Title slide American Concrete Institute Section du Québec et de l'est de l'ontario Progrès dans le domaine du béton 2014 3 décembre 2014 CO 2 Utilization In Fresh Ready Mixed Concrete Sean Monkman, PhD P.Eng VP Technology Development CarbonCure Technologies 1
La production du ciment et les émissions de dioxyde de carbone (CO 2 ) 40 % 0,65 t CO 2 60 % Émissions spécifiques de CO 2 Calcination Clinker 865 kg CO 2e / t Ciment 650 kg CO 2e / t 0,25 t ajouts Combustion 1,13 t matières premières 0,75 t clinker 0,75 t clinker 0,1 t charbon 2
Amélioration des émissions de béton Intensité relative des émissions de béton 100 100 90 95 80 70 75 60 65 50 40 30 20 10 0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Base Kaizen / 6 sigma / Adjuvants Cendres volantes / Scorie 15 % Calcaire Technologies émergentes Période 3
La carbonatation de ciment fraîchement hydraté CaO + H + Ca 2+ + OH - C3S (alite) + 3H + 3Ca 2+ + SiO 0 2 + 3OH - C2S (belite) + 2H + 2Ca 2+ + SiO 0 2 + 2OH - CO 2 (g) CO 2 (aq) CO 2 (aq) + H 2 O H 2 CO 3 (aq) H 2 CO 3 (aq) HCO - 3 (aq) + H + HCO - 3 (aq) CO -2 3 (aq) + H + Ca +2 (aq) + CO 3 2- (aq) CaCO 3 (s) la dissolution du ciment (source de Ca 2+ ) + la dissociation du CO 2 (source de CO 3 2- ) = la précipitation (stockage de CO 2 ) 4
Carbonates à l'échelle nanométrique 5
Essai de laboratoire Résistance à la compression Un produit ensaché pris au quincaillerie a été utilisé Le gaz de CO 2 a été mis directement dans le mélangeur Le CO 2 a été dosé de 10 à 15 g par cylindre (1,7 % à 2,5 % bwc en supposant 15 % de ciment dans le produit ensaché) 60 % de l eau de gâchage a été ajouté, du CO 2 a été appliqué pendant une minute, et le restant de l'eau a été ajouté Résistance à la compression (MPa) 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 30.3 30.6 33.0 33.6 40.7 36.8 7 day 28 day L âge Control CO2 10 g CO2 15 g 6
Essai de laboratoire L'affaissement du béton 140 120 L'affaissement du béton (mm) 100 80 60 40 20 Control CO2 10 g CO2 15 g 0 2000 2100 2200 2300 2400 2500 L eau de gâchage (ml) 7
Essai de laboratoire Découvertes concernant le dosage de CO 2 2.5 25 L'absorption de CO 2 (%bwc) 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Teneur en eau initiale Changement de température ( C) 20 15 10 5 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 L absorption de CO 2 (%bwc) Plus la teneur en eau au moment de l'exposition au gaz est base, plus la réaction est rapide L augmentation de la température corrèle bien avec l absorption de CO 2 8
Objectifs expérimentaux industriels Établir la faisabilité (preuve de concept) Évaluer l'influence du CO 2 sur les propriétés à l état frais et le performance Quantifier le CO 2 séquestré Identifier les obstacles à l'industrialisation Vérifier la viabilité du système 9
Intégration du système de livraison de gaz avec le camion pour béton prêt à l'emploi 1 2 3 4 5 8 6 7 1 - camion 2 - réservoir 3 - tuyauterie 4 - raccordement au réseau de gaz 5 - la tubulure de gaz 6 - boîte de contrôle 7 - télémétrie 8 - l alimentation de CO 2 10 10
Essai avec Ocean Essai effectué en juin 2013 L'injection de CO 2 a été achevée avant l'addition de l'eau de gâchage L affaissement, la vie de l affaissement, la température, la résistance à la compression et à la flexion, et la performance RCPT ont été évalués 11 11
Essai avec Ocean Formulation du mélange de béton Formulation du mélange de béton ordinaire, 30 MPa 1. Contrôle 2. Faible dose de CO 2 pour 180 sec 3. Dose moyenne de CO 2 pour 180 sec 4. Dose élevée de CO 2 pour 180 sec Sable lavé, 200 Ciment GU, 300 Sable, 780 Cendres volantes, 60 Pierres de 20 mm, 910 L affaissement prévu : 5 pouces kg par m 3 12 12
