Chapitre V. Exercices pratiques

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1 Chapitre V Exercices pratiques

2 Exercice n 1 Enoncé : Une cimenterie exploite une carrière de craie dont la composition chimique est donnée sur matière brute dans le tableau suivant. Craie SiO² % 1,00 Al²O3 % 0,50 Fe²O³ % 0,40 CaO % 42,00 Na²0 % 0,05 K²0 % 0,10 Indosés % 2,35 PF % 33,60 Humidité % 20,00 Somme % 100,00 Tonne T 1,00 On demande la production théorique de clinker que l on pourra obtenir à partir d une tonne de craie extraite en carrière. Solution : L énoncé du problème nous donne une quantité d informations qui ne sont pas nécessaires pour la résolution du problème. Nous utiliserons uniquement les valeurs d humidité et de perte au feu pour calculer le tonnage théorique de clinker obtenu à partir de cette craie. A partir des caractéristiques sur matières brutes, on calculera le tonnage de matière sèche et la perte au feu de cette craie exprimée sous matière sèche suivant les formules :? Tonne sèche = 1 x ( ,00 ) / 100 = 0,800 T de craie sèche? PF sur sec = 33,60 x 100 / ( ,00 ) = 42,00 % Reste maintenant à calculer les matières calcinées qui seront produites par les 800 kg de craie sèche avec une perte au feu de 42 % :? Tonne matières calcinées = 0,80 x ( ,00 ) / 100 = 0,464 T 114

3 Exercice n 2 Enoncé : Quelles sont la production et la composition chimique d un clinker d un four alimenté à partir d un mélange de 90 % de calcaire et 10 % d argile. Les humidités de ces matériaux sont respectivement de 5 et de 10 %. La composition sur matières sèches est donnée dans le tableau suivant. Solution : Caractéristiques chimiques des matériaux sur matières sèches P F (%) SiO² (%) Al²O³ (%) Fe²O³ (%) CaO (%) Calcaire Argile Production de clinker : La production de clinker est calculée à partir de la composition du mélange et des caractéristiques des 2 matériaux (perte au feu et humidité). Un mélange de 100 kg de farine sera composé de 90 kg de calcaire et de 10 kg d argile. Les 90 kg de calcaire apporteront? ( 90 / 100 ) x [ (100-5 ) / 100 ] x [ ( ) / 100 ] = 51.3 kg de matières calcinées Les 10 kg d argile apporteront? ( 10 / 100 ) x [ ( ) / 100 ] x [ ( ) / 100 ] = 8.1 kg de matières calcinées La production de clinker sera de? = 59.4 kg de matières calcinées Caractéristiques chimiques du clinker : La composition chimique sur matières calcinées est calculée à partir de la composition sur matières sèches suivant la formule :? Elément calciné = Elément sec x 100 / (100 - PF ) 115

4 Composition sur matières sèches Calcaire Argile SiO² % 3,00 70,00 Al²O3 % 2,00 10,00 Fe²O³ % 1,00 5,00 CaO % 52,00 5,00 PF % 40,00 10,00 Somme % 98,00 100,00 ce qui donne : Composition sur matières calcinées Calcaire Argile SiO² % 5,00 77,78 Al²O3 % 3,33 11,11 Fe²O³ % 1,67 5,56 CaO % 86,67 5,56 Somme % 96,67 100,00 La composition du clinker sera calculée à partir des tonnages et de la composition sur matières calcinées des 2 composants suivant la formule :? Elém clinker = ( T cal Calc x Elém cal Calc + T cal Arg x Elém cal Arg ) / (T cal Calc + T cal Arg ) Composition du clinker Clinker Tonnage T/h 59,40 SiO² % 14,92 Al²O3 % 4,39 Fe²O³ % 2,20 CaO % 75,61 Somme % 97,12 116

5 Exercice n 3 Enoncé : Une farine d alimentation d un four contient 78.5 % de CaCO³, 1.2 % de MgCO³ et 0.4 % combiné comme eau de cristallisation et matières organiques. Quelle est la perte au feu de cette farine? Solution : La perte au feu de cette farine est composée du CO² qui se dégage des carbonates (CaCO³ et MgCO³), de l eau combinée et des matières organiques. CO² : CaCO³ CaO + CO² CO² du CaCO³ = 78.5 x 44 / 100 = % MgCO³ MgO + CO² CO² du MgCO³ = 1.2 x 44 / 84 = 0.63 % Eau combinée, matières organiques 0.4 % Perte au feu = = % 117

6 Exercice n 4 Enoncé : La composition de 3 matériaux est donnée dans le tableau suivant. Les analyses sont exprimées sur matières brutes pour le matériau 1, sur matières sèches pour le matériau 2, sur matières calcinées pour le matériau SiO² 1,60 2,00 3,45 Al²O3 0,80 1,00 1,72 Fe²O³ 0,40 0,50 0,86 CaO 41,60 52,00 89,66 Na²0 0,05 0,06 0,11 K²0 0,10 0,13 0,22 Indosés 1,85 2,31 3,99 PF 33,60 42,00 Humidité 20,00 Somme 100,00 100,00 100,00 Le titre en carbonate de ces 3 matériaux peut être calculé sur matières sèches à partir des compositions chimiques. Quel est le matériau qui a le titre en carbonate le plus élevé sur matières sèches? Solution : Il faut d abord remarquer que les compositions chimiques ne sont pas exprimées de la même manière. Il est nécessaire de choisir une unité : les matières brutes, les matières sèches ou les matières calcinées. Dans ce cas, il faut choisir les matières sèches en fonction de l énoncé et de la question posée. En réalité, les 3 matériaux ont la même composition chimique et par conséquent le même titre en carbonate théorique sur matières sèches. Matériau 1 Matériau 2 Matériau 3? CaO sur sec = x 100 / ( ) = 52 %? Titre en carbonate = 52 x 100 / 56 = %? CaO sur sec = 52 %? Titre en carbonate = 52 x 100 / 56 = % 118

7 Théoriquement, il n est pas possible de calculer le titre en carbonate à partir des indications contenues dans l analyse chimique du matériau 3. En examinant les données de l exercice, on voit que le matériau 3, avec son analyse sur matières calcinées, correspond au matériau 2 avec son analyse sur matières sèches.? CaO sur calciné du matériau 2 = 52 x 100 / ( ) = % = CaO sur calciné du matériau 3.? Titre en carbonate du matériau 3 = Titre en carbonate du matériau 2 119

8 Exercice n 5 Enoncé : Une usine remet les résultats de l autocontrôle annuel d un ciment CEM I 52.5 sous la forme de 2 tableaux reproduits ci-dessous. Caractéristiques physiques annuelles du CEM I 52.5 Rhéologie Résistances mécaniques Blain Stab Eau Dbt Fin 1 j 2 j 7 j 28 j 56 j 90 j Cm 2 /g mm % Min Min MPa MPa MPa MPa MPa MPa Nombre Moyenne , ,5 35,8 56,0 64,6 65,6 69,0 Max ,3 40, , ,7 % > Max Minimum , ,4 31,7 49,4 55,0 64,4 67,2 % < min S² , ,4 4,0 26,2 4,4 1,5 3,1? , ,1 2,0 5,1 2,1 1,2 1,8 V % 6,56 2,12 18,8 14,07 9,33 5,59 9,11 3,25 1,83 2,61 M+1.28? , ,2 38,4 62,5 67,3 67,1 71,3 M-2.33? , ,6 31,1 44,1 59,7 62,8 64,8 M-1.70? , ,9 32,4 47, ,6 65,9 M+1.70? , ,1 39,2 64,7 68,2 67,6 72,1 M-2.13? ,5 45,1 60, ,2 M-1.93? , ,4 31,9 46,2 60,5 63,3 65,5 M+1.53? , ,7 38,9 63,8 67,8 67,4 71,8 M-1.28? , ,8 33,2 49,5 61,9 64,1 66,7 120

