bols vitrés sur une étagère

Utilisation de poudres de verre en milieu industriel: bref aperçu

Introduction au verre et aux poudres de verre

Tout simplement, une poudre de verre (verre moulu) est une poudre d'un verre. Mais ses propriétés ne proviennent pas principalement de la taille de mouture, mais de l'identité du verre lui-même. Un verre est un matériau solide, non cristallin, typiquement transparent, amorphe (ce qui signifie qu'il manque d'ordre à longue portée dans la phase solide). Le type de verre le plus commun est le verre de soude-lime, qui se compose principalement de dioxyde de silicium, SiO2, avec des oxydes de sodium, l'oxyde de calcium et l'alumine. D'autres composants mineurs sont ajoutés aux propriétés de réglage fin pour rendre le soda-lime approprié pour une utilisation comme verre de plaque ou comme verre de récipient.

Une source à grande échelle de verre moulu provient des eaux de traitement des déchets et du recyclage municipales. Le verre, généralement les bouteilles, sont collectés et finement broyés pour une utilisation ou un traitement ultérieur. La plupart des verres en poudre proviennent du verre usagé, puis broyés. Cela en fait une ressource plus rentable. Il existe cependant des produits en verre moulu qui proviennent de nouveaux contenants en verre ou de rejet pour des applications spécialisées. On estime que plus de 200 millions de tonnes de déchets de verre sont envoyées aux sites d'enfouissement chaque année (1). Cela a toutefois changé de façon spectaculaire ces derniers temps en raison de nombreuses applications uniques que le verre peut remplir.

béton avec mélange de poudre de verre étant versé
dalles de béton pré moulées faites avec le mélange de poudre en verre

Poudres de verre et béton

Le béton est un matériau de construction omniprésent, essentiel à la construction de routes, de ponts et de bâtiments. Il est composé d'agrégats qui sont mélangés avec un ciment, généralement du ciment Portland, et de l'eau. Le ciment et l'eau réagissent ensemble formant une matrice dure qui se lie ensemble et l'agrégat, produisant une substance de pierre-comme.

Des additifs peuvent être inclus dans la boue de béton pour changer les propriétés de la dalle de béton finale. Des plastifiants peuvent être ajoutés, par exemple, qui ralentissent le durcissement du béton en réduisant le rapport eau-ciment requis, tout en maintenant sa décroissance. La résistance du béton fini est plus grande avec une teneur en eau plus faible.

Une autre classe de composés couramment utilisés comme additifs de béton sont les pozzolans - un groupe de siliceous et / ou alumineux qui peut réagir dans l'eau avec de l'hydroxyde de calcium (présent dans le ciment) pour produire un matériau avec des propriétés semblables au béton. L'inclusion de pozzolans dans le mélange de béton a de nombreux avantages; pozzolans peut être moins cher que le ciment Portland et ainsi réduire le fardeau financier global dans la fabrication, ils peuvent augmenter la durabilité et la longévité du béton fini, et leur inclusion au détriment d'une partie du ciment Portland réduit le charge environnementale associée à la production de ciment Portland en premier lieu. Il convient de noter, cependant, que les pozzolans ne peuvent pas remplacer tout le ciment Portland dans un mélange de béton en raison de l'exigence d'hydroxyde de calcium. En outre, certains pozzolans peuvent offrir le béton fini d'autres propriétés telles que la force globale, et une résistance accrue aux composés nocifs. Le verre de soude-lime moulu, comme silicate, peut être employé comme pozzolan.

béton étant coulé de la machine

Pourquoi du verre dépoli?

La recherche sur l'incorporation du verre moulu remonte à des décennies, bien que la plupart des exemples pertinents soient assez récents - stimulés par le désir croissant de réduire les coûts et d'accroître la stabilité environnementale(2). Des études contemporaines ont montré que l'inclusion de verre usagé d'une taille de broyage inférieure à 10 microns peut être ajoutée au béton sans causer de préjudice à la résistance ou à la durabilité(3). Une étude de 2006 s'est penchée sur la performance des mélanges de tailles de mouture (poudre/10 microns, broyage fin/0,15-0,3 mm et broyage grossier/0,6-2,36 mm) dans un mélange de ciment de 40 MPa. Les auteurs ont rapporté de bonnes performances avec tous les mélanges atteignant ou dépassant le seuil de force de 40 MPa dans les 404 jours(4). Ils notent que la résistance et la durabilité du béton résultant ont augmenté dans certains cas à 55 MPa en dépit de la réduction globale de la teneur en ciment de 30 - attribuant cela à une puissante réaction pozzolanique entre le verre moulu et le ciment.

briques de béton
dalles de béton qui pourraient être faites à l'aide d'additif en poudre de verre

En utilisant du verre de chaux de soude moulu pour remplacer une partie du ciment et de l'agrégat dans un mélange, aucune propriété préjudiciable n'est observée dans la production de béton auto-nivellement(5), bien que l'auteur ait noté qu'un changement modéré du rapport eau/poudre était nécessaire dans l'application d'auto-niveau, avec une incorporation globale de jusqu'à 104 kg/m3 de verre moulu.

