Utilisation des poudres de verre en milieu industriel : un bref aperçu

La poudre de verre est un matériau aux utilisations pléthores et est disponible dans presque toutes les tailles de mouture imaginables de la pegmatite africaine - le partenaire industriel incontournable pour un large éventail de minéraux. réfractaires et granulats.

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).

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 le 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).

Il convient de noter le concept d’utilisation de pouzzolanes mélangées dans la fabrication du béton - c’est-à-dire lorsque le verre peut être utilisé comme pouzzolane aux côtés d’autres matériaux contemporains - ce qui peut entraîner des propriétés améliorées à long terme. Des recherches ont montré que l’utilisation d’un mélange de pouzzolane peut produire un béton qui, après 28 jours, est beaucoup plus résistant à l’attaque des sulfates et à la pénétration des ions chlorure(7).

Une autre raison pour laquelle le verre dépoli est utilisé dans le ciment est qu’il s’agit d’un matériau vitreux. Ces matériaux sont connus pour leur absence de défauts structurels et ce sont ceux-ci qui conduisent à une interaction de qualité supérieure entre le ciment et le liant(8). Sans des structures cristallines aussi bien définies et pures, le verre dépoli ne serait sans doute pas un concurrent dans ce domaine.

Considérations sur l’utilisation du 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(9). La principale limite à l’utilisation du verre dépoli dans la fabrication du béton est la réaction alcali-silice, c’est-à-dire lorsque les ions hydroxyle dans le ciment peuvent réagir avec la silice du verre en présence d’eau(10). L’effet net de cette réaction est la production d’un gel in situ qui absorbe l’eau, puis gonfle, provoquant des fissures dans le béton. Le gel est formé en raison d’une interface faible permettant la réaction(11). L’atténuation consiste à utiliser des tailles de broyage appropriées du verre(12), à sceller le béton pendant qu’il durcit pour éliminer l’eau atmosphérique et à utiliser de petites quantités de pouzzolanes ou de cendres volantes autres ou naturelles ou naturelles(13). Par conséquent, en règle générale, le verre dépoli ne doit pas être utilisé systématiquement comme agrégat(14). Il est à noter que la réaction alcali-silice peut également être observée dans le béton conventionnel(15). Verre dépoli pouvoir Cependant, même à une taille de meulage de 850 μm, la maniabilité du béton n’est pas aussi bonne, mais peut être corrigée par l’ajout de plus de pâte, bien que cela puisse conduire à une modulation indésirable des propriétés de densité et de résistance(16).

Dans le cas du ciment alumine, les effets de l’ajout de verre dépoli ne sont pas aussi nets que pour le ciment conventionnel. Des recherches ont montré que l’inclusion de verre dépoli dans le ciment d’alumine peut entraîner une augmentation de la densité tout en augmentant la résistance de la pâte et du mortier - mais ces avantages sont perdus à des températures élevées - et dans l’ensemble, l’ajout de verre dépend beaucoup de l’alumine elle-même (17). Étant donné que le ciment à haute luminosité est plus adapté à des applications spécialisées et qu’il est donc moins utilisé que le ciment conventionnel, le besoin de verre dépoli pour des raisons économiques et environnementales est moins prononcé.

béton coulé

Poudres de verre dans le ciment réfractaire

Le ciment réfractaire est un ciment conçu pour fonctionner à des températures plus élevées que le ciment ordinaire. Pour ce faire, une partie ou la totalité du ciment Portland est remplacée par divers aluminates de calcium(18), un additif populaire étant le calcin de verre dépoli. En plus des effets pouzzolaniques susmentionnés, l’ajout de verre dépoli au ciment réfractaire réduit la dilatation alcali-silice(19). La recherche montre que lorsque le verre dépoli a été pulvérisé à moins de 75 μm de diamètre, le phénomène de dilatation alcali-silice ne se produit pas alors que la durabilité du béton réfractaire final est améliorée. De plus, l’utilisation d’une plus grande quantité de verre recyclé dans la production permet de réduire les coûts environnementaux(20). La recherche a également montré que l’augmentation de la teneur en verre est associée à une augmentation de la densité apparente et des propriétés de résistance à la compression, tandis que le retrait pendant la cuisson diminue(21) lors de l’utilisation de ciment réfractaire pour former des briques réfractaires.

Mélanges de carbure et de chaux

Le béton et l’asphalte sont deux matériaux souvent considérés l’un à côté de l’autre, notamment lorsqu’il s’agit de routes, de chemins et de pistes cyclables. Il n’est pas surprenant que des analogues en béton soient en cours de développement qui utilisent de l’asphalte recyclé récupéré provenant d’anciennes installations routières. Ce vieil asphalte est broyé et mélangé avec de la chaux au carbure (un sous-produit de la production d’acétylène) comme agent de cimentation. Comme pour le béton, une pouzzolane est nécessaire et se présente sous la forme de verre dépoli(22). L’utilisation conjointe de ces trois matériaux recyclés/sous-produits peut produire un matériau suffisamment dur et durable semblable au béton, le tout dans le respect de l’environnement. Lors d’essais similaires avec différents matériaux d’agrégats, mais avec la même configuration de chaux au carbure et de verre dépoli, il a été constaté que la durabilité globale était fonction de la quantité de verre dépoli ajouté(23). Des quantités plus élevées de verre dépoli (jusqu’à 30 % en poids) entraînent des indices de porosité/teneur en liant plus faibles et, par conséquent, des valeurs de résistance à la compression plus élevées pour plusieurs types et distributions de broyage.

