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Development of ecological concretes by recycling locally available by-products from the aluminum industry

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2022
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Les émissions élevées de carbone dues à la production de ciment sont l'un des problèmes les plus critiques pour la durabilité du béton. Au cours des dernières décennies, l'utilisation d'ajouts cimentaires (SCMs) dans le béton est devenue très courante pour produire un béton durable. En outre, la demande mondiale croissante d'infrastructures entraîne aujourd'hui une surexploitation des ressources naturelles. En raison de la disponibilité limitée et variables des SCMs dans les régions, il existe aujourd'hui un besoin urgent d'explorer des SCMs qui sont disponibles localement pour la production d'un béton durable. Chaque année, 1,5 million de tonnes de brasques usées (SPL) sont générées comme déchets par les fonderies d'aluminium primaire dans le monde. Après traitement, le SPL devient un matériau inerte, appelé LCLL-ash dans cette étude. Les LCLL-ash sont riches en aluminium et en silice, ce qui leur confère des caractéristiques pour remplacer le ciment dans le béton. Tout d'abord, les LCLL-ash sont broyées à la même taille que les particules de ciment. 10 à 20% en masse du ciment, composant la pâte de ciment, est remplacé par le LCLL-ash broyée. Une petite quantité d'anhydrite synthétique (autre sous-produit lié à l'industrie de l'aluminium) est également ajoutée dans certains mélanges. Comme pour les bétons conventionnels, les résultats présentés montrent que la LCLL-ash a, au début, un effet de nucléation et une faible réaction pouzzolanique, tandis que la LCLL-ash change les produits d'hydratation avec l'apparition d'une nouvelle phase AFm-CO₃ et la formation accrue d'ettringite par rapport à la pâte pure. Un niveau de remplacement optimisé de 10% de ciment a pu être atteint sans affecter les propriétés micromécaniques. Deuxièmement, une étude préliminaire sur l'effet de la LCLL-ash calcinée à haute température (800°C et 1000°C) sur l'hydratation des pâtes de ciment est réalisée. La partie du ciment remplacée par la LCLL-ash calcinée est de 20% en masse et le e/c est de 0.485. La LCLL-ash calcinée a changé les produits d'hydratation avec la formation de la phase AFm-CO₃ et retarde la vitesse d'hydratation du ciment. Cependant, la chaleur générée par l'hydratation et la teneur en hydrates dans le ciment LCLL-ash calciné sont inférieures à celles du ciment LCLL-ash. On peut conclure que la calcination n'a pas amélioré de manière significative la réaction pouzzolanique du ciment LCLL-ash. Ceci est probablement lié à l'hétérogénéité de la LCLL-ash, entraînant un changement de sa composition chimique. Troisièmement, pour mieux comprendre l'effet des fillers minéraux sur les mélanges de BFUP, nous avons mené une campagne expérimentale large et complète au niveau de la pâte de ciment et du béton. Le ciment a été remplacé par des fillers minéraux issus de l'industrie de la pierre (poudre de granite, poudre de calcaire) et post-consommés (poudre de verre) qui sont disponibles localement au Québec. Les résultats obtenus permettent une meilleure compréhension de l'effet du remplacement du ciment Portland et de la fumée de silice par 10-40% de charges minérales sur les propriétés à l'état frais du béton, la cinétique d'hydratation, le retrait endogène et les propriétés mécaniques. L'effet du remplacement du liant par des fillers minéraux a également été vérifié à l'échelle du BFUP. Enfin, une formule LCLL-BFUP a été développée avec succès en optimisant la densité de compaction du mélange sur la base du modèle de compaction des particules (CIPM). La substitution du ciment parla LCLL-ash était de 6% et 12% de la masse. Les résultats montrent que la LCLL-ash retarde le pic d'hydratation maximum du clinker par rapport au mélange de référence. Cependant, la LCLL-ash aide à diminuer le retrait endogène, réduisant ainsi les fissures précoces. De plus, la substitution jusqu'à 12% de la masse du ciment par de la LCLL-ash est possible pour produire un BFUP répondant aux exigences de la norme canadienne (120 MPa). De plus, le mélange de BFUP développé a une teneur en ciment inférieure à 550 kg/m³, ce qui permet de réduire le coût et les émissions de CO₂ du BFUP.
The high carbon emissions due to cement production is one of the most critical issues for fostering concrete sustainability. In the last decades, supplementary cementitious materials (SCMs) in concrete have become very common to produce sustainable concrete. Moreover, today, the growing worldwide demand for infrastructures is causing over-exploited natural material sources. Concerned by the limited availability of SCMs and their regional variation, there is today an urgent need for exploration of alternative SCMs which are locally available in the production of durable concrete. Every year 1.5 million tons of spent pot lining (SPL) are generated as waste from the primary aluminum smelters worldwide. After treatment, SPL becomes an inert material called LCLL-ash in this study. LCLL-ash is rich in aluminum and silica content which will be a potential property to replace cement in concrete. Firstly, ground LCLL-ash as the fineness of cement is replaced cement partially on the paste systems at 10 and 20% wt. A small amount of synthetic anhydrite (other by-products related to the aluminum industry) is also added in some mixes. As for normal concretes, the presented results show that LCLL-ash has a nucleation effect and low pozzolanic reaction at an early age, whereas LCLL-ash changes the hydration products with the presence of AFm-CO₃ and more ettringite compared to the neat paste. An optimized replacement level of 10% cement could be achieved without affecting the micromechanical properties. Secondly, a preliminary study on the effect of calcined LCLL-ash at high temperatures (800°C and 1000°C) on the hydration of cement pastes is carried out. The replacement cement by grind-(calcined) LCLL-ash is 20% wt. and w/b of 0.485. Calcined LCLL-ash has changed the hydration production with the formation of the AFm-CO₃ phase and delays the hydration of cement. However, the heat of hydration and the hydrates content in calcined LCLL-cement are lower than that of LCLL-cement. It can conclude that calcination did not significantly improve the pozzolanic reaction of LCLL-ash. This is possibly related to the heterogeneity of LCLL-ash, leading to changing its chemical composition. Thirdly, to better understand the effect of mineral fillers on UHPC mixtures, we carried out a wide and comprehensive experimental campaign at the cement paste and concrete scales. In particular, cement was replaced by mineral fillers from the stone industry (granite powder, limestone powder) and post-consumer (glass powder) which are locally available in Quebec. The presented results show a better understanding of the effect of replacing Portland cement and silica fume with 10-40% of mineral fillers on fresh concrete properties, hydration kinetics, autogenous shrinkage, and mechanical properties. The effect of replacing binders by mineral fillers was also verified at the UHPC scale. Finally, an LCLL-UHPC formulation was successfully developed by optimizing the packing density of the mixture based on the compaction-interaction packing model (CIPM). The substitution of cement by LCLL-ash was 6% and 12% wt. The result shows that LCLL-ash delays the maximum hydration peak of clinker compared to the reference mix. However, LCLL-ash helps decrease the autogenous shrinkage, reducing the early-age cracking. Moreover, the substitution of up to 12% wt. of cement by LCLL-ash is possible to produce UHPC to meet the requirement of Canadian standard UHPC (120 MPa). Furthermore, the developed UHPC mixture has a cement content of less than 550 kg/m³, resulting in lower cost and embodied CO₂ emission of UHPC.
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thèse de doctorat