D'autres études ont mis en évidence les 30 « sweet spot » de l'inclusion du verre moulu dans les mélanges de béton. Comparé au béton fait avec la cendre de mouche, le béton contenant le verre moulu a eu les propriétés à long terme comparables de résistance ; par rapport au béton fait avec des pozzolans naturels, il était plus fort. En outre, aucune dégradation n'a été observée après sept ans immergé dans l'eau, et la résistance à l'attaque de chlorure et de sulfate a été améliorée par rapport aux cendres volantes et aux pozzolans naturels(6).

Considérations sur l'utilisation de verre dépoli dans le béton

Dans l'ensemble, les avantages de l'utilisation du verre moulu comme additif dans le béton l'emportent de loin sur les inconvénients. Il a été rapporté que l'activité pozzolanique globale du verre moulu est liée au degré d'hydratation de la poudre de verre, donc dépendante de sa surface. En général, une taille de mouture plus fine est préférable pour obtenir un remplacement optimal du ciment(7). La principale limitation à l'utilisation du verre moulu dans la fabrication du béton est la réaction alcalin-silica, qui est lorsque les ions hydroxyles dans le ciment qui peuvent réagir avec la silice du verre en présence d'eau(8). L'effet net de cette réaction est la production d'un gel, «in situ » qui absorbe l'eau, puis la houle, provoquant des fissures dans le béton. L'atténuation consiste à utiliser des tailles de broyage appropriées de verre(9), l'étanchéité du béton comme il guérit pour éliminer l'eau atmosphérique et d'utiliser de petites quantités d'autres / ponzolans naturels ou de cendres volantes(10). Il est à noter que la réaction alcalin-silica peut également être vu dans le béton conventionnel(11).

béton coulé

Glaçures

Les glaçures en céramique sont une utilisation courante de composés de type silice. Un glaçage se compose d'un plastique, d'un non-plastique et d'additifs. Parmi les non-plastiques, il s'agit principalement d'oxydes, aux côtés des pigments, du feldspath et des frits, qui sont également de type silice(12). Une étude récente a montré l'utilisation de verre en poudre recyclé (dans ce cas des téléviseurs cathodiques de tube de rayon) comme composant d'oxyde dans les glaçures en céramique(13). Les glaçures en céramique produites ont également fonctionné aussi bien que leurs homologues commerciaux, avec une résistance chimique particulièrement bonne ; en plus de fournir une utilisation bienvenue pour les déchets de verre.

poterie colorée vitrée
pots en terre cuite vitrés

Matériaux réfractaires

Un matériau réfractaire est un composé résistant à la chaleur, mais qui a aussi de fortes propriétés thermochimiques et mécaniques, et des niveaux élevés de résistance à la corrosion. Pour cette raison, les matériaux réfractaires sont utilisés pour tapisser les réacteurs dans les procédés industriels, et en particulier dans la production de fer et d'acier - ce secteur utilise à lui seul 70 de l'offre mondiale de réfractaires(14). Les réfractaires sont généralement des matériaux d'oxyde et tombent dans des classifications basées sur leur composition; acide, basique, oxyde-carbone ou spécialisé. Dans le cas du verre moulu, il agit comme un source de matière réfractaire acide, en raison de sa composante principale étant la silice. Un matériau réfractaire sera généralement formé en forme de bloc, dont plusieurs peuvent être reliés entre eux à l'aide d'un liant. La silice est, en raison de son point de fusion élevé, le plus populaire des oxydes réfractaires(15). Des matériaux tels que la silice, l'alumine et d'autres se produisent naturellement. Le verre moulu est une bonne source de silice, mais le verre moulu contient aussi d'autres composants. Les matériaux réfractaires sont produits par un processus séquentiel : traitement des matières premières, formation puis cuisson. La brique de feu est un excellent exemple d'un matériau réfractaire contenant de la silice, connu pour sa résistance incroyablement élevée à la température, il se trouve dans les fours sidérurgiques et a contenu le verre moulu(16) comme un composant majeur.

métal fondu étant versé dans des moules faits avec des sables de remplissage
métal fondu étant versé

Verre dépoli et amélioration des sols

Des études ont montré que l'introduction de 75 microns de verre moulu dans les sols de type argile peut augmenter les propriétés techniques du sol. Par exemple, l'incorporation de 12 verres de soude-lime moulus a quintuplé les valeurs d'enflure, a multiplié le ratio de roulement de la Californie (une mesure de la dureté utilisée pour déterminer l'adéquation du sous-sol avant la pose de la route) et a augmenté sa résistance compressive ( 17). Un tel ajout pourrait réduire la nécessité de renforcer fortement les sous-sols routiers ou ferroviaires dans les zones où les sols de type argile. L'ajout de verre moulu est ajouté en raison de sa nature matériel sans cohésion, et dans une étude a diminué la compressibilité du sol argileux de plus de 50(18). L'amélioration du sol par l'ajout de verre moulu peut prévenir les dommages au bâtiment pendant les périodes de changement saisonnier de température(19).