Autres aspects concrets

Bien qu’il module la densité globale du béton lorsqu’il est utilisé comme liant et/ou pouzzolane, le verre dépoli peut être très efficace dans la production de béton cellulaire, un matériau populaire lorsqu’il n’est pas disponible ou nécessaire pour une charge de poids importante. Le verre dépoli d’une surface comprise entre 500 et 550 m2 kg-1 est idéal, et la taille globale des particules ne doit pas être incroyablement faible, car cela augmente la densité et peut entraîner des pertes de résistance dans ce type de béton en raison de la faiblesse des cloisons interpores(24).

Contribuant à l’amélioration de la performance environnementale, le verre dépoli peut remplacer la majorité du sable de silice utilisé lorsque le ciment lui-même est remplacé en grande quantité par des scories de four à arc électrique(25). Le matériau final se compare favorablement au béton conventionnel.

Glaçures et céramiques

En raison de ses bonnes performances à température modérée à élevée, les poudres de verre sont utilisées dans la fabrication de céramiques et d’émaux :

Glaçures

Les glaçures céramiques sont une utilisation courante des 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, ainsi que de pigments, de feldspath et de frittes, qui sont également de nature silice(26). Une étude récente a montré l’utilisation de
verre en poudre recyclé
(dans ce cas, provenant de téléviseurs à tube cathodique) comme composant oxyde dans les glaçures céramiques(27). 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

Céramique

La production à grande échelle de
céramiques
est un domaine qui est constamment à la recherche de moyens d’utiliser moins de minéraux plus coûteux tels que le kaolin, et aux côtés du kaolin et de l’argile, le verre dépoli peut être ajouté à un mélange céramique, ce qui rend la céramique plus tolérante aux changements rapides de température ou aux chocs(28) - tout en ayant une résistance chimique supérieure(29). Les céramiques synthétiques de wollastonite peuvent être formées lorsque le kaolin, l’argile et le verre dépoli sont combinés - et cela peut être utilisé dans une application d’isolation en laine de roche(30).

Le grès est connu pour sa capacité à tolérer des niveaux élevés de verre dépoli, la dureté et la résistance à la flexion étant comparables à celles de la porcelaine, tout en frittant à 1 000 °C. À l’instar de l’effet pouzzolanique dans les ciments, les chercheurs ont proposé que l’augmentation de la résistance soit due à un réseau d’interactions plus développé entre le verre et l’argile à travers plusieurs phases cristallines(31). Les frittes peuvent être produites à partir de verre dépoli recyclé et, lorsqu’elles sont combinées avec des boues céramiques, des engobes peuvent se former qui peuvent ensuite être utilisées dans des produits de carrelage très stables thermiquement(32). Les engobes sont des couches de matériaux à base d’argile déposées à la surface d’une céramique pour améliorer les propriétés mécaniques.

L’un des avantages clés et distincts de l’utilisation du verre dépoli dans la production de céramique est qu’il se comporte comme un flux dans le processus de fabrication, réduisant ainsi la température de fusion et donc les besoins en énergie nécessaires, ce qui représente des économies de temps et d’argent.

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. C’est pour cette raison que les matériaux réfractaires sont utilisés pour revêtir les réacteurs dans les processus 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(33). Les réfractaires sont généralement des matériaux oxydés et entrent dans des classifications basées sur leur composition ; acides, basiques, oxydés de carbone ou « spécialisés ». Dans le cas du verre dépoli, il agit comme une source de matériau réfractaire acide, car son composant principal est 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(34). 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 réfractaire est un excellent exemple de matériau réfractaire contenant de la silice, réputé pour sa résistance incroyablement élevée à la température, on le trouve dans les fours sidérurgiques et contient du verre dépoli (35) comme composant majeur.

Verre dépoli et amélioration du sol

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 verre sodocalcique broyé à 12 % a permis de diviser par cinq les valeurs de gonflement, d’augmenter le rapport de portance californien (une mesure de la dureté utilisée pour déterminer l’aptitude de la plate-forme avant la pose de la route) et d’augmenter sa résistance à la compression(36). 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 dépoli est ajouté en raison de sa nature de matériau sans cohésion et, dans une étude, a diminué la compressibilité du sol de type argileux de plus de 50%(37). L’amélioration du sol par l’ajout de verre dépoli peut prévenir les dommages aux bâtiments pendant les périodes de changement saisonnier de température(38).