Essai avec Ocean L'absorption de CO 2 et la température 25 20 La température du béton ( C) 15 10 5 0 Contrôle 0.43% CO2 0.55% CO2 0.64% CO2 L âge (jours) 13 13
Essai avec Ocean Propriétés à l état frais Le béton carbonaté était viable à son arrivé L affaissement a diminué plus rapidement pour le béton carbonaté Perte de 60 % de l affaissement après 25 à 30 minutes Avantage? Désavantage? L'affaissement par rapport avec le contrôle 120% 100% 80% 60% 40% 20% Contrôle 0.43% CO2 0.55% CO2 0.64% CO2 0% 0 10 20 30 40 50 60 L âge (min) 14 14
Essai avec Ocean Développement de la résistance Contrôles de résistance 3 jours, 21 MPa 7 jours, 28 MPa 28 jours, 41 MPa 56 jours, 47 MPa Conclusions provisoires, moyennes de seulement deux échantillons @ âges plus avancés Les deux doses les plus élevées étaient à moins de 5 % du contrôle de résistance à 28 jours et probablement équivalentes ou légèrement supérieures à 56 jours Résistance à la compression par rapport avec le contrôle 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% 3 jours 7 jours 28 jours 56 jours 0.43% CO2 0.55% CO2 0.64% CO2 Condition 15 15
Essai avec Ocean Historique de température Changement de température ( C) 25 20 15 10 5 0 Control 0.43% CO2 bwc 0.55% CO2 bwc 0.64% CO2 bwc 0 10 20 30 40 50 60 70 Temps écoulé depuis le début du mélange (h) Le traitement au CO 2 réduit la hausse de température associée à l hydratation et retarde le dégagement de chaleur maximal Avantage contre le craquage thermique? 16 16
Essai avec Ocean Essais de pointe RCPT 5000 Les résultats RCPT montrent que le béton carbonaté avait des propriétés acceptables avec une faible à moyenne perméabilité Charge électrique passée (coulombs) 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 Faible Moyenne Élevée 500 0 Control 0.43% CO2 0.55% CO2 0.64% CO2 Condition 17 17
Essai avec Ocean Essais de pointe Flexion La résistance à la flexion a montré une légère baisse avec l'augmentation de l'absorption de CO 2 Des résultats prometteurs soulignent la nécessité de faire des essais complémentaires et d élargir le programme d'évaluation de la performance / durabilité Résistance à la flexion (MPa) 7 6 5 4 3 2 1 0 Control 0.43% CO2 0.55% CO2 0.64% CO2 Condition 18 18
Essai avec Quality Essai effectué en juillet 2013 A utilisé le même système que l essai avec Ocean L affaissement, la température, la résistance à la compression, et la teneur en air ont été évalués Le béton a été utilisé dans des travaux de préfabriqué sur le site et est arrivé 20 à 25 minutes après le début du mélange 19 19
Essai avec Quality La première journée Cendres volantes (F), 55 Formulation du mélange de béton ordinaire, 27.5 MPa 1. Contrôle 2. 0,5 % bwc CO 2 pour 180 sec 3. 1,0 % bwc CO 2 pour 180 sec L affaissement prévu : 5 pouces Ciment GU, 281 Pierres de 20 mm, 1030 Sable, 770 kg par m 3 20 20
Essai avec Quality La première journée Quantification de l'absorption de CO 2 Inconnu en raison de la variabilité chimique de la cendre volante Mélange Air Affaisement (po) Température ( C) Teneur en air L'opérateur a augmenté l'entraîneur d'air après chaque lot Contrôle 3,6 % 5,5 23,9 0,5 % CO 2 4,2 % 4,5 26,2 1,0 % CO 2 4,1 % 5 28,6 L affaissement Dose de 0,5 % CO 2 : 5 pouces à 20 min et à 35 min Dose de 1,0 % CO 2 : aucune 21 21