9 Caractéristiques chimiques annuelles du CEM I 52.5 Composition chimique Alcalis PF R.I SiO² Al²O³ MgO CO² Cl SO³ Na²O K²O T % % % % % % % % % % % Nombre Moyenne 2,08 0,48 19,56 4,89 0,9 1,56 0,03 3,3 0,31 0,69 0,77 Max 2,79 0,78 20,21 5,19 1,06 2,08 0,11 3,71 0,37 0,91 0,94 % > Max Minimum 1,08 0,1 18,56 4,56 0,72 1,33 0,01 2,84 0,27 0,54 0,65 % < min S² 0,07 0,02 0,08 0,01 0 0,06 0 0, ? 0,26 0,14 0,27 0,11 0,06 0,25 0,01 0,16 0,02 0,06 0,06 V % 12,5 29,17 1,38 2,25 6,67 16,03 33,33 4,85 6,45 8,7 7,79 M+1.28? 2,41 0,66 19,91 5,03 0,98 1,88 0,04 3,5 0,34 0,77 0,85 M-2.33? 1,47 0,15 18,93 4,63 0,76 0,98 0,01 2,93 0,26 0,55 0,63 M-1.70? 1,64 0,24 19,1 4,7 0,8 1,13 0,01 3,03 0,28 0,59 0,67 M+1.70? 2,52 0,72 20,02 5,08 1 1,99 0,05 3,57 0,34 0,79 0,87 M-2.13? 1,53 0,18 18,98 4,66 0,77 1,03 0,01 2,96 0,27 0,56 0,64 M-1.93? 1,58 0,21 19,04 4,68 0,78 1,08 0,01 2,99 0,27 0,57 0,65 M+1.53? 2,48 0,69 19,97 5,06 0,99 1,94 0,05 3,54 0,34 0,78 0,86 M-1.28? 1,75 0,3 19,21 4,75 0,82 1,24 0,02 3,1 0,28 0,61 0,69 Quelles sont les remarques que l on peut formuler sur ces tableaux? Solution : Composition du ciment :? Il s agit d un CEM I qui ne peut contenir que du clinker et du régulateur de prise avec éventuellement 5 % de constituants secondaires.? Ce ciment contient sans doute un filler calcaire (CO² élevé) comme constituant secondaire qui pourrait être de la poussière de four (Cl, RI).? Il n est pas à faible teneur en alcalis (Na²Oeq= 0.77) et n a pas de résistance particulière au sulfate. 121

10 Nombre d essais :? Le nombre des essais imposés par la norme est respecté pour toutes les caractéristiques normalisées (2 par semaine de livraison). Le laboratoire de l usine effectue quelques déterminations complémentaires pour l assistance de la clientèle par exemple.? Le nombre d essais est compris entre 100 et 149. Pour les résistances mécaniques, la constante d acceptabilité pour un risque consommateur de 5 % est de1.93 et de 1.53 pour un risque consommateur de 10 %.? Pour un contrôle par attribut, le nombre acceptable de défauts est de 5 pour un nombre d essais de plus 100 avec un risque consommateur de 10%. Caractéristiques physiques : Classe de résistance Prise :? Le ciment répond aux spécifications des classes 52.5 et 52.5 R pour les limites inférieures caractéristiques et limites inférieures garanties des 2 classes (tableau 12 et 14). Il dépasse la limite supérieure de la classe 42.5.? La vitesse de prise est conforme aux spécifications de la norme européenne Caractéristiques chimiques? La teneur en sulfate est conforme pour la classe de ciment.? On enregistre un dépassement du maximum autorisé pour le chlore (max = 0.11 %). Il s agit pour la composition chimique d un contrôle par attribut. Le nombre acceptable de défauts est de 5 pour un nombre d essais de plus 100 avec un risque consommateur de 10%. Le ciment est par conséquent conforme.? Malgré la présence éventuelle de poussière de four, la perte au feu et le résidu insoluble sont conformes. 122

11 Exercice n 6 Enoncé : Un atelier de broyage dispose de 3 clinkers et de différents matériaux hydrauliques et pouzzolaniques pour sa production de ciments. Un client important lui demande un «ciment spécial» avec des résistances initiales élevées Caractéristiques chimiques des matériaux disponibles dans l atelier de broyage Clinker Clinker Clinker Laitier Cendres Filler Gypse Anhydrite A B C volantes calcaire PF SiO² Al²O³ Fe²O³ CaO SO³ Na² K²O A partir des composants du tableau précédent Solution :? que peut-on proposer au client comme formulation de ciment?? quels sont les essais préliminaires à effectuer avant de mettre ce nouveau ciment sur le marché? Choix du type et de la classe de ciment : Il faut en premier lieu choisir le type de ciment. Pour répondre à la demande du ciment (ciment avec résistance initiale élevée), l atelier de broyage doit préparer un ciment Portland avec une finesse élevée qui devra éventuellement répondre aux spécifications du CEM I 52.5 R. Dans cet exercice, il ne faut plus tenir compte des autres constituants hydrauliques ou pouzzolaniques comme constituants principaux. Ils pourront peut-être, suivant les performances obtenues, être utilisés comme constituants secondaires (< 5 %). Choix du clinker : En principe, il est possible de répondre à la demande du client à partir des 3 clinkers. Il est cependant nécessaire de demander des précisions complémentaires au client sur la dénomination «ciment spécial». Les 3 clinkers n ont pas la même composition chimique et minéralogique et ne peuvent être utilisés indifféremment dans toutes les formulations de béton ou dans tous les environnements. 123

12 Il est important de visualiser la composition minéralogique avant de choisir le clinker qui servira à la nouvelle fabrication. Caractéristiques chimiques des matériaux disponibles dans l atelier de broyage Clinker Clinker Clinker Laitier Cendres Filler Gypse Anhydrite A B C volantes calcaire PF SiO² Al²O³ Fe²O³ CaO SO³ Na² K²O Na²Oeq 0, C³S C²S C³A C 4 AF LSF A partir de la composition minéralogique, il est possible de choisir le clinker en fonction du milieu :? Pas de précaution particulière pas de restriction? Présence d agents agressifs dans le milieu (sulfate) limiter la teneur en C³A? Utilisation de granulat réactif choisir un ciment à faible teneur en alcalis Choix du ciment en fonction de l environnement Ordinaire Présence de sulfate Granulats réactifs Clinker A Clinker B Clinker C Choix du régulateur de prise Pour répondre aux spécifications du client, il est nécessaire de broyer le ciment à une finesse élevée. La réactivité initiale du ciment nécessite une certaine quantité de sulfate soluble pour la mise en œuvre du béton dans des conditions acceptables. Cette quantité doit être recherchée par la détermination d un l optimum sulfate. La nécessité d utiliser un mélange de gypse et d anhydrite ne doit pas être rejetée. L optimum sulfate apportera aussi une réponse. 124