Poudre de verre dans les scénarios fibreux

Un cas d’utilisation souvent négligé du verre dépoli est un matériau source de premier ordre pour la fabrication de matériaux de type fibre de verre. Non seulement l’utilisation de verre dépoli et/ou de calcin fournit une source peu coûteuse et fiable de matière première en verre, mais les résultats de l’utilisation du verre dépoli sont les mêmes que si un fabricant fabriquait le produit à partir de sable frais ou de silice. Les produits en fibre de verre sont généralement utilisés pour l’isolation.

Laine minérale

La laine minérale - également connue sous le nom de laine de roche - est un produit fibreux formé à partir de la fusion de matériaux naturels et une source de silice qui est ensuite soumise à la filature et au séchage (semblable à la barbe à papa) jusqu’à ce qu’un matériau semblable à de la laine soit formé. Parmi les matériaux naturels, on utilise des roches ignées comme le basalte et des roches sédimentaires comme le calcaire. En outre, d’autres matériaux avec des points de fusion plus bas sont utilisés en quantités allant jusqu’à 30 % en poids, le matériau restant étant des résines (comme liants) et de l’huile minérale pour éviter le collage.

Parmi ces « autres » matériaux, un additif de plus en plus courant est la poudre de verre broyé(39), qui est souvent associée à l’abaissement de la température de fusion globale requise, c’est-à-dire qu’elle se comporte comme un flux(40). Non seulement l’utilisation de verre dépoli réduit les dépenses - à la fois en réduisant les coûts de matériaux et de chauffage - mais les rapports suggèrent que l’ajout de verre dépoli peut conduire à une dimension supplémentaire de résistance, ce qui donne ainsi lieu à une plus grande durabilité dans le temps(41).

Fibre de verre

La fibre de verre est formée en prenant un verre liquide qui a été produit en chauffant du sable à environ 1 500 °C, puis en le forçant à travers un maillage fin par la force centripète, à quel point le verre fondu refroidit et se solidifie au contact de l’air. Des liants sont ajoutés pour agglomérer et coller les brins de fibres ensemble et ajouter une résistance mécanique supplémentaire. Des diamètres de fibres plus fins peuvent être obtenus en utilisant des vitesses de filage plus rapides(42), les fibres et les liants résultants étant chauffés pour induire la polymérisation, emprisonnant ainsi l’air dans le processus. Les compositions typiques contiennent environ 70 % en poids de fibres de verre, env. 0,5 à 0,7 % de résine et 0,5 % d’huile minérale pour éviter qu’ils ne collent. Le bilan massique est complété par du quartz et du calcaire(43). La fibre de verre moderne fabriquée à partir de calcin de verre dépoli a des performances égales à celles de la silice fraîche(44) - mais avec l’avantage supplémentaire de détourner les déchets des sites d’enfouissement et de nécessiter moins d’énergie pour chauffer(45). Cela n’est pas seulement dû à la température de fusion plus basse du calcin, mais aussi à sa capacité à se comporter comme un flux. Les fibres isotropes sont produites avec de la fibre de verre produite à partir de calcin, c’est-à-dire que les caractéristiques de dilatation thermique sont les mêmes dans toutes les directions(46). La résistance mécanique est indépendante de la température.

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

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 à la compression/flexion, la résistance à l’abrasion et la conductivité thermique de la brique - tout en maintenant la compétitivité économique(47). Dans la fabrication traditionnelle de briques de type argile, il a été démontré que l’ajout de 2,5 à 10 % en masse de verre dépoli de 20 microns diminue les pertes de fabrication et augmente la résistance de 20 MPa à 29 MPa - en raison du verre dépoli remplissant les pores internes de l’argile avec une phase vitreuse pendant la cuisson(48).

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 dépoli à être utilisé dans des produits d’isolation, comme charge d’amélioration dans les produits de type fibre de verre(49). 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 dépoli a empêché la fuite du n-octadiène pendant la transition de phase(50).

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

Résumé

  • 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
  • L’utilisation de verre dépoli peut être utile pour l’environnement et peut ajouter une résistance aux attaques chimiques
  • Le verre dépoli est un additif intéressant dans la production de ciment réfractaire, d’émaux pour la céramique et même de céramique elle-même
  • Les matériaux en verre fibreux peuvent utiliser des quantités modérées à importantes de calcin au lieu de matériaux vierges, ce qui permet de réaliser des économies substantielles et d’améliorer certaines performances
  • 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

Le calcin de verre dépoli est un produit attrayant pour une variété d’utilisations et est disponible auprès
d’African Pegmatite
, l’un des principaux fournisseurs de produits en verre, de réfractaires, de minéraux et plus encore. Le calcin de verre dépoli offre la plus large applicabilité, égalant ou dépassant souvent les performances de la silice vierge ou du verre frais dans une gamme de cas d’utilisation, tout en étant une alternative durable sur le plan environnemental.

glass_powder

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