Taille des particules dans les matériaux de construction : Du ciment au bitume

Les matériaux de construction sont des matériaux utilisés pour la construction. Ceci inclut des substances naturelles, telles que le sable et l'argile, ainsi que des produits fabriqués par l'homme. La taille des particules influence différents aspects des matériaux de construction et nécessite un contrôle de qualité approprié.

Pour les matières premières, la taille et la forme des particules affectent fortement le traitement et la maniabilité ainsi que la fluidité de la poudre et la réactivité. C'est parce que la surface des particules augmente avec la diminution de la taille des particules. Les changements de viscosité et les processus de sédimentation sont également liés aux modifications de taille et de forme.

L'apparence et la sensation du produit final sont modifiées en altérant la taille et la forme des particules. Les propriétés de surface et la réactivité pourraient être affectées, ou la rugosité et l'hétérogénéité dépendantes de la taille des particules pourraient influencer les propriétés physiques. Dans le processus de fabrication, de grandes particules peuvent entraîner le blocage des buses, des moulins ou des filtres. Des quantités significatives de poussière fine pourraient également être générées. 

Des déterminations sophistiquées de la taille et de la forme des particules peuvent être utilisées pour contrôler les processus de broyage et pour identifier les étapes critiques du processus de fabrication. Pour cette application, un instrument robuste de diffraction laser ou d'analyse d'image dynamique qui couvre la plage de µm à mm serait l'instrument de choix. 

La diffraction laser génère une distribution de taille des particules basée sur le volume, qui ne peut pas détecter de petites quantités de particules aberrantes. Malgré cette limitation, la diffraction laser est une technique analytique rapide qui respecte de nombreuses normes ISO, ce qui en fait une méthode privilégiée pour les applications de contrôle qualité. Pour la détection de particules irrégulières ou de valeurs aberrantes, l'analyse d'image dynamique est recommandée. Cette technique fournit une distribution basée sur des nombres qui met l'accent à la fois sur les particules surdimensionnées et sous-dimensionnées. Bien qu'il soit principalement utilisé dans la recherche et le développement, l'analyse d'image dynamique est également applicable dans les environnements de contrôle qualité.

Le ciment est un mélange de divers matériaux, y compris le calcaire, les coquillages et la craie ou le marne, combinés avec de l'argile, de l'ardoise, du laitier de haut fourneau, du sable siliceux et du minerai de fer. Dans la production de ciment, l'étape de broyage est une étape très consommatrice d'énergie. Réduire la distribution de la taille des particules permet d'économiser de l'énergie et de réduire les coûts. La taille moyenne des particules de ciment est généralement comprise entre 10 µm et 20 µm.

En plus des aspects économiques de la production de ciment, la taille des particules a une influence majeure sur les propriétés du produit final. Avec sa composition chimique et sa surface spécifique, la distribution de la taille des particules est un facteur majeur qui affecte la courbe d'hydratation du ciment ainsi que la résistance de la pâte durcie. Plus précisément, la réduction de la taille moyenne des particules entraîne une diminution du temps de prise et une résistance initiale améliorée. En revanche, l'importance des particules plus grossières augmente avec le vieillissement du ciment. La largeur de la distribution de la taille des particules détermine également la densité d'emballage et la demande en eau du ciment et d'autres matériaux de construction.

Parce que différents composants bruts ont des susceptibilités de broyage différentes, la diminution de taille pendant le broyage n'est pas simple. La durée d'une période de broyage doit être optimisée et contrôlée en surveillant la distribution de la taille des particules à presque chaque étape du processus. 

Dans cette distribution de taille des particules de ciment, les différentes tailles des particules de ciment sont séparées en classes de taille, et la quantité relative peut être comparée. Le graphique montre la distribution de la taille moyenne des particules d’un échantillon de ciment (Cement 1) par rapport à deux remplaçants de ciment (FlyAsh et Slag). Tous les échantillons ont une distribution presque monomodale avec un maximum entre 
15 µm et 25 µm. Cela montre la similarité entre le ciment et les substituts de ciment en ce qui concerne la taille des particules. 