13 Exercice n 7 Enoncé : Une cimenterie produit un ciment Portland CEM I 42.5 utilisé pendant la période estivale pour la réalisation de grands travaux routiers dans une zone désertique. L entrepreneur rencontre de grosses difficultés pour réaliser des dalles en béton de bonne qualité. De l eau doit toujours être ajoutée sur le chantier pour pomper le béton et des fissures apparaissent moins de 24 heures après la mise en place du béton. Quelles sont les démarches à entreprendre par la cimenterie pour fabriquer un ciment répondant aux spécifications de l entrepreneur? Données complémentaires : La cimenterie produit le CEM I 42.5 avec un clinker très réactif dans un moulin en circuit ouvert avec comme consignes de fabrication :? Blaine : 3000 à 3200 cm²/g? Clinker : 95 %? Gypse : 5 % Le ciment sort du broyeur à une température de plus de 80 c et est stocké dans un grand silo en moyenne pendant 1 semaine en attendant le chargement d un train de wagons destiné au chantier routier. Le laboratoire prélève des échantillons instantanés à la sortie des ateliers de broyage et à la sortie des stations d expédition une fois par jour. On ne remarque pas d'anomalie dans la composition chimique, la vitesse de durcissement ou l évolution des résistances mécaniques pour les 2 familles de ciment prélevées à la sortie de l atelier de broyage ou à la sortie des silos. 125

14 Blaine Sortie broyeur Perte RC 2 au feu jours CEM I 42.5 juillet 1998 Sortie Silo RC 28 Blaine Perte RC 2 jours au feu jours RC 28 jours ,7 10,3 40, ,3 10,2 40, ,9 14,1 42, ,3 11,3 42, ,9 14,3 49, ,7 12,5 42, ,8 14,8 46, ,5 8,9 40, ,6 14,2 40, ,3 11,0 43, ,1 10,0 49, ,1 12,7 42, ,7 10,5 45, ,4 12,8 43, ,7 14,6 48, ,0 10,2 40, ,1 14,3 41, ,7 9,4 47, ,7 11,8 46, ,5 8,2 47, ,8 11,6 47, ,4 13,0 41, ,6 10,3 44, ,9 11,9 39, ,7 14,6 45, ,6 11,1 41, ,9 10,1 47, ,8 11,0 41, ,2 11,1 41, ,9 8,3 44, ,6 12,9 45, ,1 11,0 38, ,9 12,1 42, ,0 8,7 42, ,1 13,8 45, ,0 12,0 46, ,0 10,4 46, ,4 11,3 40, ,0 10,3 49, ,4 10,5 38, ,0 12,7 43, ,7 10,0 38, ,0 12,8 44, ,3 11,0 43, ,7 11,2 42, ,2 8,1 43, ,7 14,1 45, ,3 10,0 42, ,2 10,3 43, ,9 11,6 47, ,9 12,0 49, ,7 11,3 46, ,9 10,2 46, ,9 11,8 44, ,4 13,6 40, ,8 12,4 40, ,3 14,0 45, ,7 12,7 39, ,7 11,2 44, ,5 8,9 39, ,1 14,3 40, ,9 10,9 47,1 Moy ,3 12,3 44, ,1 10,8 42,5 E type 59 0,5 1,7 2,9 53 0,5 1,4 2,8 Solution : Pour comprendre le problème rencontré, nous devons examiner les résultats de fabrication de l usine. Entre la sortie de la mouture et la sortie du silo, on constate :? Un maintien du Blaine? Une diminution de la perte au feu? Une diminution des résistances à la compression à 2 et 28 jours. Sortie Mouture + modifications (délais, propriétés) liées au stockage = Sortie Silo 126

15 Cette évolution est provoquée par un changement de qualité du ciment pendant le stockage. Sur chantier, cela se traduit par une augmentation du besoin en eau du ciment pour compenser une perte d ouvrabilité du ciment qui peut être imputée à un raidissement précoce ou au phénomène de fausse prise. Dans ce cas, le raidissement est provoqué par la fausse prise car :? Il n y a pas d anomalie signalée dans le contrôle de la prise en laboratoire sur les échantillons prélevés à la sortie de la mouture et du silo? La diminution de perte au feu entre les échantillons sortie mouture et sortie silo est provoquée par une déshydratation du gypse en plâtre pendant le stockage du ciment à une température de plus de 60 c? L eau dégagée par le gypse hydrate en partie le ciment et entraîne une réduction des résistances à la compression à 2 et 28 jours. La fausse prise nécessite une addition d eau dans le camion mixer qui a une répercussion négative sur la qualité du béton. Cet excès d eau est responsable de la fissuration précoce du béton. Pour résoudre ce problème, le cimentier doit investiguer dans plusieurs directions : Vérifier l optimum en sulfate du ciment L important n est pas de fabriquer un ciment avec une teneur donnée en soufre exprimée sous la forme de sulfate mais de disposer d une quantité suffisante de sulfate soluble (gypse, plâtre, anhydrite, sulfate alcalin du clinker) pour maîtriser le clinker sans entraîner la fausse prise plâtre Choisir les matières sulfatées Un remplacement partiel du gypse par de l anhydrite peut solutionner le problème. Constituant secondaire Ajouter un constituant secondaire (calcaire par exemple) dans le ciment pour diminuer la réactivité du ciment. Il y a une réserve suffisante de résistance dans le ciment. Choisir autre ciment Proposer un ciment composé qui développera rapidement son potentiel hydraulique ou pouzzolanique dans les conditions du chantier. 127

16 Exercice n 8 Enoncé : Quelle est la production d un four rotatif sachant qu il est alimenté par 6000 tonnes de pâte avec une humidité de 30 %, 38 % de perte au feu sur matières sèches. On injecte chaque heure 30 tonnes de charbon sec à 60 % de cendres. Le four dégage 400 tonnes de poussières par jour entier de production. Ces poussières sont recueillies dans des électrofiltres et réinjectées dans le four (90 %) ou utilisées comme filler pour la production de ciment (10 %). La perte au feu de ces poussières est de 20 %. Solution : Pour réaliser le calcul de production, il faut dresser un schéma du four avec les matières entrantes et sortantes, et veiller au préalable à transformer tous les matériaux sur matières calcinées. Quantités de matières : Pâte clinkérisée : [ 6000 x (100-30) / 100 ] x [ (100-38) / 100 ] = 2604 t Cendres de charbon : 30 x 24 x 60 / 100 = 432 t Poussières dégagées : 400 x ( ) / 100 = 320 t Poussières injectées : 320 x 90 / 100 = 288 t Production du four : = 3004 t de clinker Mouvements des matières dans le four Cendres de charbon = 432 t Pâte = 2604 t Four Poussières injectées = 288 t Poussières dégagées = 320 t 128

17 Exercice n 9 Enoncé : Calculer les indices principaux et la composition minéralogique du clinker suivant Solution : SiO² % 22,47 Al²O3 % 5,51 Fe²O³ % 2,99 CaO % 67,06 Na²0 % 0,25 K²0 % 0,74 Indosés % 0,98 Somme % 100,00 Le calcul est réalisé suivant les formules du chapitre III énoncées dans les paragraphes 2 et 3 du chapitre III, ce qui donne : Facteur saturation en chaux % 93,98 (LSF) Module hydraulique (HM) 2,17 Module silicique (SM) 2,04 Module aluminoferrique (TM) 1,85 C³S % 60,86 C³S % 18,84 C³A % 9,57 C4AF % 9,08 129

