Aluminate de calcium

L'aluminate de calcium est souvent utilisé dans les bétons pour lesquels on recherche un développement rapide de la résistance, ainsi que pour améliorer la résistance à la corrosion, à l'abrasion et à la chaleur.

Des liants spéciaux à base de ce matériau sont fabriqués pour être utilisés dans les domaines de la chimie du bâtiment, des matériaux réfractaires et des travaux de construction. Ils présentent une excellente résistance à la corrosion (en particulier aux attaques sulfatées), à l'abrasion et aux températures élevées, tout en offrant des propriétés de prise rapide.

Utilisations

Le calcium est un composant essentiel de nombreux produits chimiques industriels et de construction, allant de la fabrication du mortier de construction et du ciment à la production de produits chimiques pour le bâtiment et de matériaux réfractaires. Le calcium présente également des propriétés uniques lorsqu’il est utilisé comme liant spécialisé dans des applications spécifiques : sa résistance à la corrosion, à l’abrasion et à la chaleur, associée à des temps de prise rapides, en font un composant exceptionnel à bien des égards.

Les ciments à base d'aluminate de calcium, spécialement conçus pour les applications liées au traitement des eaux usées, constituent un exemple de matériaux haute performance utilisés dans ce domaine. Ces applications exigent généralement un béton capable de résister à la production d'acide (due à l'activité bactérienne) et à l'abrasion.

Les ciments à base d'aluminate de calcium peuvent être fabriqués à l'aide de diverses techniques de mélange. L'une des formules permettant de réaliser un mélange de ciment à base d'aluminate de calcium consiste à mélanger du ciment Portland, du laitier, un matériau calcaire léger et des adjuvants pour une utilisation dans les 24 heures, ce qui permet d'obtenir une méthode de réparation économique offrant une prise de résistance rapide.

De plus, les ciments spécialisés offrent d’autres avantages lorsqu’ils sont utilisés dans des environnements à haute température où un ciment classique se dégraderait rapidement. C'est leur teneur en aluminate qui détermine leur capacité à résister à de tels environnements ; les produits contenant au moins 40% d'alumine (Isidac40 ou Recipro50, par exemple) se sont révélés stables jusqu'à des températures de 1 450 °C.

Le ciment Portland de type V contient une faible concentration d'aluminate de calcium afin d'accroître sa résistance aux attaques sulfatées, ce qui le rend particulièrement adapté lorsqu'il est utilisé comme revêtement de tablier de pont soumis à un trafic intense ou à des charges importantes.

Il convient de noter que les ciments spécialisés doivent être correctement mis en œuvre pour offrir des performances optimales, en recourant à diverses techniques de mise en œuvre telles que la pulvérisation d'eau, la brume d'eau, l'eau stagnante ou la toile de jute humide. De plus, le béton doit être coulé et nivelé de la même manière que le béton au ciment Portland, puis vibré mécaniquement pendant au moins 10 minutes afin de garantir un compactage homogène et des performances satisfaisantes.

Caractéristiques

Les propriétés du ciment d'aluminate de calcium varient considérablement en fonction de leur teneur en alumine. Les produits à forte teneur en alumine présentent souvent une meilleure résistance à la corrosion que ceux qui en contiennent moins. Une teneur élevée améliore également la résistance à la rétention à haute température. Toutefois, tout ajout supplémentaire d’alumine doit être limité au strict minimum, car des quantités excessives peuvent affecter la vitesse de formation de l’oxyde de calcium (CaO) au cours des processus d’hydratation.

L'aluminate de calcium, connu sous le nom d'aluminate de calcium, présente une structure alcaline et résiste donc bien à l'acidité, ce qui le rend adapté à une utilisation comme revêtement intérieur de canalisations et comme enduit dans les réseaux d'assainissement. De plus, il est souvent utilisé comme mortier de réparation dans des zones exposées à des environnements acides, telles que les élevages de poulets, les usines de cuir et d'autres sites industriels.

L'aluminate de calcium se présente sous différentes formes, allant de la poudre aux granulés, en passant par la poudre. American Elements propose l'aluminate de calcium dans ces formats au sein de ses gammes standard destinées à la fabrication, le cas échéant : qualité Mil Spec/réactif ACS et qualité technique, qualité alimentaire/agricole/pharmaceutique, ainsi que qualité USP/EPBP (Pharmacopée européenne/Pharmacopée britannique).

La production d'aluminate de calcium repose généralement sur deux procédés principaux : le frittage et la fusion. Les applications dans le domaine des eaux usées font souvent appel à des ciments à base d'aluminate de calcium fabriqués selon ce dernier procédé ; dans ce procédé, les matières premières sont introduites de manière proportionnée dans un four avant d'être fusionnées pour former le clinker qui sera ensuite broyé en granulats de différentes granulométries.

Le clinker est ensuite mélangé à d’autres matières premières pour former des produits en béton à base d’aluminate de calcium, les plus courants étant ceux dont la teneur en alumine est d’au moins 40 % ; les produits dont la teneur est inférieure, par exemple 20 %, peuvent ne pas offrir une résistance à la corrosion et des taux de développement de la résistance initiale aussi efficaces.

Ces produits se caractérisent par une forte teneur en alumine, ce qui permet aux processus d'hydratation de l'aluminate de calcium de se dérouler rapidement ; le matériau peut ainsi être mis en œuvre peu de temps après sa fabrication. Cette caractéristique peut s'avérer particulièrement utile dans des applications telles que les mélanges en coulis et les éléments préfabriqués, où l'acquisition rapide de la résistance peut être déterminante pour la réussite du projet.

