O3 MnO Fe2O3 SO3 Scories 38,44 30,52 9,11 16,32 0,52 0,31 2,27 Composants chimiques (%) des scories Dans lequel, les modes de réalisation et comparaison utilisent les composants chimiques de clinker de ciment du Tableau 5 Matériaux CaO MgO Al2O3 SiO2 TiO2 Fe2O3 K2O Pertes Clinker de ciment 64,82 3,37 4,11 20,77 0,36 3,36 0,88 1,96 Composants chimiques (%) de clinker de ciment Dans lequel, les modes de réalisation et comparaison utilisent les composants chimiques de gypse du Tableau 6 Matériaux Al2O3 SiO2 P2O5 SO3 K2O CaO Fe2O3 MgO Autres Pertes Gypse 1,74 2,46 0,02 47,6 0,26 35,13 0,47 0,47 1,66 10,02 Composants chimiques (%) de gypse Des essais de résistance en compression et des essais de stabilité sont réalisés sur les matériaux cimentaires obtenus aux Modes de réalisation 1-10 et Comparaisons 1-2. Essais de résistance en compression : le mélange et la formation sont effectués conformément aux dispositions de la norme GB/T17671-1999 « Méthode de mesure de la résistance du mortier de ciment (norme ISO) », puis durci dans l’eau : l’échantillon de mortier est durci à 20°C ± 2°C dans un caisson de durcissement équipé d’une membrane et dont l’humidité relative n’est pas inférieure à 90%, la membrane est retirée après 1 jour, l’échantillon sans membrane est placé dans l’eau à 20°C ± 1°C pendant 28 jours, la résistance en compression est mesurée. Essai de stabilité : conformément à la norme « Méthode d’essai sur les exigences de consistance normale, de durée de durcissement et de stabilité du ciment Portland » (GB/T1346-2011), la méthode Le Chatelier est utilisée pour mesurer la durée de durcissement et la stabilité des matériaux cimentaires des Modes de réalisation 1-10. Les résultats des essais figurent aux Tableaux 7 et 8. Tableau 7 Résistance en compression à 3, 7 et 28 jours des matériaux cimentaires obtenus aux Modes de réalisation 1-10 et Comparaison 1-2. Résistance en compression 3d/MPa 7d/MPa 28d/MPa Mode de réalisation 1 21,1 26,3 37,5 Mode de réalisation 2 22,3 27,1 38,7 Mode de réalisation 3 20,5 24,8 35,4 Mode de réalisation 4 25,5 36,8 52,6 Mode de réalisation 5 34,5 43,3 61,8 Mode de réalisation 6 20,4 24,2 34,5 Mode de réalisation 7 25,9 37,6 53,7 Mode de réalisation 8 35,6 46,1 65,8 Mode de réalisation 9 26,9 38,9 55,5 Mode de réalisation 10 20,1 26,3 34,5 Comparaison 1 5,6 12,5 18,6 Comparaison 2 1,5 5,5 7,2 Les matériaux cimentaires basés sur l’argile calcinée obtenus dans les Modes de réalisation de la présente invention ont une résistance en compression à 3 jours > 20,0 MPa, une résistance en compression à 7 jours > 24,0 MPa, une résistance en compression à 28 jours > 35,0 MPa. Échantillon Durée de durcissement (min) Stabilité (Méthode Le Chatelier) Durée initiale Durée finale Augmentation de distance en mm Résultat Mode de réalisation 1 130 260 0,5 Conforme Mode de réalisation 2 110 180 1,5 Conforme Mode de réalisation 3 160 330 1,5 Conforme Mode de réalisation 4 65 125 1,0 Conforme Mode de réalisation 5 55 75 1,5 Conforme Mode de réalisation 6 100 155 0,5 Conforme Mode de réalisation 7 55 85 1,0 Conforme Mode de réalisation 8 50 70 1,5 Conforme Mode de réalisation 9 60 85 1,5 Conforme Mode de réalisation 10 260 450 0,5 Conforme Durée de durcissement et stabilité des matériaux cimentaires obtenus dans les Modes de réalisation 1-10. Les résultats montrent que les Modes de réalisation 1-10 répondent tous aux dispositions de la norme GB175-2020, et peuvent être utilisés pour le ciment. Bien entendu, les Modes de réalisation susmentionnés constituent uniquement des exemples destinés à clarifier les opérations, et ne constituent pas de limite aux modes de réalisation. En se basant sur la description susmentionnée, l’homme du métier peut effectuer différentes formes de modifications et variations. Il n’est ni nécessaire, ni possible d’en décrire ici toutes les possibilités. Toutes les modifications et variations qui s’en inspirent de façon manifeste sont couvertes par l’étendue de la protection de la création de la présente invention. Un matériaux cimentaire basé sur l’argile calcinée, caractérisé en ce qu’il comprend un matériau de base et un activateur alcalin, ledit matériau de base comprenant, en pourcentage de masse : 30~70% d’argile calcinée, 0~30% de laitier d’acier, 10~70% de scories, 0~25% de clinker de ciment et 0~5% de gypse. Un matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit activateur alcalin comprend un ou plusieurs éléments parmi le formiate de calcium, du lignosulfonate de calcium, du sulfate de sodium, du chlorure de calcium, du carbonate de sodium, du silicate de sodium et de l’hydroxyde de sodium ; préférablement, ledit activateur alcalin comprend du formiate de calcium, de l’hydroxyde de sodium et du silicate de sodium selon un rapport de masse de 1~3 : 9~11 : 0,3~0,8. Un matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit activateur alcalin représente une teneur massique de 0,1~10% dudit matériau de base ; préférablement, ledit activateur alcalin représente une teneur massique de 5~7% dudit matériau de base. Un matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau de base comprend, en pourcentage de masse, les matières premières suivantes : 30~60% d’argile calcinée, 3~30% de laitier d’acier, 30~60% de scories, 4~25% de clinker de ciment et 0~5% de gypse. Un matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit matériau de base comprend, en pourcentage de masse, les matières premières suivantes : 30~60% d’argile calcinée, 3~5% de laitier d’acier, 30~60% de scories, 4~6% de clinker de ciment et 0,5~2% de gypse. Un matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans ladite argile calcinée, Al2O3 > 15%, Al/Si > 0,3, CaO Un matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans ledit laitier d’acier, la teneur massique du CaO est de 30~60%, la teneur massique du SiO2 est de 10~30%, la teneur massique du MgO est de 2~20%, la teneur massique du Fe2O3 est de 10~40% ; préférablement, la composition chimique dudit laitier d’acier comprend, en pourcentage de masse : CaO : 38~50%, Fe2O3 : 25~35%, SiO2 :14~20%, MgO : 4,5~12%, MnO : ≤ 5%, Al2O3 : 1-10%, CaF2 ≤ 2%, SO3 ≤ 5%. Un matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites scories sont des scories granulées de haut-fourneau moulues ou des scories de haut fourneau refroidi par air ; et/ou, ledit clinker de ciment est du clinker de ciment Portland ; et/ou ledit gypse est au moins un élément parmi le gypse de désulfuration, le gypse de mirabilite, le phosphogypse et le gypse de titane. Un matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée selon l’une quelconque des revendications 1-8, caractérisé en ce que chaque composant du matériau de base est prélevé et mélangé à l’activateur alcalin, le matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée est obtenu après broyage. Un matériau cimentaire basé sur l’argile calcinée selon la revendication 9, caractérisé en ce que la poudre obtenue après broyage doit encore être tamisée dans un tamis à pores de 60-100 μm, le poids de résidu de tamisage de ladite poudre est de 0-10%.