Offre de thèse
Valorisation des cendres de biomasse dans le ciment : influence sur la minéralogie et la microstructure du clinker et des hydrates
Date limite de candidature
15-05-2024
Date de début de contrat
01-10-2024
Directeur de thèse
DILIBERTO Cécile
Encadrement
Le doctorant travaillera au sein de l'équipe « Matériaux pour le Génie Civil » sous la responsabilité du Dr. Romain Trauchessec et du Pr. Cécile Diliberto. L'équipe d'accueil est située à l'IUT de Nancy Brabois localisé à Villers-lès-Nancy, à moins de 3 km du campus Artem. Elle mettra à disposition tous les équipements nécessaires au travail du/de la candidat/e, les équipements de pointe (DRX, MEB, MET) étant disponibles sur le campus Artem.
Type de contrat
école doctorale
équipe
DEPARTEMENT 2 - CP2S : 207 - Matériaux pour le génie civilcontexte
Au niveau mondial, la production du ciment utilise des milliards de tonnes de matières premières (calcaire, argile, bauxite, marne) par an et génère lors de leur calcination près de 6% des émissions mondiales de CO2. Le clinker obtenu à 1450°C est ensuite finement broyé avec un régulateur de prise permettant la production d'un ciment ayant une hydratation contrôlée lors de la gâchée du béton. Avec le développement de l'économie circulaire, la valorisation de déchets ou co-produits est couramment utilisée en cimenteries pour remplacer : - les matières premières du cru cimentier par des sables de fonderie, des terres polluées, des laitiers d'aciérie... - le clinker par des additions comme les laitiers de hauts fourneaux, les cendres volantes (combustion du charbon) ou les argiles calcinées. En revanche, la recherche de nouveaux déchets ou co-produits est nécessaire car les quantités localement disponibles de ces ressources secondaires sont parfois limitées alors que le besoin de réduire l'impact environnemental du ciment augmente. Parmi les déchets utilisables, les cendres de biomasse seraient une ressource intéressante à étudier davantage. En effet, ces dernières décennies, en France comme en Europe, la production de chaleur ou d'électricité par combustion du charbon décroit alors que celle par calcination de biomasse augmente fortement. Ces cendres sont une matière minérale contenant des éléments fertilisants pour les plantes (principalement potasse, magnésium et chaux) et sont à 70% utilisées en agriculture pour l'amendement. En revanche, la composition des cendres est très variable selon les installations (cendres mixtes, sous foyers, etc.) et la présence d'éléments-traces métalliques (Zinc, Cuivre, Chrome ou Plomb) ne permet pas l'épandage de certaines ressources qui sont alors enfouies.spécialité
Sciences des Matériauxlaboratoire
IJL - INSTITUT JEAN LAMOUR
Mots clés
ciment bas carbone, recyclage, synthèse, réactivité , hydratation
Détail de l'offre
La recherche de nouveaux déchets ou co-produits dans les matériaux cimentaires est nécessaire car les quantités localement disponibles des ressources secondaires sont parfois limitées alors que le besoin de réduire l'impact environnemental du ciment augmente.
Parmi les déchets utilisables, les cendres de biomasse seraient une ressource intéressante à étudier davantage. En effet, ces dernières décennies, en France comme en Europe, la production de chaleur ou d'électricité par combustion du charbon décroit alors que celle par calcination de biomasse augmente fortement. Ces cendres sont une matière minérale contenant des éléments fertilisants pour les plantes (principalement potasse, magnésium et chaux) et sont à 70% utilisées en agriculture pour l'amendement. En revanche, la composition des cendres est très variable selon les installations (cendres mixtes, sous foyers, etc.) et la présence d'éléments-traces métalliques (Zinc, Cuivre, Chrome ou Plomb) ne permet pas l'épandage de certaines ressources qui sont alors enfouies.
L'incorporation de cendres de biomasse dans le cru cimentier (i.e. substitution du calcaire et de l'argile) est peu explorée dans la littérature scientifique. Pourtant, certaines cendres sont une source importante de calcium non carbonatée et de silicium qui peuvent substituer les matières premières du cru. En réduisant ainsi la proportion de calcaire dans le cru (i.e. limitation de la décarbonatation), une réduction des émissions de CO2 serait alors possible. Les éléments-traces métalliques, le phosphore et le magnésium contenus dans les cendres de biomasse sont cependant connus pour potentiellement modifier la composition et la microstructure du clinker et des phases formées lors de l'hydratation du ciment.
