Les mécanismes physiques et chimiques des agents de broyage du ciment

Les aides au broyage sont principalement utilisées pour réduire la consommation d’énergie en augmentant l’efficacité du broyage et la productivité du broyeur. Une meilleure dispersion de la poudre sèche du ciment broyé augmente la productivité du broyeur et la finesse du ciment pour la même consommation d’énergie, et produit une amélioration du débit, conduisant à un déchargement plus rapide et à un volume de stockage amélioré du stockage de ciment en vrac. En plus d’augmenter l’efficacité du broyeur, certains auxiliaires de broyage ont également des effets positifs sur la pâte de ciment finale concernant la rhéologie et l’amélioration du développement de la résistance. Les aides au broyage qui fournissent ces propriétés « supplémentaires » sont appelées améliorants de qualité ou améliorateurs de performance.

Processus chimiques et physiques

La surface du clinker dans les procédés de broyage est généralement hydroxylée à partir de l’eau incorporée dans les matières premières humides ou de l’injection d’eau de refroidissement, ce qui réduit l’énergie de surface élevée du clinker. L’eau peut être considérée comme un auxiliaire de broyage faible, contribuant à la réduction de l’énergie de broyage. Les auxiliaires de broyage ont un squelette d’hydrocarbure non polaire et un groupe fonctionnel polaire. Ce dernier interagit facilement avec le clinker en compensant partiellement la polarité du clinker, tandis que le squelette non polaire le protège. Une plus grande partie d’hydrocarbure réduit l’énergie de surface des particules de ciment recouvertes et donne un meilleur broyage. Les parties d’hydrocarbure de la glycérine sont de petites quantités de diéthylène glycol modérées et de grandes diisopropanolamines et ainsi l’ajout de cette dernière en tant qu’auxiliaire de broyage entraîne une réduction plus élevée de l’énergie de surface. D’autre part, des études ont montré que l’énergie d’adsorption n’est pas corrélée aux performances de broyage. La glycérine avec une énergie d’adsorption plus élevée sur C₃S que TEA et TIPA ne donne pas de meilleures performances de broyage. Ainsi, les performances de broyage dépendent d’autres propriétés que l’énergie d’adsorption car aucune corrélation n’a été identifiée. De plus, les énergies d’agglomération et les classements dans le cas de l’aluminate tricalcique (C₃A) sont assez différents et donc toutes les phases de clinker ne se comportent pas de la même manière. De même que les forces d’attraction entre les particules de ciment, les forces d’attraction entre les particules de ciment et les agents de broyage, les billes d’acier, qui, sans l’utilisation d’auxiliaires de broyage, conduisent à l’agglomération et à l’adhésion aux agents de broyage, dépendent également de l’énergie de surface.

Les aides au broyage agissent en réduisant l’énergie de surface du clinker. Ils doivent avoir une faible énergie interfaciale pour s’adsorber suffisamment fortement sur le clinker et former des couches séparatrices entre les particules. Ils doivent résister aux conditions normales de broyage pour éviter une décomposition irréversible. Peu de composés organiques sont stables à des températures supérieures à 200°C, car ils se décomposent de manière irréversible, formant des composés secondaires volatils. Les températures de broyage oscillent normalement entre 80°C et 120°C. La majorité des adjuvants de broyage commerciaux ont des points d’ébullition et des températures de décomposition nettement supérieurs à la température de broyage. Le diéthylène glycol, la triéthanolamine ont des températures d’ébullition oscillant autour de 100 ° C à 200 ° C et de 200 ° C à 300 ° C respectivement, tandis que le polypropylène glycol et les éthers polycarboxylates ont des températures d’ébullition relativement inférieures se situant autour de 100 ° C à 200 ° C et 150 ° C respectivement. Leurs pressions de vapeur sont faibles mais suffisamment élevées pour se disperser via des mécanismes de transfert en phase gazeuse et par contact de surface.

