Fabrication du ciment

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Gilbert Bourget
il y a 8 ans
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1 Fabrication du ciment

2 Note historique, 1 La chaux, connue depuis l antiquité: CaCO 3 CaO Ca(OH) 2 CaCO 3 Elle ne durcit pas sous l eau , découverte et compréhension que les calcaires qui contiennent de l'argile donnent de meilleurs ciments (plus résistants à l'eau)

découverte et compréhension que les calcaires qui contiennent

3 1824, Joseph Aspdin en Angleterre, fabrique et brevette le ciment Portland, car sa couleur, après prise, ressemble à la pierre de Portland. 1835, l'augmentation de la température de cuisson donne naissance au véritable ciment Portland. 1838, William Aspdin (fils de Joseph) convainc Brunel de l utiliser pour réparer son tunnel sous la Tamise 1ère utilisation du ciment Portland en génie civil.

1835, l'augmentation de la température de cuisson donne naissance au véritable ciment Portland.

4 carrière bande transporteuse Le schéma de production du ciment filtres échangeur de chaleur four rotatif préhomogénéisation silo à clinker ajouts au expédition ciment moulin à ciment

5 La fabrication du ciment le processus 1- Extraction 1 cru cuit 2- Transport MP 2 7- Stockage 7 8- Expéditions Broyage 3-Préhomogénéisation 4- Four Hall clinker

Stockage 7 8- Expéditions 8 6 3 6- Broyage

6 La fabrication du ciment le processus Bassin d homogénéisation Hall clinker Fours Voie ferrée Four Combustibles Silos

7 Cru Calcaire ~80% roches calcaires Jusqu à 95% CaCO 3 ~55% CaO impuretés majeures MgO Argile bonne source de calcaire détermine emplacements des usines de ciment 20% source de SiO 2 qui amène aussi Al 2 O 3 et Fe 2 O 3, etc. dans certains cas, il faut mélanger les sources pour obtenir la chimie correcte

usines de ciment 20% source de SiO 2 qui amène aussi Al 2 O 3 et Fe 2 O 3,

8 Composition du cru (exemple) Calcaire argile ±17% + éventuellement de la bauxite 79% CaCO 3 +MgCO 3 CRU = Ajouts ±3% sable + 0,7% oxyde de Fe chimie SiO 2 13,5% ; Al 2 O 3 3,1% ; Fe 2 O 3 2,0% CaO 41,2% ; MgO 3,1% ; K 2 O 0,9%

9 Composition de la croûte terrestre Magnesium Potassium Sodium Ca Iron Aluminium Silicon reste Oxygen Grande abondance des éléments nécessaires Malgré la quantité plus faible de calcium, cet élément est fortement concentré dans les roches calcaires, bien réparti

nécessaires Malgré la quantité plus faible de calcium, cet

10 Composition of the earth s crust Mg K Na rest Composition of cement Mg S Na K rest Ca Fe O Al O Ca Si Si Fe Al CaO readily available from limestone

11 Cement chemistry notation C = CaO S = SiO 2 A = Al 2 O 3 F = Fe 2 O 3 H = H 2 O S,$ = SO 3 C,Č = CO 2

12 Composition Les éléments constituants : O, Si, Ca, Al, Fe Les oxydes constituants : CaO, SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3 Abréviations C S A F Les phases constituantes : C 3 S, C 2 S, C 3 A, C 4 AF (ferrite ss) Ca 3 SiO 5, Ca 2 SiO 4, Ca 3 Al 2 O 6, Ca 2 (Al,Fe)O 5

Abréviations C S A F Les phases constituantes : C 3 S, C 2 S, C

13 La Carrière

17 La cuisson

18 La cuisson 2000 C 1450 C

19 H2O Préchauffage Cuisson FOUR VOIE SECHE Calcination Transition Cuisson Trempe CO2 C Répartition des masses CaO Calcaire Quartz Argiles Oxyde de fer Aluminates Bélite C2S CaCO3 SiO2 Alite C3S Si, Al, K, Na, Ox Fe2O3 Liquide C3A C4AF min Temps de séjour D'après KHD Humboldt Wedag, modifié

C2S CaCO3 SiO2 Alite C3S Si, Al, K, Na, Ox Fe2O3 Liquide C3A C4AF 1400 1200 1000 800