Applications

Les ciments à base d'aluminate de calcium sont couramment utilisés comme liants spécialisés dans des applications liées aux matériaux réfractaires, à la chimie du bâtiment et à la construction, qui exigent une résistance à la corrosion, à l'abrasion et à la chaleur. Ils peuvent également être incorporés dans des mélanges de béton afin d'obtenir des temps de prise rapides et un développement précoce de la résistance.

Les ciments sont obtenus par réaction à haute température d’un mélange de calcaire, de bauxite ou de chaux et d’alumine, selon leur degré de pureté, afin de former un clinker d’aluminate de calcium qui est broyé en une poudre fine avant d’être mélangé à de l’eau dans le cadre d’une réaction d’hydratation extrêmement rapide qui confère une résistance initiale élevée – la résistance finale étant atteinte dans les 24 heures suivant le mélange.

Outre sa résistance initiale rapide, le ciment présente une très faible conductivité thermique, ce qui en fait un matériau idéal pour les environnements où les températures peuvent augmenter au fil du temps, comme les fours sidérurgiques ou d'autres procédés à haute température.

Le ciment peut également être utilisé comme matériau de revêtement ou de réparation dans les infrastructures de traitement des eaux usées, notamment pour lutter contre la corrosion par les sulfures biogènes – un problème de plus en plus fréquent dans les réseaux d'assainissement. Les canalisations en fonte ductile utilisées pour le transport des eaux usées et les canalisations en béton utilisées dans les réseaux d'assainissement peuvent être revêtues de ciment afin d'améliorer leur résistance à l'abrasion, à la corrosion acide et à la corrosion par les sulfures biogènes.

Ces revêtements peuvent être appliqués sur des canalisations, des regards et d’autres éléments d’infrastructure de traitement des eaux usées, qu’ils soient neufs ou existants, en fonte ductile ou en béton, afin d’assurer une protection durable et à long terme contre la formation de H₂S résultant de la dégradation des sulfures présents dans les effluents par des bactéries aérobies. Ils protègent également les tronçons de canalisations susceptibles de nécessiter des réparations, là où du H₂S se forme.

Bisley distribue les ciments à base d'aluminate de calcium (CAC) Calucem, fabriqués par le deuxième plus grand producteur mondial d'aluminates de calcium fondus et de matériaux réfractaires, destinés à être utilisés dans divers produits de construction, notamment les chapes autonivelantes, les coulis à haute résistance, les solutions de revêtement de canalisations et les mortiers de réhabilitation. Ils peuvent être utilisés seuls ou dans le cadre de systèmes binaires ou ternaires.

Production

La production de ciment à base d'aluminate de calcium nécessite la fusion, à haute température, de matières premières telles que la bauxite calcinée et le calcaire dans un four rotatif à flamme, afin d'obtenir du clinker qui sera ensuite broyé jusqu'à obtenir la finesse souhaitée avant d'être utilisé dans diverses applications.

Deux applications notables qui illustrent ce point sont les revêtements des canalisations d’eaux usées, où les bactéries génèrent de l’acide sulfurique, et les barrages hydrauliques, où la résistance à l’abrasion est essentielle. Ces deux applications montrent que la durabilité ne peut pas être déduite de la résistance mécanique, mais qu’elle doit au contraire être adaptée spécifiquement aux conditions d’utilisation.

Ces applications nécessitent un ciment à la fois stable et à réactivité contrôlée, pour lequel l'hydratation de différentes phases joue un rôle essentiel. Dans cette étude, les hydrates CA, CA2 et C12A7 ont été caractérisés par microscopie électronique à balayage (MEB) et diffraction des rayons X, en utilisant un ciment du commerce comme référence, avant de réaliser des essais de traction par fendage sur des pâtes préparées à partir de ces hydrates.

La taille et la forme des particules d'aluminate jouent un rôle essentiel dans leur réactivité avec les composés hydratés, comme l'illustrent les micrographies au MEB de la figure 1. La variation des températures de traitement thermique entraîne des variations spectaculaires de leur morphologie ; la diminution de la taille des particules, associée à une augmentation de leur surface spécifique, accroît la capacité d'hydratation de l'eau, tandis que la diminution simultanée de la taille des particules réduit la vitesse de réaction avec d'autres substances d'hydratation telles que le fer.

Les ciments à base d’aluminate de calcium offrent des propriétés mécaniques supérieures ainsi qu’une bonne résistance à l’abrasion et aux sulfates, ce qui en fait une option intéressante lorsque des caractéristiques spécifiques de ce type sont requises dans certaines applications. Dans ces applications, l’aluminate est associé au ciment Portland dans divers produits de chimie du bâtiment, tels que les colles à carrelage, les coulis et les chapes rapides, afin de former des solutions adaptées à la construction. La construction réfractaire utilise l’aluminate en combinaison avec d’autres matériaux réfractaires tels que les cendres volantes, le laitier et les matériaux calcaires légers pour produire des ciments stables à haute température, dotés d’une excellente réactivité et de propriétés de résistance à l’abrasion et aux sulfates. De plus, ces ciments constituent d’excellents matériaux de restauration endodontique, car ils agissent comme des barrières chimiques et mécaniques contre les microfuites bactériennes dans les canaux radiculaires.