18 Exercice n 10 Enoncé : Une cimenterie fabrique un clinker ordinaire à partir du mélange de calcaire, d argile et d un matériau de correction suivant les données du tableau ci-dessous exprimées sur matières sèches : Calcaire Argile Correctif Tonnage T/h 98,50 20,70 2,48 SiO² % 1,12 80,00 10,10 Al²O3 % 0,81 15,56 15,15 Fe²O³ % 0,41 1,11 70,71 CaO % 54,01 1,11 1,01 Na²0 % 0,15 0,22 0,20 K²0 % 0,30 1,33 0,51 Indosés % 0,76 0,11 0,30 PF % 42,44 0,56 2,02 Somme % 100,00 100,00 100,00 Quelle est la teneur en alcalis équivalents du clinker fabriqué? Solution : Pour répondre à la question, il faut d abord calculer la composition chimique et le tonnage des 3 matières premières sur matières calcinées en fonction des tonnages et de la composition chimique des 3 matériaux de base donnés sur matières sèches dans le tableau de l énoncé : Calcaire Argile Correctif Tonnage T/h 56,70 20,59 2,43 SiO² % 1,94 80,45 10,31 Al²O3 % 1,41 15,64 15,46 Fe²O³ % 0,71 1,12 72,16 CaO % 93,83 1,12 1,03 Na²0 % 0,26 0,22 0,21 K²0 % 0,53 1,34 0,52 Indosés % 1,32 0,11 0,31 Somme % 100,00 100,00 100,00 A partir de ces caractéristiques sur matières calcinées, il est possible de déterminer le tonnage et la composition du clinker : Clinker Tonnage T/h 79,71 130

19 SiO² % 22,47 Al²O3 % 5,51 Fe²O³ % 2,99 CaO % 67,06 Na²0 % 0,25 K²0 % 0,74 Indosés % 0,98 Somme % 100,00 Les alcalis équivalents se calculent suivant la formule : Na²Oeq = Na²O x K²O Na²Oeq = ( x0.74 ) = 0.74 % 131

20 Exercice n 11 Enoncé : Un clinker répond à la composition suivante : Clinker Tonnage T/h 79,71 SiO² % 22,47 Al²O3 % 4,51 Fe²O³ % 3,99 CaO % 67,06 Na²0 % 0,25 K²0 % 0,74 Indosés % 0,98 Somme % 100,00 Pour cette concentration en Al²O³, quelle devrait être la teneur en Fe²O³ du clinker pour obtenir une teneur en C³A de 5 %? Solution : La teneur en C³A est donnée suivant la formule : C³A = 2.65 x Al²O³ - 1,69 x Fe²O³ Pour répondre à la question, il suffit de résoudre l équation : 5 = 2,65 X X Fe²O³ = 4.11 % de Fe²O³ 132

21 Exercice n 12 Enoncé : Une cimenterie fabrique un clinker à haute résistance à partir d un calcaire (Calc A), d une argile (Arg 1) et d un matériau de correction (Corr 1). Elle dispose à proximité de 3 anciennes carrières de calcaire (Calc B, Calc C, Calc D) et d argile (Arg 2) exploitées anciennement par d autres cimenteries qui ont cessé leurs activités. Le calcaire utilisé est exploité dans une carrière avec une découverte importante (Découv) qui est évacuée. Le tableau suivant résume les caractéristiques chimiques du mélange actuel utilisé pour fabriquer la farine sur matières sèches. Calc A Calc B Calc C Calc D Arg 1 Arg 2 Découv Corr 1 T T/h 99,00 22,00 2,48 SiO² % 1,12 4,00 1,00 1,00 75,00 80,00 62,00 10,10 Al²O3 % 0,81 4,00 2,00 1,00 15,00 9,00 23,00 15,15 Fe²O³ % 0,41 3,00 0,10 0,20 4,00 5,00 5,00 70,00 CaO % 53,50 44,60 52,00 52,00 2,00 2,00 5,00 1,01 Na²0 % 0,15 0,10 2,00 0,10 0,22 0,20 0,00 0,20 K²0 % 0,30 1,00 0,60 0,10 1,33 0,51 0,00 0,51 P²O5 % 0,10 0,30 0,10 0,70 0,10 0,00 0,10 0,50 Cl % 0,10 0,20 1,00 0,10 0,00 0,00 0,00 0,00 MgO % 1,00 4,00 0,10 0,20 0,10 1,00 0,10 0,20 Indos % 0,07 0,76 0,24 0,74 0,68 0,72 0,87 1,54 PF % 42,44 38,04 40,86 43,86 1,57 1,57 3,93 0,79? % 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 Existe-t-il une formulation plus économique pour fabriquer un clinker équivalent à partir de ces matériaux? Est-il possible de fabriquer un clinker avec moins de 3 % de C³A? Solution : Caractéristiques du clinker actuel : Avant de commencer à rechercher une réponse aux questions posées, il est nécessaire de caractériser le clinker fabriqué actuellement. A partir du tableau des caractéristiques des matériaux, il est possible de calculer les caractéristiques du mélange actuel sur matières calcinées et du clinker fabriqué. 133

22 Calc A Calc B Calc C Calc D Arg 1 Arg 2 Découv Corr 1 T T/h 60,00 21,65 2,46 SiO² % 1,95 6,46 1,69 1,78 76,20 81,28 64,54 10,18 Al²O3 % 1,41 6,46 3,38 1,78 15,24 9,14 23,94 15,27 Fe²O³ % 0,71 4,84 0,17 0,36 4,06 5,08 5,20 70,56 CaO % 92,95 71,99 87,92 92,62 2,03 2,03 5,20 1,02 Na²0 % 0,26 0,16 3,38 0,18 0,22 0,20 0,00 0,20 K²0 % 0,52 1,61 1,01 0,18 1,35 0,52 0,00 0,51 P²O5 % 0,17 0,48 0,17 1,25 0,10 0,00 0,10 0,50 Cl % 0,17 0,32 1,69 0,18 0,00 0,00 0,00 0,00 MgO % 1,74 6,46 0,17 0,36 0,10 1,02 0,10 0,20 Indos % 0,12 1,22 0,41 1,32 0,69 0,73 0,91 1,55? % 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 Clinker T T/h 84,12 SiO² % 21,30 Al²O3 % 5,37 Fe²O³ % 3,62 CaO % 66,85 Na²0 % 0,25 K²0 % 0,73 P²O5 % 0,16 Cl % 0,12 MgO % 1,27 Ind % 0,31? % 100,00 Saturation en chaux (LSF) % 97,83 Module hydraulique (HM) 2,21 Module silicique (SM) 1,98 Module aluminoferrique (TM) 1,49 C³S % 68,91 C³S % 9,45 C³A % 8,13 C 4 AF % 11,00 La production théorique du four est de x 24 = 2019 T/j 134

23 1. Critique des matériaux disponibles : Matériaux calcaires? Calcaire A : Le calcaire est exploité dans la carrière de l usine pour la fabrication du clinker actuel. Il peur être pris comme référence pour évaluer les autres matériaux.? Calcaire B : Le calcaire B est un calcaire pauvre. Il a le gros désavantage d apporter une quantité importante de magnésie. Il ne peut certainement pas être utilisé seul mais éventuellement en faible quantité. Les teneurs en alumine et fer sont aussi élevées? Calcaire C Il s agit d un calcaire d une haute pureté. L utilisation du calcaire C doit être limitée car il contient des quantités importantes de chlore et d alcalis qui perturberont le bon fonctionnement du four avant de modifier, si ces éléments se retrouvent dans le clinker, la qualité du produit final. Ce matériau ne pourra être utilisé qu en faible proportion dans la farine.? Calcaire D : Il s agit d un calcaire de haute pureté. Son utilisation sera limitée par sa teneur en phosphate qui aura une répercussion sur la vitesse de durcissement du ciment. Matériaux siliceux :? Argile 1 : Ce matériau peut être pris comme matériau de référence pour les apports de silice. Il s agit sans doute d un sable argileux au vu du rapport silice et alumine.? Argile 2 : La deuxième argile est aussi un sable argileux qui ne contient pas d élément chimique indésirable par rapport au matériau siliceux de référence. L énoncé ne donne aucune indication sur les finesses ou la broyabilité de ces matériaux. A priori, Arg 2 peut remplacer Arg 1.? Découverte : Ce matériau constitue la découverte de la carrière de calcaire actuellement en exploitation. Pour cette raison, son utilisation est certainement avantageuse sur un plan économique. Au niveau chimique il s agit aussi d un sable argileux avec une quantité plus importante en alumine que les 2 autres matériaux siliceux (rapport silice/alumine plus faible). L introduction de la découverte dans la farine modifiera fondamentalement l apport d alumine et par conséquent la qualité du clinker. 135