Pour une utilisation en addition (i.e. substitution du clinker), il existe déjà une littérature relativement approfondie sur l'intérêt technique et environnemental de ces cendres dans les matériaux à base de ciment montrant que leur activité pouzzolanique est intéressante à un degré variable en fonction de leur taux d'incorporation et de leur nature. En effet, une forte proportion de certaines cendres induit la présence d'alcalis, de soufre ou de métaux qui ont un effet négatif sur la prise, la rhéologie la résistance et à plus long terme la durabilité.
Keywords
low CO2 cement, recycling, synthesis, reactivity, hydration
Subject details
The research for new wastes or by-products in cementitious materials is necessary because locally available quantities of secondary resources are sometimes limited, while the need to reduce the environmental impact of cement is increasing. Among usable wastes, biomass ash would be an interesting resource to study further. Over the last few decades, in France as in Europe, the production of heat or electricity from coal combustion has been declining, while that from biomass calcination has been rising sharply. Ash is a mineral material containing fertilizing elements for plants (mainly potash, magnesium and lime), and 70% of it is used in agriculture as a soil improver. On the other hand, the composition of ash varies widely from one plant to another (mixed ash, sub-furnace ash, etc.), and the presence of metallic trace elements (zinc, copper, chromium or lead) prevents certain resources from being spread, so they are buried. The incorporation of biomass ash into cement raw meal (i.e. limestone and clay substitution) is not extensively explored in the scientific literature. However, some ashes are an important source of non-carbonated calcium and silicon, which can be used to substitute raw materials. By reducing the proportion of limestone in the raw meal (i.e. limiting decarbonation), CO2 emissions could be reduced. However, the trace metals, phosphorus and magnesium contained in biomass ash are known to potentially modify the composition and microstructure of clinker and the phases formed during cement hydration. For use as an addition (i.e. clinker substitution), there is already a relatively extensive literature on the technical and environmental interest of these ashes in cement-based materials, showing that their pozzolanic activity is interesting to a variable degree depending on their incorporation rate and nature. Indeed, a high proportion of certain ashes induces the presence of alkalis, sulfur or metals, which have a negative effect on setting, rheology, strength and, in the longer term, durability.
Profil du candidat
Le candidat recherché aura les compétences en science des matériaux : bonne connaissance des techniques de caractérisation physico-chimiques (DRX, ATG, MEB, etc.) notamment des matériaux du Génie Civil (mortier, béton…) ainsi que leurs comportements mécaniques. Il sera titulaire d'un master 2 en sciences des matériaux, chimie ou en génie civil.
Candidate profile
The successful candidate will have skills in materials science: good knowledge of physico-chemical characterization techniques (XRD, TGA, SEM, etc.), particularly for civil engineering materials (mortar, concrete, etc.) and their mechanical behavior. He/she will hold a Master 2 in materials science, chemistry or civil engineering.
Référence biblio
- M.Berra, T. Mangialardi, A. E. Paolini. (2015) Reuse of woody biomass fly ash in cement-based materials. Construction and Building Materials. 76, 286-296.
- Valorisation des cendres issues de la combustion de biomasse (2016). Revue des gisements et des procédés associés. Étude n°14-0913/1A. https://librairie.ademe.fr.
- Campagne d'analyses des cendres de chaufferies biomasse. Campagne de mesures 2018-2019. https://librairie.ademe.fr.
- L. Tosti, A. van Zomeren, J.R. Pels, R.N.J. Comans. (2021). Evaluating Biomass Ash Properties as Infuenced by Feedstock and Thermal Conversion Technology towards Cement Clinker Production with a Lower Carbon Footprint. Waste and Biomass Valorization, 12, 4703–471.
- H.F.W. Taylor. Cement chemistry. Book Series. January 1997.
- I. Carevic, A. Baricevic, N. Strimer, J. S. Bato (2020). Correlation between physical and chemical properties of wood biomass ash and cement composites performances. Construction and Building Materials. 256, 119450.