main tenant un peu de sol

Autres applications

Le verre en poudre et la poussière de calcaire sont des déchets de plusieurs procédés industriels à travers le monde, et la nécessité de les traiter sans les envoyer à la décharge est une priorité. Une étude montre qu'avec l'ajout d'une petite quantité de ciment Portland, avec de la poussière de calcaire et du verre en poudre peut produire un nouveau type de brique. La nouvelle brique est manufacturable sans avoir besoin de tirer dans un four, et affiche des propriétés similaires aux briques de béton contemporaines. Il est à noter que le verre en poudre améliore la résistance compressive/flexurale, la résistance à l'abrasion et la conductivité thermique de la brique - tout en maintenant la compétitivité économique(20). Dans la fabrication traditionnelle de briques de type argile, l'ajout de 2,5 à 10 par masse 20 micron verre moulu a été montré pour diminuer les pertes de fabrication et d'augmenter la force de 20 MPa à 29 MPa - en raison du verre moulu remplissant les pores internes de l'argile avec un ph vitreux ase pendant le tir(21).

De la production de verre de plaque, par exemple pour l'utilisation dans les fenêtres, la poudre de verre est un produit de rect. Des chercheurs brésiliens ont démontré la capacité de ce verre moulu à être utilisé dans les produits d'isolation, comme un remplissage d'amélioration dans les produits de type fibre de verre(22). D'autres applications en tant que composant dans le stockage de la chaleur ont été étudiées, avec 150 microns verre moulu utilisé comme un support pour n-octadène dans un insolateur de type matériau de changement de phase imprégnée de vide à l'intérieur des murs des bâtiments. L'utilisation de verre moulu a empêché la fuite du n-octadène pendant la transition de phase(23).

produits de sable pour le processus de coulée fait avec de la poudre de verre
noyaux de moules

Sommaire

  • Le verre moulu est une source principale de silice, qui se trouve être incroyablement peu coûteux car il est souvent source comme un produit de rechet - et est largement utilisé
  • Il a trouvé l'utilisation dans la production de béton, remplaçant une partie du ciment, à son tour rendant la fabrication moins dommageable pour l'environnement et offrant les propriétés améliorées de béton
  • D'autres utilisations incluent dans les applications réfractaires (où sa tolérance à haute température est salutaire) dans les glaçures, dans l'isolation de bâtiment, l'amélioration du sol et dans la fabrication de briques
  • Beaucoup de ses applications sont particulièrement bénéfiques car elles peuvent détourner de grandes quantités de verre des sites d'enfouissement

Références

1 I. B. Topçu et M. Canbaz, C'est Cem. C'est concr. Res., 2004, 34, 267

2 Y. Jiang et coll., J. Env. Manag Manag., 2019, 242, 440

3 A. Shayan et A. Xu, C'est Cem. C'est concr. Res., 2004, 34, 81

4 A. Shayan et A. Xu, C'est Cem. C'est concr. Res., 2006, 36, 457

5 M. Liu, C'est Constr. Construire. Tapis., 2011, 25, 919

6 M. Carsana et coll., C'est Cem. C'est concr. Res., 2014, 45, 39

7 M. Mirzahosseini et K. A. Riding, C'est Cem. C'est concr. Comps., 2015, 56, 95

8 K. Afshinnia et P. Rangaraju, C'est Constr. Construire. Tapis., 2015, 81, 257

9 M. Cyr et coll., C'est Constr. Construire. Tapis., 2010, 24, 1309

10 N. Schwartz et coll., C'est Cem. C'est concr. Compos (Compos)., 2008, 30, 486

11 C. Meyer, N. Egosi et C. Andela, Concrete with Waste Glass as Aggregate, dans le Symposium international sur la technologie du béton de l'ASCE et de l'Université de Dundee, Dundee, Royaume-Uni, 2001

12 K. Bonk et coll., Tile Brick, 1992, 1, 14

13 F. Andreola et coll., J. Eur. Soc en céramique., 2007, 27, 1623

14 A. M. Garbers-Craig, J. S. Afr. Inst. Métallurgie minière, 2008, 108, 1

15 G. Almarahle, Suis. J. Appl. Sci., 2005, 2, 465

16 Us Patent US1341510A, 1920, expiré

17 H. Canacki et coll., Procedia Eng., 2016, 161, 600

18 M. Nuruzzaman et M. A. Hossain, Glob. J. Res. Eng. E, 2014, 14, 17

19 Y. Mawlood et coll., Int. J. Geotech. Eng., 2019, DOI: 10.1080/19386362.2019.1647644

20 P. Turgut, Matériaux et Structures, 2008, 41, 805

21 I. Demir, Gestion des déchets. Res., 2009, 27, 572

22 A. C. P. Galvao et coll., Cerâmica, 2015, 61, 367

23 S. A. Memon et coll., Energy Build, 2013, 66, 405

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