24 2. Mélange destiné à la fabrication d un clinker de qualité équivalente : La solution économique consiste à introduire une certaine quantité de découverte dans le mélange pour constituer la farine. Cette action a comme avantage de réduire la quantité de matière de correction. Elle ne modifie pas fondamentalement la composition et les caractéristiques du clinker :? Légère diminution du module silicique? Légère augmentation de la magnésie? Diminution des alcalis équivalents Caractéristiques sur matières sèches Calc A Calc B Calc C Cal D Arg 1 Arg 2 Découv Corr 2 T T/h 104,00 12,00 11,00 2,35 SiO² % 1,12 4,00 1,00 1,00 75,00 80,00 62,00 10,10 Al²O3 % 0,81 4,00 2,00 1,00 15,00 9,00 23,00 15,15 Fe²O³ % 0,41 3,00 0,10 0,20 4,00 5,00 5,00 70,00 CaO % 53,50 44,60 52,00 52,00 2,00 2,00 5,00 1,01 Na²0 % 0,15 0,10 2,00 0,10 0,22 0,20 0,00 0,20 K²0 % 0,30 1,00 0,60 0,10 1,33 0,51 0,00 0,51 P²O5 % 0,10 0,30 0,10 0,70 0,10 0,00 0,10 0,50 Cl % 0,10 0,20 1,00 0,10 0,00 0,00 0,00 0,00 MgO % 1,00 4,00 0,10 0,20 0,10 1,00 0,10 0,20 Ind % 0,07 0,76 0,24 0,74 0,68 0,72 0,87 1,54 PF % 42,44 38,04 40,86 43,86 1,57 1,57 3,93 0,79? % 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 Caractéristiques sur matières calcinées Calc A Calc B Calc C Cal D Arg 1 Arg 2 Découv Corr 2 T T/h 59,86 0,00 0,00 0,00 0,00 11,81 10,57 2,33 SiO² % 1,95 6,46 1,69 1,78 76,20 81,28 64,54 10,18 Al²O3 % 1,41 6,46 3,38 1,78 15,24 9,14 23,94 15,27 Fe²O³ % 0,71 4,84 0,17 0,36 4,06 5,08 5,20 70,56 CaO % 92,95 71,99 87,92 92,62 2,03 2,03 5,20 1,02 Na²0 % 0,26 0,16 3,38 0,18 0,22 0,20 0,00 0,20 K²0 % 0,52 1,61 1,01 0,18 1,35 0,52 0,00 0,51 P²O5 % 0,17 0,48 0,17 1,25 0,10 0,00 0,10 0,50 Cl % 0,17 0,32 1,69 0,18 0,00 0,00 0,00 0,00 MgO % 1,74 6,46 0,17 0,36 0,10 1,02 0,10 0,20 Ind % 0,12 1,22 0,41 1,32 0,69 0,73 0,91 1,55? % 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 136

25 Caractéristiques du clinker Clinker T T/h 84,57 SiO² % 21,07 Al²O3 % 5,69 Fe²O³ % 3,81 CaO % 66,75 Na²0 % 0,22 K²0 % 0,46 P²O5 % 0,15 Cl % 0,12 MgO % 1,39 Ind % 0,34? % 100,00 Facteur saturation en chaux (LSF) % 97,89 Module hydraulique (HM) 2,18 Module silicique (SM) 1,85 Module aluminoferrique (TM) 1,49 C³S % 67,87 C³S % 9,58 C³A % 8,63 C 4 AF % 11,58 Comparaison des 2 formulations Référence Proposition T T/h 84,12 84,57 SiO² % 21,30 21,07 Al²O3 % 5,37 5,69 Fe²O³ % 3,62 3,81 CaO % 66,85 66,75 Na²0 % 0,25 0,22 K²0 % 0,73 0,46 P²O5 % 0,16 0,15 Cl % 0,12 0,12 MgO % 1,27 1,39 Ind % 0,31 0,34? % 100,00 100,00 Saturation en chaux (LSF) % 97,83 97,89 Module hydraulique (HM) 2,21 2,18 Module silicique (SM) 1,98 1,85 Mod aluminoferrique (TM) 1,49 1,49 C³S % 68,91 67,87 C³S % 9,45 9,58 C³A % 8,13 8,63 137

26 C 4 AF % 11,00 11,58 3. Mélange destiné à la fabrication d un clinker avec une teneur en C³A < 3 % : La réduction de la teneur en C³A peut être obtenue de 2manières utilisées conjointement ou séparément en choisissant les matières premières pour :? Augmenter la teneur en fer? Réduire la teneur en alumine Par exemple une solution peut être obtenue à partir du calcaire A, de l argile 2 et du matériau de correction. Caractéristiques sur matières sèches Calc A Calc B Calc C Cal D Arg 1 Arg 2 Découv Corr 2 T T/h 104,00 21,00 3,70 SiO² % 1,12 4,00 1,00 1,00 75,00 80,00 62,00 10,10 Al²O3 % 0,81 4,00 2,00 1,00 15,00 9,00 23,00 15,15 Fe²O³ % 0,41 3,00 0,10 0,20 4,00 5,00 5,00 70,00 CaO % 53,50 44,60 52,00 52,00 2,00 2,00 5,00 1,01 Na²0 % 0,15 0,10 2,00 0,10 0,22 0,20 0,00 0,20 K²0 % 0,30 1,00 0,60 0,10 1,33 0,51 0,00 0,51 P²O5 % 0,10 0,30 0,10 0,70 0,10 0,00 0,10 0,50 Cl % 0,10 0,20 1,00 0,10 0,00 0,00 0,00 0,00 MgO % 1,00 4,00 0,10 0,20 0,10 1,00 0,10 0,20 Ind % 0,07 0,76 0,24 0,74 0,68 0,72 0,87 1,54 PF % 42,44 38,04 40,86 43,86 1,57 1,57 3,93 0,79? % 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 Caractéristiques sur matières calcinées Calc A Calc B Calc C Cal D Arg 1 Arg 2 Découv Corr 2 T T/h 59,86 0,00 0,00 0,00 0,00 20,67 0,00 3,67 SiO² % 1,95 6,46 1,69 1,78 76,20 81,28 64,54 10,18 Al²O3 % 1,41 6,46 3,38 1,78 15,24 9,14 23,94 15,27 Fe²O³ % 0,71 4,84 0,17 0,36 4,06 5,08 5,20 70,56 CaO % 92,95 71,99 87,92 92,62 2,03 2,03 5,20 1,02 Na²0 % 0,26 0,16 3,38 0,18 0,22 0,20 0,00 0,20 K²0 % 0,52 1,61 1,01 0,18 1,35 0,52 0,00 0,51 P²O5 % 0,17 0,48 0,17 1,25 0,10 0,00 0,10 0,50 Cl % 0,17 0,32 1,69 0,18 0,00 0,00 0,00 0,00 MgO % 1,74 6,46 0,17 0,36 0,10 1,02 0,10 0,20 Ind % 0,12 1,22 0,41 1,32 0,69 0,73 0,91 1,55? % 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 138