20 Répartition des masses H2O Préchauffage Calcaire Quartz Argiles Fe2O3 Cuisson FOUR VOIE SECHE Calcination Transition Cuisson Trempe CO2 1 CaO CaO Silicate de Calcium Aluminates Bélite C2S Aluminates de Calcium Temps de séjour Alite C3S Liquide min C3A C4AF D'après KHD Humboldt Wedag, modifié C

Aluminates Bélite C2S Aluminates de Calcium Temps de séjour Alite C3S Liquide 5 15 20

21 Répartition des masses H2O Préchauffage Calcaire Cuisson FOUR VOIE SECHE Calcination Transition Cuisson Trempe CO2 CaO Aluminates Bélite C2S Alite C3S Liquide C3A C4AF C Quartz Argiles Fe2O min Temps de séjour D'après KHD Humboldt Wedag, modifié

22 H2O Cuisson Répartition des masses Préchauffage Calcaire FOUR VOIE SECHE Calcination Transition Cuisson Trempe CO2 CaO Aluminates Bélite C2S Alite C3S Liquide C3A C4AF C Quartz Argiles Fe2O min Temps de séjour D'après KHD Humboldt Wedag, modifié

23 La trempe

24 Microstructure du clinker «idéale» «alite» C 3 S, impure «belite» C 2 S, impure 20 m phases «interstitielles» «celite» C 3 A, impure + solution solide de ferrite «C 4 AF», liquide pendant la cuisson

25 carrière bande transporteuse Le schéma de production du ciment filtres échangeur de chaleur four rotatif préhomogénéisation silo à clinker ajouts au expédition ciment moulin à ciment

26 Le ciment Pour fabriquer un ciment, on utilise : Clinker + Régulateur + de prise Autres constituants (éventuellement)

27 Broyage séparateur ciment Toujours Ajout de CaSO 4 H x : (4 8%) gypse (x=2) anhydrite (x=0) déshydratation à plâtre (x=0,5) possible Souvent Ajout de CaCO 3 fin: (10-20%) Filler fin 2 ou 3 compartiments Aussi possible Laitier (slag) Cendres volantes (fly ash) Fumée de silice (silica fume)

28 Le broyage

29 Grains du ciment 10 m

30 Granulométrie psd (particle size distribution) < 1 m ~75 m Pourcentage plus fin Surface spécifique Blaine: 350 m 2 /kg La plupart: m 20 Circuit ouvert Circuit fermé conventionnel Circuit fermé haute efficacité m Source: Bye «Portland Cement», Thomas Telford 1999

31 Broyage Contrôle par surface spécifique «Blaine» Perméabilité à l air Gamme normale m 2 /kg Ciment résistance rapide Ciment pétrolier

32 Livraison (en sac ou en vrac) Vrac ~80-90% Sac ~<10% Big bag ~<10%

33 Control Qualité Source :

34 Caractérisation du ciment Analyse oxyde (XRF) SiO 2 20,5 (19 21) Al 2 O 3 6 (4-7) Fe 2 O 3 2,5 (2-3) CaO MgO 1,2 (1-4) SO 3 2,8 (2,5-3,2) K 2 O Na 2 O PaF(LOI) CaO libre resid insol 64 (62-65) 0,5 (0,3-1) 0,2 (0,2-0.5) 1 (1-2) 1 (0,5-1,5) 0,3 (0,2-0,4) +Mn 2 O 3, TiO 2, P 2 O 5, CO 2 C3S? C2S? C3A? C4AF? Contrôle strict pour éviter le gonflement

35 Calcul «Bogue» composition des phases «potentielles» Tous Fe 2 O 3 sous la forme C 4 AF: Avec CaO et Al 2 O 3 Al 2 O 3 qui reste sous la forme C 3 A: Avec CaO CaO qui reste CaO libre Solution de deux équations simultanées pour C 3 S et C 2 S C 4 AF = 3,04Fe 2 O3 C 3 A = 2,65Al 2 O 3 Fe 2 O 3 C 3 S = 8,60SiO Fe 2 O 3 + 5,07Al 2 O 3 3,07CaO C2S = 4,07CaO + 7,60SiO 2 1,43Fe 2 O 3 6,72Al 2 O 3

36 À cause des solutions solides Le calcul «Bogue» n est qu une estimation C 3 S C 2 S C 3 A «C 4 AF» BOGUE QXDA Écarts typiques