La majeure partie de l’énergie consommée pendant le processus de broyage du ciment est convertie en chaleur, mais une petite fraction (≤ 0,5 %) est retenue dans le ciment sous forme d’énergie de surface. Les particules de ciment possèdent des charges positives et négatives lorsqu’elles sont broyées en particules plus petites, ce qui entraîne l’agglomération des particules de ciment et leur adhérence à la surface du broyeur à boulets. Lors du broyage du clinker, les particules broyées s’agglomèrent. L’agrégation des particules de ciment dépend de la composition du clinker, de la structure cristalline des phases de ciment, de la dispersion du ciment, du type de broyeur, des conditions du broyeur et d’autres facteurs. Les adjuvants de broyage sont ajoutés dans des plages de concentration de 0,02 à 0,1 % du poids de ciment fabriqué. Selon leur structure, les adjuvants de broyage sont classés en adjuvants de broyage à base d’amines aliphatiques, à base de glycol ou à base de phénol, avec, dans certains cas, des composés plus complexes, tels que l’Hydroxyléthyldiéthylènetriamine, utilisés en plus petites proportions. En raison de leur polarité élevée, ces composés d’additifs pour ciment s’adsorbent sur les surfaces de clinker résistant à la liaison sur les broyeurs à boulets et à l’agglomération des particules. La première et la deuxième loi de la thermodynamique suggèrent que les systèmes tendent vers l’état d’énergie le plus bas. La présence d’auxiliaire de broyage conduit à différents états d’énergie minimale. Les milieux de broyage (billes) recouverts de particules broyées représentent un état d’énergie minimale d’un système sans auxiliaires de broyage tandis qu’un milieu de broyage propre représente un état d’énergie minimale d’un système avec auxiliaires de broyage. Les aides au broyage maintiennent les médias de broyage (billes) propres et augmentent la productivité.

Les aides au broyage et les améliorateurs de performance du ciment proposés comprennent une combinaison de composés organiques et inorganiques. Les aides au broyage traditionnelles contribuent à la réduction de la polarité des surfaces de clinker. Parallèlement à la réduction de polarité, ils contribuent en réduisant l’énergie de surface. Plus important encore, ils réduisent l’agglomération en réduisant les forces d’attraction entre les surfaces. Contrairement aux adjuvants de broyage traditionnels, les PCE contiennent des groupes éther faiblement polaires et des groupes acide fortement polaires et aucun groupe chimique de polarité modérée comme les groupes alcool. Leurs performances en tant qu’auxiliaires de broyage sont dues à des effets stériques. La ramification dans la structure moléculaire, ou les très longs chevauchements de chaînes polymères, empêchent l’adsorption de l’ensemble des molécules de carboxylate, créant ainsi des distances entre les surfaces du clinker deux fois plus larges que lors de l’utilisation de la glycérine. De plus, les molécules de polycarboxylate réduisent dans une plus large mesure l’agglomération car elles se déplacent moins facilement que les molécules d’auxiliaires de broyage traditionnels. Le mécanisme et l’effet stérique des polycarboxylates sur le ciment sec sont totalement différents de leur effet sur la pâte à béton dans le béton humide.

Les aides au broyage ont un effet sur la cinétique d’hydratation du ciment, la morphologie des hydrates de ciment, les propriétés macroscopiques telles que la demande en eau, les propriétés rhéologiques et le développement de la résistance. La triéthanolamine est considérée comme une aide au broyage populaire. Ses effets sur les caractéristiques du ciment dépendent du type de ciment et du dosage. Un ajout de 0,025% de triéthanolamine au ciment Portland, agit comme un accélérateur de prise, à 0,25% comme un retardateur de prise doux, à 0,5% comme un retardateur sévère et à 1% comme un accélérateur fort. Outre la distribution granulométrique, les adjuvants de broyage ajoutés au ciment peuvent modifier la cinétique d’hydratation du ciment, en accélérant la dissolution initiale des ions et l’hydratation précoce du C₃ et du C₄AF, et enfin améliorer la résistance initiale et même la résistance à 28 jours dans une mesure visible.

La broyabilité du clinker dépend de la composition du clinker. C₃S est le plus facile à broyer, C₃A est intermédiaire et C₂S et C₄AF sont les plus durs. Comme les énergies d’agglomération du C₃A sec et hydroxylé sont presque le double de celles mesurées pour le C₃S, l’effet des auxiliaires de broyage sur le C₃A est plus important qu’avec le C₃S. Ainsi, les auxiliaires de broyage réduisent les disparités de broyage des différents clinkers. L’efficacité des auxiliaires de broyage dépend de la minéralogie, c’est-à-dire des pourcentages des différentes phases. C’est l’une des raisons pour lesquelles les auxiliaires de broyage n’ont pas toujours le même effet, car ils dépendent des caractéristiques du ciment.

L’efficacité des auxiliaires de broyage dépend également du taux de dosage, le dosage optimal étant atteint lorsqu’une monocouche de matériau inorganique se trouve entre les surfaces du clinker. A des dosages trop élevés, les forces capillaires peuvent favoriser l’agglomération et ainsi diminuer l’efficacité.

Holderchem possède une longue expérience dans les auxiliaires de broyage, ce qui lui permet de concevoir et de proposer des produits personnalisés offrant de meilleures performances de fonctionnement et de produit. En étroite coordination avec ses clients, il est en mesure d’optimiser le processus de broyage et les propriétés du ciment grâce à des simulations en laboratoire d’additifs personnalisés. combinant des composés de différents groupes fonctionnels, types et poids moléculaires, et à des taux de dosage variables. Il vise à aider les clients à identifier les composés qui offrent un bon compromis entre leurs différentes exigences.