27 Caractéristiques du clinker Clinker T T/h 84,20 SiO² % 21,78 Al²O3 % 3,91 Fe²O³ % 4,83 CaO % 66,62 Na²0 % 0,24 K²0 % 0,52 P²O5 % 0,15 Cl % 0,12 MgO % 1,49 Ind % 0,33? % 100,00 Facteur saturation en chaux (LSF) % 96,93 Module hydraulique (HM) 2,18 Module silicique (SM) 2,78 Module aluminoferrique (TM) 0,81 C³S % 72,44 C³S % 8,17 C³A % 2,20 C 4 AF % 14,68 Comparaison des 2 formulations Référence Proposition T T/h 84,12 84,20 SiO² % 21,30 21,78 Al²O3 % 5,37 3,91 Fe²O³ % 3,62 4,83 CaO % 66,85 66,62 Na²0 % 0,25 0,24 K²0 % 0,73 0,52 P²O5 % 0,16 0,15 Cl % 0,12 0,12 MgO % 1,27 1,49 Ind % 0,31 0,33? % 100,00 100,00 Saturation en chaux (LSF) % 97,83 96,93 Module hydraulique (HM) 2,21 2,18 Module silicique (SM) 1,98 2,78 Mod aluminoferrique (TM) 1,49 0,81 C³S % 68,91 72,44 C³S % 9,45 8,17 C³A % 8,13 2,20 C 4 AF % 11,00 14,68 139

28 Exercice 13 Enoncé : Une cimenterie désire fabriquer un clinker pour puits de pétrole à partir de 4 matières premières disponibles à proximité de l usine :? Calcaire (10 % d humidité)? Découverte de la carrière (10 % d humidité)? Argile (10 % d humidité)? Minerai de fer (3 % d humidité) Le clinker doit avoir un facteur de saturation compris entre 97 et 100 % et une teneur en C³A < 3 %. La production du four est de 100 t par heure de marche en régime. La cuisson est menée au gaz naturel et la marche du four ne nécessite pas de by pass de poussières. Les compositions sur matières sèches de ces matériaux sont données dans le tableau suivant. Calcaire Découverte Argile Minerai fer SiO² % 1,12 80,00 62,00 10,10 Al²O3 % 0,81 9,00 23,00 15,15 Fe²O³ % 0,41 5,00 5,00 70,00 CaO % 53,50 2,00 5,00 1,01 Na²0 % 0,15 0,20 0,00 0,20 K²0 % 0,30 0,51 0,00 0,51 P²O5 % 0,10 0,00 0,10 0,50 Cl % 0,10 0,00 0,00 0,00 MgO % 1,00 1,00 0,10 0,20 Indosés % 0,07 0,72 0,87 1,54 PF % 42,44 1,57 3,93 0,79 Somme % 100,00 100,00 100,00 100,00 On demande de proposer une composition de farine pour répondre à cet objectif Et de calculer le tonnage horaire des matières premières à préparer. Solution : On demande de fabriquer un clinker avec 3 caractéristiques :? le tonnage de clinker à produire (100t/h )? la saturation de ce clinker doit être comprise entre 97 et 100 % 140

29 ? la teneur en C³A du clinker doit être en dessous de 3 % Ce système de 3 équations sera résolu avec 3 inconnues :? la quantité de calcaire (matière de base)? la quantité de minerai de fer (nécessaire pour réduire la teneur en C³A)? la découverte, matière argileuse à déplacer pour l exploitation du calcaire, qui contient le moins d alumine par rapport à la concentration de silice. L argile est éliminée dans le calcul si les disponibilités en matières argileuses dans la découverte sont suffisantes. Bilan matières : Tc calciné + Td calciné + Tf calciné = 100 Avec :? Tc brut = Tc calciné / ( ( ) / 100 ) x ( ( ) / 100)? Td brut = Td calciné / ( ( ) / 100 ) x ( ( ) / 100)? Tf brut = Tf calciné / ( ( ) / 100 ) x ( ( ) / 100) Facteur de saturation : 100((Tccalciné x CaOccalciné) + (Tdcalciné x CaOdcalciné) + (Tfcalciné x CaOfcalciné)) / 2.8((Tccalciné x SiO²ccalciné) + (Tdcalciné x SiO²dcalciné) + (Tfcalciné x SiO²fcalciné)) 1.18((Tccalciné x Al²O³ccalciné) + (Tdcalciné x Al²O³dcalciné) + (Tfcalciné x Al²O³fcalciné)) 0.65((Tccalciné x fe²o³ccalciné) + (Tdcalciné x Fe²O³dcalciné) + (Tfcalciné x Fe²O³fcalciné)) Teneur en C³A : = ((Tccalciné x Al²O³ccalciné) + (Tdcalciné x Al²O³dcalciné) + (Tfcalciné x Al²O³fcalciné)) ((Tccalciné x fe²o³ccalciné) + (Tdcalciné x Fe²O³dcalciné) + (Tfcalciné x Fe²O³fcalciné)) = 2,6 La résolution de ce système de 3 équations à 3 inconnues à comme solution :? Calcaire : 139 t/h? Découverte : 27.5 t/h? Minerai de fer :4 t/h 141

30 Les diverses transformations de matières brutes en matières sèches et matières calcinées sont résumées dans les tableaux suivants. Brut Calcaire Découverte Argile Minerai fer Tonnage T/h 139,00 27,50 4,00 Humidité % 10,00 10,00 5,00 3,00 Sec Calcaire Découverte Argile Minerai fer Tonnage T/h 125,10 24,75 0,00 3,88 SiO² % 1,12 80,00 62,00 10,10 Al²O3 % 0,81 9,00 23,00 15,15 Fe²O³ % 0,41 5,00 5,00 70,00 CaO % 53,50 2,00 5,00 1,01 Na²0 % 0,15 0,20 0,00 0,20 K²0 % 0,30 0,51 0,00 0,51 P²O5 % 0,10 0,00 0,10 0,50 Cl % 0,10 0,00 0,00 0,00 MgO % 1,00 1,00 0,10 0,20 Indosés % 0,07 0,72 0,87 1,54 PF % 42,44 1,57 3,93 0,79 Somme % 100,00 100,00 100,00 100,00 Calciné Calcaire Découverte Argile Minerai fer Tonnage T/h 72,01 24,36 0,00 3,85 SiO² % 1,95 81,28 64,54 10,18 Al²O3 % 1,41 9,14 23,94 15,27 Fe²O³ % 0,71 5,08 5,20 70,56 CaO % 92,95 2,03 5,20 1,02 Na²0 % 0,26 0,20 0,00 0,20 K²0 % 0,52 0,52 0,00 0,51 P²O5 % 0,17 0,00 0,10 0,50 Cl % 0,17 0,00 0,00 0,00 MgO % 1,74 1,02 0,10 0,20 Indosés % 0,12 0,73 0,91 1,55 Somme % 100,00 100,00 100,00 100,00 142

31 Clinker Tonnage T/h 100,22 SiO² % 21,55 Al²O3 % 3,82 Fe²O³ % 4,46 CaO % 67,32 Na²0 % 0,24 K²0 % 0,52 P²O5 % 0,14 Cl % 0,12 MgO % 1,50 Indosés % 0,32 Somme % 100,00 Facteur saturation en chaux 99,38 (LSF) Module hydraulique (HM) 2,26 Module silicique (SM) 2,82 Module aluminoferrique (TM) 0,86 C³S % 78,18 C³S % 3,20 C³A % 2,59 C4AF % 13,55 143

