Matériaux de cendres volcaniques(tels que les cendres volcaniques, les cendres volantes, la fumée de silice, les cendres de balle de riz, etc.) présentent des propriétés uniques grâce à leurs composants chimiquement réactifs et à leurs microstructures. Ils jouent un rôle essentiel dans les domaines des matériaux de construction, de l'ingénierie environnementale, de la restauration géologique et des équipements de traitement des résidus miniers. Leurs principales propriétés et mécanismes d'action sont les suivants :

1.Composants de l'activité (SiO₂ et Al₂O₃): généralement 60 à 90 %. En milieu alcalin (comme le Ca(OH)₂ produit lors de l'hydratation du ciment), la réaction pouzzolanique se produit :

Gel SiO₂ + Ca(OH)₂ + H₂O → CSH.
Ce gel CSH à l’échelle nanométrique (10–50 nm) remplit efficacement les pores et densifie le matériau, améliorant ainsi sa compacité.

2.Développement de la force: La résistance à la compression à 28 jours augmente de 15 à 30 % lorsque 20 % de cendres volantes remplacent le ciment ; à long terme, 90 jours plus tard, le degré de réaction pouzzolanique dépasse 80 %. La croissance de la résistance est deux fois supérieure à celle des systèmes à base de ciment pur.
Ce phénomène est particulièrement souhaitable dans les équipements de traitement des résidus, où les composants structurels doivent être solides et durables.

1.Remplissage de particules:Les particules de cendres volcaniques, principalement < 45 μm (avec de la fumée de silice aussi petite que 0,1 à 0,3 μm), remplissent les vides entre les grains de ciment, réduisant la porosité totale de 5 à 8 %.
Cette densification fragilise la zone de transition interfaciale (ITZ) — son épaisseur passe de 40 μm à 15 μm — inhibant ainsi l’initiation et la propagation des fissures.
Ces propriétés sont cruciales lors de la conception de composants d’équipements de traitement des résidus soumis à de lourdes charges.

2.Affinement de la structure des pores:La proportion de gros pores capillaires (chut 50 nm) diminue de près de 50 %.
Il en résulte une résistance améliorée au gel (perte de masse < 3 % après 300 cycles de gel-dégel) et une résistance à la perméabilité (la perméabilité chute en dessous de 1 × 10^{-12} m/s), souhaitables pour les équipements de traitement des résidus exposés à des conditions de service difficiles.

1.Utilisation à faible émission de carbone et des déchets:
Chaque tonne de cendres volantes remplaçant le ciment réduit les émissions de CO₂ de 0,6 à 0,8 tonne.
Cela offre la possibilité d’utiliser à grande échelle les déchets industriels dans les équipements de traitement des résidus, réduisant ainsi l’élimination des déchets et préservant les ressources.

2.Résistance chimique:
La réaction pouzzolanique épuise le Ca(OH)₂ et inhibe la formation d'ettringite expansive (expansion < 0,1 %), améliorant ainsi la résistance à l'attaque des sulfates.
De plus, la diffusivité du chlorure chute à 1 × 10^{-13} m²/s en raison de la formation de sel de Friedel (formé à partir d'Al₂O₃ et de Cl¯), prolongeant la durée de vie des équipements de traitement des résidus dans des environnements agressifs.

3.Contrôle de la chaleur de l'hydratation:
Pour les grandes structures, l’ajout de 30 % de cendres volcaniques peut réduire la température d’hydratation maximale de 10 à 15 °C, atténuant ainsi la fissuration thermique — une considération importante lors de la conception de composants massifs pour les équipements de traitement des résidus.

1.Précurseur de géopolymère:
Environ 50 % de l'argile peut être remplacée par des cendres volcaniques pour produire des géopolymères avec une résistance à la compression de 80 à 100 MPa ; après 28 jours dans un acide à pH 2, la rétention de résistance est de 85 %.
Cela rend viable l’utilisation de composants spécialisés d’équipements de traitement des résidus exposés à l’acide.

2.Stabilisation des sols et solidification des métaux lourds:
Par adsorption et échange d'ions, Pb²+ et Cd²+ peuvent être solidifiés à 90 %.
De plus, le CO₂ réagit avec le Ca²+ pour former de la calcite (CaCO₃), produisant un puits de carbone de 100 à 200 kg par tonne, précieux pour les équipements de traitement des résidus dans les opérations respectueuses de l’environnement.

3.Applications des matériaux fonctionnels:
Les matériaux à base de cendres volcaniques catalytiques TiO₂ peuvent dégrader les composés organiques (tels que la rhodamine B > 90 %) sous l'effet des UV, tandis que les agrégats légers poreux fabriqués à partir de cendres volcaniques ont une faible conductivité thermique de 0,12 à 0,25 W/{mK}.
De telles propriétés peuvent être intégrées dans des composants spécialisés d’équipements de traitement des résidus.

1.Nanomodification:
L'ajout de 0,1 % de nanotubes de carbone peut augmenter la conductivité électrique de 10^4 fois, ce qui le rend utile pour le blindage électromagnétique et les composants de détection intelligents dans les équipements de traitement des résidus.

2.Activation assistée biologiquement:
Les espèces de Bacillus sécrètent de l'uréase pour catalyser la précipitation du CaCO₃, permettant ainsi une auto-réparation de 60 % des microfissures.
Cette technologie montre le potentiel des équipements de traitement des résidus pour prolonger leur durée de vie sous contrainte mécanique.

Le principal avantage des matériaux à base de cendres volcaniques réside dans leur synergie entre réactivité, structure et avantages environnementaux. Les recherches futures devraient se concentrer sur des modifications sur mesure et des méthodes de production à faible émission de carbone.

Pour les applications industrielles, notamment dans les équipements de traitement des résidus, nous recommandons :

1. Sélection des matériaux :
Choisissez des cendres volcaniques avec un indice d'activité > 70 % (selon GB/T 1596-2025).

2. Optimisation de la conception du mélange :
Utilisez la méthode de surface de réponse (RSM) pour équilibrer les propriétés mécaniques et de durabilité.

3. Surveillance intelligente :
Mettre en œuvre des capteurs à fibre optique pour suivre la progression de l'hydratation en service.

Pour les applications marines, il est recommandé d'utiliser des cendres volcaniques à haute teneur en calcium (CaO > 15 %) pour améliorer la résistance au chlorure ; la numérisation 3D X-CT peut être utilisée pour vérifier l'optimisation de la structure des pores dans les composants des équipements de traitement des résidus.