• Travail Lourd Simplifié : Analyse de la Taille des Particules pour l'Industrie du Ciment

En plus de la taille des particules, la forme des particules est un paramètre crucial à surveiller. La fluidité et les demandes en eau liées au ciment peuvent varier considérablement entre des particules régulières (sphériques) et irrégulières. La finesse et la forme des particules de ciment sont des facteurs clés du contrôle qualité, car elles influencent directement la demande en eau, la fluidité et la performance globale du ciment. Cinq échantillons de ciment ont été analysés à l’aide d’une analyse d’image dynamique, renvoyant à la fois les distributions de taille et de forme. Tous les échantillons ont montré une large distribution de taille monomodale principalement dans la gamme de 5 μm à 60 μm. La forme des particules a été évaluée par le rapport d'aspect et la compacité. L'un des échantillons de ciment à prise rapide présentait les particules les plus régulières (sphériques).

• Des résultats en béton : analyse de la taille et de la forme du ciment

Le gypse est un matériau de construction largement utilisé comme finition pour les murs et les plafonds. Il est également vendu sous forme de plaques de plâtre ou de panneaux de plâtre et sous forme de blocs de plâtre pour la construction. Il peut être utilisé pour le mortier, le plâtre ou comme liant. Une distribution optimale de la taille des particules est un prérequis pour un temps de prise souhaité, une résistance à la compression ou une densité. En augmentant la fraction fine, par exemple, le temps de prise diminuera mais le rapport eau/gypse augmentera. 

Le graphique compare les distributions de taille des particules de poudre de gypse et de poudre d'anhydrite mesurées en mode sec de Litesizer DIF. Les deux distributions sont multimodales et couvrent des plages de tailles complètement différentes. Alors que la fraction principale d'anhydrite est comprise entre 1 µm et 10 µm, celle du gypse est comprise entre 40 µm et 300 µm.

À température ambiante, le bitume n'est pas transformable. Par conséquent, différentes méthodes techniques sont utilisées pour le traitement. Une technique consiste à chauffer le bitume jusqu'à ce qu'il atteigne l'état liquide. Une autre possibilité est de transformer le bitume en une émulsion. Les émulsions de bitume sont des mélanges colloïdaux de bitume et d'eau stabilisés par des émulsifiants et d'autres additifs. Dans cet état prêt à l'emploi, le bitume peut être stocké, transporté et traité davantage. 

Afin d'assurer une émulsification correcte, la taille des gouttelettes de bitume et le choix de l'émulsifiant sont importants. Les deux affectent la processabilité et la stabilité de stockage. Les molécules d'émulsifiant s'attachent aux surfaces des particules de bitume, donnant aux particules une charge électrique uniforme. Selon la charge (positive ou négative), une distinction entre les émulsions de bitume cationiques ou anioniques peut être faite, ce qui définit l'interaction avec des matériaux en pierre tels que le quartz, le granit ou le basalte. L'application technique des émulsions de bitume est déterminée par la charge du bitume, la fraction massique de bitume, d'émulsifiant, d'eau et la taille des gouttelettes de bitume. Le graphique montre des distributions typiques de taille des particules pour les émulsions de bitume.

• Sur la rue facile – Caractérisation des émulsions de bitume

Un matériau de construction complètement différent est une pâte de silicone ou du caoutchouc, qui est principalement utilisée pour sceller les espaces, les joints et les fissures. Il empêche également le calcaire de coller au métal, et il peut être appliqué sur des murs rideaux ou des membranes en silicone. 

Le comportement mécanique du caoutchouc silicone, tel que la résistance ultime, l'élasticité, la ténacité à la rupture et la déformation à la rupture, est fortement influencé par la taille des particules des additifs et des polymères eux-mêmes. 

Le graphique montre une distribution de taille des particules de pâte de silicone dispersée par sonication dans de l'isopropanol.