32 Exercice 14 Enoncé : Les résultats d analyse à l entrée et à la sortie d un silo d homogénéisation de cru avant l alimentation d un four sont repris dans les 2 tableaux suivants. Décrivez le procédé utilisé et calculez le rendement d homogénéisation de ce silo? Remplissage du silo SiO² Al²O³ Fe²O³ CaO LSF 1 10,41 2,11 1,35 47, ,93 1,93 1,33 47, ,94 2,00 1,33 47, ,17 2,01 1,36 47, ,00 1,93 1,33 47, ,31 2,00 1,28 47, ,82 2,15 1,31 47, ,64 2,03 1,36 46, ,39 1,99 1,33 46, ,38 2,05 1,30 47, ,45 2,15 1,36 47, ,90 1,94 1,30 47, ,83 1,85 1,26 47, ,94 2,02 1,35 47, ,95 2,20 1,32 47, ,15 2,02 1,34 47, ,20 1,92 1,28 47, ,90 2,15 1,30 48, ,30 2,06 1,31 47, ,39 2,22 1,34 45, ,48 2,32 1,33 46, ,28 2,25 1,35 46, ,44 2,25 1,32 47, Moy 10,27 2,07 1,32 47, E Type 0,61 0,12 0,03 0,

33 Correction et vidange du silo SiO² Al²O³ Fe²O³ CaO LSF 1 12,26 2,54 1,71 44, ,42 2,50 1,71 44, ,86 2,49 1,70 44, ,85 2,49 1,69 45, ,41 2,53 1,70 44, ,35 2,49 1,69 45, ,42 2,52 1,70 45, ,12 2,47 1,69 44, ,49 2,52 1,70 45, ,25 2,56 1,71 44, ,45 2,48 1,70 44, ,92 2,51 1,72 44, ,82 2,47 1,71 45, ,49 2,53 1,72 45, ,41 2,54 1,68 44, ,36 2,51 1,70 45, ,15 2,47 1,68 44, ,90 2,50 1,70 45, ,50 2,50 1,72 44, ,40 2,51 1,72 44, ,32 2,48 1,67 45, ,10 2,45 1,68 44, ,40 2,50 1,72 45, Moy 12,25 2,50 1,70 44, E Type 0,23 0,03 0,01 0,41 2 Solution : En comparant les analyses des 2 tableaux Entrée et Sortie silo, il est évident que des opérations de correction chimique sont réalisées pendant l homogénéisation de la matière. La saturation passe de 148 % en moyenne à l entrée du silo à 117 % en moyenne à la sortie du silo. Cette farine ne peut servir seule à la fabrication du clinker. Il est nécessaire d ajouter une quantité importante de matières siliceuses pour ramener son facteur de saturation de 117 % à une valeur < 100 % lors de la cuisson. Le rapport d homogénéisation (E) est défini par le rapport des écarts type entrée et sortie silo. Il est >2.5 et supérieur aux valeurs moyennes pour ce genre d installation. SiO² Al²O³ Fe²O³ CaO LSF Entrée Sortie E

34 146

35 Etude de l'utilisation potentielle d'argiles dans un cru de cimenterie 1 Objectif de l'étude Etablir un diagnostic sur l'utilisation de matériaux siliceux disponibles près d une cimenterie pour la fabrication d'un clinker. 2 Echantillons à évaluer - Argilite prélevée entre 488 et 489 mètres. L'échantillon est constitué de 8 morceaux de carottes de 85 mm de diamètre et 40 mm de hauteur. - Silt Argileux prélevé entre 590 et 613 mètres (Silt en abrégé). L'échantillon est constitué de 3 morceaux de carottes de 100 mm de diamètre et de 100 mm de hauteur. 3 Résultats Les résultats sont résumés dans les tableaux et les graphiques en annexe. 4 Modes opératoires 4.1 Schéma général de travail Un échantillon de ± 1 kg de matière est constitué pour l'étude en prélevant un morceau sur chacune des 8 carottes d'argilite et des 3 carottes de Silt. L'humidité est déterminée avant la réduction complète de l'échantillon en dessous de 200 µm dans un broyeur à couteaux. La caractérisation chimique et la mesure de la courbe granulométrique sont réalisées à ce stade. Pour évaluer l'aptitude à la cuisson des 2 matériaux argileux, des farines synthétiques sont préparées en mélangeant ces matériaux avec une farine de base avec un module LSF de 125. Les mélanges sont obtenus par un broyage de 30 secondes dans un broyeur oscillant en milieu humide. Deux matériaux traditionnellement utilisés en cimenterie sont pris comme référence pour cette évaluation. L'évolution de la teneur en chaux libre des farines en fonction de la température de calcination servira à caractériser l'aptitude à la cuisson de l'argilite et du Silt. 4.2 Méthodes analytiques Humidité L'échantillon de ± 1 kg constitué de morceaux de carottes concassés en dessous de 10 mm de diamètre est porté à 100 C dans une étuve ventilée. L'échantillon est maintenu jusque poids constant. La perte de poids constitue l'humidité de l'échantillon Concassage 147

36 Le concassage des échantillons secs est réalisé dans un broyeur rotatif à couteaux. La sortie du broyeur est équipée d'une grille de maille de 200 µm Broyage Un broyeur à anneaux oscillants est utilisé pour le broyage final en dessous de 100 µm des échantillons concassés. L'homogénéisation de la farine (Matériaux ANDRA et farine de base de LSF 125) dont l'aptitude à la cuisson sera ensuite déterminée, est réalisée pendant le broyage. Pour éviter une agglomération de la matière sur les parois du broyeur, le broyage se fait en milieu humide (acétone). La pâte ainsi préparée est séchée pour éliminer le liquide de broyage Perte au feu La perte au feu est déterminée suivant la norme EN : Méthodes d'essais des ciments, analyse chimique des ciments (détermination en atmosphère oxydante à 975 c). La même détermination peut être réalisée à d'autres températures Résidu insoluble Le résidu insoluble est déterminé suivant la norme EN : Méthodes d'essais des ciments, analyse chimique des ciments. RI (1) : insolubilisation dans une solution d'acide chlorhydrique dilué. RI (2) : double insolubilisation à l'acide chlorhydrique dilué et au carbonate de soude Dosage du soufre par spectrométrie infrarouge Le soufre de l'échantillon est libéré sous forme de SO 2 par chauffage en milieu oxydant. L'absorption quantitative du rayonnement infrarouge est utilisée pour la détermination du soufre total quelle que soit sa forme minéralogique Dosage potentiométrique des chlorures Après mise en solution, les chlorures de l'échantillon sont précipités par une solution de nitrate d'argent. Le point d'équivalence est mis en évidence par la brusque variation de potentiel entre deux électrodes Dosage coulométrique de l'anhydrite carbonique L'anhydrite carbonique libérée par l'attaque acide de l'échantillon est absorbée quantitativement par la monoéthanolamine. La mesure coulométrique est réalisée dans une cellule photoélectrique Dosage de la chaux libre La chaux libre dans une matière calcinée est déterminée suivant la méthode de Schlapfer- Bukowski. La chaux libre est dissoute dans l'éthylène glycol. Le glycolate de calcium formé est dosé après filtration par une solution d'acide chlorhydrique Analyse chimique Un spectromètre séquentiel à Rayons X est utilisé pour la caractérisation chimique des matériaux. L'analyse des éléments majeurs est réalisée sur un verre synthétique préparé à 148