Essai avec Quality La première journée Résistance à la compression Condition 0,5 % CO 2 82 % du contrôle à 1 jour Équivalent à 7 et à 28 jours 106 % à 56 jours Condition 1,0 % CO 2 71 % du contrôle à 1 jour 94 % à 7 jours 94 % à 28 et à 56 jours C est probable que l affaissement souhaité a été atteint en augmentant la quantité d eau de gâchage Résistance à la compression (MPa) 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 39.3 41.5 34.9 35.3 26.0 26.4 14.9 12.2 36.2 32.2 24.5 10.6 Contrôle 0.5% CO2 1.0% CO2 Condition 56 jours 28 jours 7 jours 1 jour 22 22
Essai avec Quality La deuxième journée Formulation du mélange de béton modifié, 27.5 MPa, sans cendres volantes 1. Contrôle 2. 1,0 % bwc CO 2 pour 180 sec adjuvant expérimental ajouté après carbonatation 3. 1,5 % bwc CO2 pour 180 sec La même teneur en eau était prévue Ciment GU, 336 Pierres de 20 mm, 1030 Sable, 770 kg par m 3 23 23
Essai avec Quality La deuxième journée Quantification de l'absorption de CO 2 Dose de 1,0 % CO 2 Absorption : 0,44 % bwc Efficacité : 44 % Dose de 1,5 % CO 2 Absorption : 1,69 % bwc Mélange Air Affaissemen t (po) Température ( C) Efficacité : 113 % Contrôle 5,9 % 7 25,8 1,0 % CO 2 5,9 % 4 28,1 1,5 % CO 2 4,5 % 3 28,6 L affaissement Dose de 1,0 % CO 2 : l ajout d un adjuvant expérimental a augmenté l'affaissement à 5,5 pouces après 20 min Dose de 1,5 % CO 2 : l affaissement à 15 min était 3 pouces 24 24
Essai avec Quality La deuxième journée Résistance à la compression Condition 1,0 % CO 2 96 % du contrôle à 1 jour 104 % à 7 jours 107 % à 28 jours 103 % à 56 jours Condition 1,5 % CO2 98 % du contrôle à 1 jour 109 % à 7 jours 117 % à 28 jours 111 % à 56 jours Résistance à la compression (MPa) 40 35 30 25 20 15 10 5 30.9 28.3 24.6 31.9 30.3 25.7 34.4 33.2 26.8 13.6 13.1 13.3 56 jours 28 jours 7 jours 1 jour 0 Contrôle 1.0% CO2 1.5% CO2 Condition 25 25
Sources de CO 2 aujourd'hui 100 $ à 150 $ / tonne Sous-produit industriel de l engrais, par exemple 26 26
Une analyse de la séquestration du CO 2 nette Grammes de CO 2 Note CO 2 absorbé 3500,00 Taux de 1 % par 350 kg ciment/m 3 Traitement du gaz - 299,77 La capture et la compression Transport du CO 2-67,21 70 miles par camion Vaporisateur de gaz - Vaporisateur ambiante CO 2 produit (CO 2 «out») - 380,90 Les émissions provenant de l'utilisation du gaz CO 2 absorbé (CO 2 «in») 3500,00 Quantité séquestré % d'efficacité de la séquestration 89,1 % Séquestration nette 27 27
Initiatives futures Une étude élargie de la durabilité Développement complémentaire d adjuvants Une amélioration de la quantification du carbonate Une augmentation du taux d'absorption de CO 2 Caractérisation avancée des matériaux à propos des mécanismes et interactions Utilisation de CO 2 provenant d'un four à ciment 28 28
Étude de durabilité du béton Résistance à la compression et à la flexion Exposition Durabilité aux cycles de gel-dégel, résistance à l'écaillage par les sels de déverglaçage, actions de l eau de mer Perméabilité aux ions chlorure Retrait Carbonatation pendant la vie utile Essais d abrasion La chimie de la solution interstitielle - ph 29 29
De nouveaux tests La chimie de la solution interstitielle - ph Échantillons de pâte conçues spécifiquement pour l extraction de la solution interstitielle 15 14 13.83 13.79 13.78 13.74 13.81 La carbonatation n a eu aucune incidence sur le ph On ne prévoit pas que le potentiel de corrosion s augmente en raison de l ajout de CO 2, même à 1,7 % bwc ph 13 12 11 10 0.0% 0.6% 1.0% 1.5% 1.7% L absorption de CO 2 (% bwc) 30 30
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