Introduction
L'analyse thermique des matières premières du ciment contenant du dioxyde de silicium, du carbonate de calcium, du sulfate de calcium dihydraté et de l'hydroxyde de calcium est une approche clé pour étudier les transformations physiques et chimiques complexes qui ont lieu pendant le chauffage et qui sont décisives pour la formation du clinker.
Les mesures simultanées TGA-DSC fournissent une vue combinée des changements de masse et des effets thermiques associés, offrant une description complète du comportement thermique global du matériau sur une large gamme de températures. Lorsqu'elle est complétée par la spectroscopie FT-IR, la technique est encore élargie en reliant les événements thermiques à la composition des gaz libérés pendant le chauffage, ce qui augmente considérablement la valeur interprétative de l'analyse. En particulier, le couplage direct STA-FT-IR basé sur le concept PERSEUS®® offre des avantages évidents, car le spectromètre FT-IR est monté directement sur le four STA, ce qui permet d'obtenir un trajet de gaz chauffé très court avec un volume mort minimal et une excellente synchronisation entre les signaux thermiques et spectroscopiques, ce qui est particulièrement bénéfique pour l'étude des systèmes minéraux complexes. L'encombrement de l'instrument couplé ( small ) s'intègre dans la plupart des environnements de laboratoire.
Conditions de mesure
Les conditions de mesure sont détaillées dans le tableau 1.
Tableau 1 : Conditions de mesure
| Instrument | NETZSCH STA Jupiter® PERSEUS® |
|---|---|
| Programme de température | RT à 1450°C |
| Vitesse de chauffage | 20 K/min |
| Gaz de purge | Air synthétique, 70 ml/min |
| Creuset | Platine, 85 μl, avec couvercle et rondelle d'Al2O3 entre le creuset et le capteur |
| Masse de l'échantillon | 24 mg |
Résultats et discussion
Dans le diagramme TGA-DSC illustré à la figure 1, on peut identifier une séquence de plusieurs processus thermiques typiques pour le ciment et les matières premières liées au ciment, qui s'étendent sur toute la plage de température jusqu'à environ 1400°C.
Dans la plage de température comprise entre 100 et 200°C, une perte de masse d'environ 7,5% est observée dans le signal TGA, accompagnée d'un minimum DTG à 149°C et de deux effets DSC endothermiques se chevauchant avec des pics à 153°C et 168°C. Cette région est caractéristique de la libération de l'eau physiquement liée ainsi que de la déshydratation du sulfate de calcium dihydraté en hémihydraté et/ou anhydrite.
Entre 400°C et 600°C, une nouvelle perte de masse d'environ 3,5% se produit, associée à un signal DTG à environ 453°C et à un pic DSC EndothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est endothermique si la conversion nécessite de la chaleur.endothermique avec une température de pointe de 457°C. Ce comportement est typique de la déshydroxylation de l'hydroxyde de calcium, au cours de laquelle l'eau liée à la structure est libérée.
L'effet observé dans le signal DSC à environ 575°C est caractéristique de la transformation de phase α-β réversible du quartz (SiO₂).
Entre 700°C et 850°C, une perte de masse supplémentaire de 5,9 % est détectée, en corrélation avec un minimum DTG clair à 779°C et un signal DSC EndothermiqueUne transition d'échantillon ou une réaction est endothermique si la conversion nécessite de la chaleur.endothermique avec une température de pointe de 784°C. Cette étape est caractéristique de la Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition thermique du carbonate de calcium, c'est-à-dire de la décarbonatation accompagnée de la libération de CO₂.
L'effet DSC à 1216°C est un indice sur une Transitions de phaseLe terme de transition de phase (ou changement de phase) est le plus souvent utilisé pour décrire les transitions entre les états solide, liquide et gazeux. transition de phase, marquant la formation de phases silicatées.
Au-dessus d'environ 1250°C, une perte de masse d'environ 17% est observée, accompagnée de plusieurs signaux DSC intenses avec des maxima à environ 1318°C et 1386°C, ainsi que des pics DTG prononcés à 1321°C et 1386°C. Entre autres processus, la Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition de CaSO₄ en CaO et la libération associée d'oxydes de soufre se produisent dans cette plage de température. En outre, ces effets marquent également la transition entre les Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. réactions de décomposition pure et les transformations de phase induites par les hautes températures et le début des processus de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion, qui sont typiques des systèmes liés au ciment et au clinker.
Les données IR complètes sont présentées à la figure 2 sous la forme d'un graphique 3D dépendant de la température et du nombre d'ondes. La courbe TGA est tracée en rouge à l'arrière et montre la corrélation de la perte de masse avec l'augmentation de l'intensité IR. Pour une évaluation détaillée des données IR, des spectres IR individuels ont été pris à différentes températures et comparés à la bibliothèque EPA-NIST.
Cela a révélé la libération d'eau au cours des deux premières étapes de la perte de masse, ce qui correspond bien à la déshydratation du sulfate de calcium et à la déshydroxylation de l'hydroxyde de calcium. Le dégagement de dioxyde de carbone a été constaté entre 550°C et 800°C en raison de la Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition des carbonates. La dernière étape de perte de masse a libéré du SO2 provenant de la Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition des sulfates. Les traces de dégagement de gaz peuvent être facilement corrélées à la courbe TGA, voir figure 3.
Résumé
L'analyse STA-FT-IR du ciment et des matières premières liées au ciment permet une caractérisation complète des processus physiques et chimiques qui se produisent pendant le chauffage. En combinant TGA et DSC, les changements de masse et les effets thermiques associés sont enregistrés simultanément, tandis que le couplage FT-IR permet l'identification sans ambiguïté des gaz libérés au cours de ces processus. Il est ainsi possible d'attribuer clairement les étapes de réaction individuelles telles que la déshydratation, la déshydroxylation, la décarbonatation et la Réaction de décompositionUne réaction de décomposition est une réaction thermiquement induite d'un composé chimique formant des produits solides et/ou gazeux. décomposition des sulfates. L'un des principaux avantages de la méthode est la corrélation directe entre la perte de masse, les effets thermiques et la composition des gaz, ce qui réduit considérablement l'ambiguïté dans l'interprétation des réactions qui se chevauchent.
STA-FT-IR cette méthode représente donc un outil puissant pour l'analyse et l'optimisation des matières premières du ciment et des processus de formation du clinker.