37 partir de l'échantillon à analyser, de tétraborate et de nitrate de lithium. L'analyse des mineurs est effectuée sur une pastille préparée à partir de l'échantillon à analyser, après broyage et pastillage Modules et indices L'analyse chimique est exprimée sur matières sèches ou sur matières calcinées à perte au feu nulle. A partir de l'analyse chimique le cimentier calcule des modules chimiques pour qualifier les farines ou les clinkers. Mod de saturation en chaux = 100 x CaO/(2.8 x SiO x 1Al 2 O x Fe 2 O 3 ) Module silicique = SiO 2 /(Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 ) Module alumino-ferrique = Al 2 O 3 /Fe 2 O 3 La composition minéralogique potentielle des clinkers est déterminée à partir des formules de Bogue. La chaux libre et les sulfates présents ne sont pas pris en considération. Alite = 4.71 x CaO x SiO x Al 2 O x Fe 2 O 3 Bélite = x SiO x Alite Aluminate = 2.65 x Al 2 O x Fe 2 O 3 Ferrite = 0.43 x Fe 2 O Analyse granulométrique laser La lumière cohérente issue d'un laser hélium-néon traverse une suspension de l'échantillon à mesurer. La courbe granulométrique est calculée à partir de la diffraction du faisceau lumineux liée à la dimension des grains diffractants. 4.3 Aptitude à la cuisson du cru de cimenterie Principes de la méthode La cuisson du cru (farine ou pâte) en clinker est une étape importante du processus cimentier. Le clinker est en fait constitué de quatre composants qui se combinent pendant la cuisson. De nombreux paramètres physiques ou chimiques influencent cette opération. Aussi il est primordial pour le cimentier de connaître ou d'évaluer l'aptitude à la cuisson de son cru. Le constituant essentiel du clinker est le silicate tricalcique. Ce corps est obtenu par cuisson à haute température de matières premières constituées principalement de silice et de chaux. La présence d'alumine et d'oxyde de fer facilite énormément la cuisson par formation de phases liquides. Les réactions se faisant en partie à l'état solide, le degré de facilité de cuisson dépend principalement des paramètres suivants:? la composition chimique : - les quatre oxydes principaux de silicium, calcium, aluminium et fer - la présence d'oxydes mineurs;? la nature minéralogique des matières premières qui influe sur la réactivité propre des éléments (calcaire ou craie, silicate ou quartz,...); 149

38 ? la finesse et l'homogénéité du mélange;? la présence ou l'absence de minéralisateurs. L'aptitude à la cuisson est un paramètre important dans le processus de fabrication cimentier. Elle intervient sur le débit du four, la consommation calorifique, la bonne tenue des réfractaires, et en définitive sur le prix de revient de la cuisson proprement dite. L'aptitude à la cuisson est une méthode comparative qui permet d'apprécier l'importance d'un paramètre, une nouvelle matière première dans le cru par exemple, sur la cuisson du clinker. On peut suivre l'avancement des réactions qui se produisent dans un four de cimenterie par la diminution de la perte au feu et de la teneur en chaux libre de la farine en fonction de l'élévation de température. Cette méthode est de caractère empirique mais permet de tester de façon pratique l'influence d'un paramètre minéralogique ou chimique sur les réactions de combinaison de la chaux ainsi que la cinétique de ces réactions Description de la méthode Une farine synthétique est préparée à partir des matériaux siliceux à tester avec une farine de base ayant un module LSF de 125. Il n'est pas possible de maintenir constant tous les modules chimiques sans introduire un matériau supplémentaire qui influencera aussi les résultats d'aptitude à la cuisson. Les deux composants sont mélangés de manière à obtenir une farine finale de module LSF de 97. Pour tenir compte des différences de composition chimique des deux farines à tester, deux farines préparées à partir de matériaux connus sont prises comme référence. La farine à tester est broyée pour obtenir un diamètre de grain maximum de 32 µm. 5 g de farine sont placés dans un creuset de Pt/Au et introduits dans un four à moufle dont la température a été préalablement stabilisée à la température d'essai. La calcination est maintenue pendant 15 minutes. Le creuset est ensuite refroidi rapidement à la température ambiante. Le test est reproduit pour les températures de 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300 et 1400 C. Le coefficient d'aptitude à la cuisson est calculé en fonction des teneurs en chaux libre des 7 farines calcinées. Aptitude à la cuisson = 5. Commentaires 5.1 Sur la broyabilité 600 / (C800 C + 2 x C900 C + 2 x C1000 C + 3 x C1100 C + 3 x C1200 C + 4 x C1300 C + 4 x C1400 C) Le broyage du Silt est plus difficile. Dans nos conditions d'essais, le Silt dépasse à partir de 32 µm le refus des matériaux traditionnels ou de l'argilite et nécessitera sans doute une énergie plus importante pendant le broyage industriel (tableau 2.1.2, graphique 1). L'Argilite contient une humidité résiduelle de 6% qui devra être éliminée pendant le broyage (tableau 1.1.1). 5.2 Sur les caractéristiques chimiques Les deux matériaux siliceux prélevés par la cimenterie A présentent un apport siliceux intéressant mais comportent aussi une teneur élevée en carbonate (tableau 1.1.1). Il faut 50% 150

39 d'argilite en plus ou 20% de Silt en plus que les matériaux siliceux traditionnels, sable argileux ou cendres volantes, pour obtenir les caractéristiques de la farine à calciner (tableau 2.2). D'un point de vue cimentier, la silice des deux échantillons fournis par la cimenterie se présente sous une forme assimilable. Les résidus insolubles obtenus par simple insolubilisation à l'acide ou par double insolubilisation acide-base sont comparables aux caractéristiques des matériaux traditionnels (tableau 2.3.1). L'Argilite apporte une quantité non négligeable d'oxydes d'aluminium et de fer. L'apport de ces deux oxydes par pour-cent de silice est de 0.34 pour l'argilite, 0.18 pour le Silt, 0.16 pour le sable argileux, 0.62 pour les cendres volantes. Il faudra tenir compte de cet apport de phase liquide en cas d'utilisation en quantité importante d'argilite dans un cru de cimenterie (tableau 1.1.1). Les teneurs en soufre ou en alcalis sont importantes et pourraient provoquer des irrégularités dans certains processus cimentiers (tableau 1.1.1). Les teneurs en phosphates et en chlores sont faibles (tableau 1.1.1). En ce qui concerne les éléments mineurs, la teneur en chrome est relativement élevée dans l'échantillon d'argilite (tableau 1.1.2). 5.3 Sur l'aptitude à la cuisson Il est possible de préparer des farines synthétiques en laboratoire à partir d'argilite et de Silt (tableau 2.2). Les caractéristiques chimiques des deux farines sont relativement proches des caractéristiques chimiques des deux farines de référence pour les modules silicique et alumino-ferreux et pour la composition minéralogique potentielle calculée suivant les formules de Bogue (tableaux 2.3.1, et 2.3.3). Dans nos conditions d'essais, les écarts entre la courbe granulométrique du Silt et les courbes granulométrique de l'argilite, du sable argileux ou des cendres volantes ne se sont pas reproduits pendant le broyage final des farines synthétiques en laboratoire (tableau 2.4). Ce facteur n'influence donc pas les résultats des tests d'aptitude à la cuisson. L'aptitude à la cuisson des deux matériaux de la cimenterie, comparable à l'aptitude à la cuisson des matériaux de référence, est bonne (tableaux et 2.5.2, graphiques 2 et 3). L'Argilite présente de meilleurs résultats à mettre en relation avec le module silicique plus faible. 6. Conclusions Sur base des analyses réalisées sur les matériaux de la cimenterie, il est possible d'introduire l'argilite et le Silt dans des crus de cimenterie.? Les deux matériaux contiennent une quantité importante de carbonate de calcium.? L'Argilite qui apporte aussi de l'aluminium et du fer, doit être séchée.? Le Silt nécessite une énergie de broyage plus importante. 151