37 CEM I (>95% clinker) Résistance précoce High early strength Basse chaleur Low heat Résistance au sulfate (eau de mer) Sulfate resisting Ciment blanc White cement Finesse C 3 S C 3 A alk Finesse C 3 S C 2 S C 3 A alk C 3 A < 4% (bogue) Fe 2 O 3 ~ 0 R1j ~2x R1j ~0.5x R1j ~0.7x ajustement du cru, choix de carrière

38 1 tonne of cement leads to the emission of kg CO 2 Origins of CO 2 emissions in cement production The production process is highly optimised it is estimated that < 2% further savings can be made here Use of waste fuels, which can be > 80% reduces the demand for fossil fuels CaCO3 Decreasing chemical decomposition CO 2 will mean (CHEMICAL) changes in the Fuel chemistry of the cement: therefore its reactions and potential performance

39 Evolution of the use of alternative fuels (France) Total fuel (alternative + fossil) MJ / clinker ton Fossil fuels Source ATILH

40 Substitution level (%) Alternative fuels consumption in Europe (2000)

43 Calorific value Heavy fuel oil MJ/t Petroleum coke Animal fat MJ/t Waste oils tyres Polymers Animal meal Wood and paper wastes A burner for petcoke, solid wastes (two channels), liquid wastes/heavy fuel oil ( Burner for petcoke, solid wastes, natural gas / diesel oil lance. (

45 Reduction d' impact environmental calcaire Clinker + Laitier de haut fourneau Cendres volants Gypse

46 Le ciment Pour fabriquer un ciment, on utilise : Clinker + Calcaire Laitier Cendres volantes Régulateur de prise (gypse) Autres constituants

47 The Future Of Concrete / Facing Challenges Reducing the environmental impact of cement production cement substitutes / supplementary cementitious materials (SCMs) clinker % in cement Holcim clinker factor

48 But increasing substitution of these material is reaching a limit due to: - technical performance - availability Calcined clays NB, reserves of fly ash But this SCM has poor performance 48 limestone

49 Classification des principaux types de ciments selon ENV Désignation Composition en % massique Type Ciment Notation Principaux Secondaire Clinker Ajout I Portland I II III Portland au laitier Portland à la F.S. Portland au calcaire... etc Ciment de haut fourneau II / A-S II / B-S II / A-D II / A-L II / B-L III / A III / B III / C IV Ciment pouzzolaniqu e IV / A IV / B V Ciment composé (*) V / A V / B

51 Classification des principaux types de ciments selon ENV CEM I : Ciment Portland CEM II : Ciment Portland composé CEM III : Ciment de haut fourneau CEM IV : Ciment pouzzolanique CEM V : Ciment composé Constituants principaux et secondaires: - K: Clinker - S: Laitier - D: Fumée de silice - P ou Q: Pouzzolanes - V ou W: cendres volantes - T: Schistes calcinées - L ou LL: Calcaire LL : inférieure à 0,20 % en masse. L : inférieure à 0,50 % en masse. De plus: -M(X-Y): ciment composés -SR: ciments à résistance élevée aux sulfates: extension (CEM I et CEM III/B) Ou si ce n est que valable en Suisse: «-HS-CH» (CEM II/B-M(S-T))

52 Classification des principaux types de ciments selon ENV N: Classe de résistance à court terme ordinaire -R: Classe de résistance à court terme élevée

53 Gamme de ciments en Suisse Type de ciment Livraison 2012 (source: cemsuisse) utilisation CEM II / A-LL 42.5N 50% Bâtiment standard CEM II / B-M(T-LL) 42.5N 30% Bâtiment standard (réduction de la teneur en clinker) CEM I 42.5 N 12% Bâtiment standard CEM I 52.5R 5% Préfabriqué / hivers

54 Ce qu'il faut retenir C=CaO, S=SiO 2, A=Al 2 O 3, F=Fe 2 O 3 4 phases dans clinker C 3 S, C 2 S, C 3 A, C 4 AF Dominance de C 3 S ~ deux tiers Pendant le broyage ajout de ~4-5% CaSO 4.2H 2 O Contrôle de réactivité par la finesse Aujourd'hui beaucoup de ciments mélangés ajouts de calcaire, laitier, etc. Présence de < 1% des alkalis (K 2 0, Na 2 0) qui sont des impuretés, mais jouent un rôle important

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