La fabrication du ciment passe par quatre étapes

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Isabelle Patel
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1 Conférences à la licence Kamal H. Khayat FABRICATION DU CIMENT ET COMPOSITION DE LA PÂTE HYDRATÉE * Fabrication et composition du ciment Portland * Réactivité des composés du ciment * Hydratation du ciment Structure de la pâte de ciment hydratée Microstructure du béton MICROSTRUCTURE ET PROPRIETES A JEUNE AGE * L importance de la rhéologie dans le domaine de béton * L entraînement d air et la résistance au gel-dégel La fabrication du ciment passe par quatre étapes 1. Obtention des matières premières 2. Préparation des matières premières 3. Cuisson du clinker 4. Mouture finale 1

ciment * Hydratation du ciment Structure de la pâte de ciment hydratée Microstructure du béton MICROSTRUCTURE ET PROPRIETES A JEUNE AGE * L

2 Sources communes des matières premières Chaux (CaO) 63 % +/- - Calcaire, schiste argileux Silice (SiO 2 ) 22 % +/- - Argile, sable, schiste argileux Alumine (Al 2 O 3 ) 6 % +/- - Argile, cendres volantes, schiste argileux Fer (Fe 2 O 3 ) 2,5 % +/- - Argile, minerai de fer Calcium Fer Silice Alumine Sulfate Aragonite Calcite Poussière de four à ciment Calcaire à ciment Craie Argile Terre à foulons Calcaire Marbre Marne Coquillages Schiste Laitier Poussière de haut-fourneau Argile Minerai de fer Lavage de minerais Cendre de pyrite Schiste Silicate de calcium Calcaire à ciment Argile Cendre volante Terre à foulons Calcaire Loess Marne Lavage des minerais Quartzite Cendre d écorce de riz Sable Grès Shale Laitier Trapp Aluminum-ore refuse Bauxite Calcaire à ciment Argile Copper slag Cendre volante Terre de Fuller Granodiorite Calcaire Loess Lavage des minerais Shale Laitier Staurolite Anhydrite Sulfate de calcium Gypse 2

foulons Calcaire Marbre Marne Coquillages Schiste Laitier Poussière de haut-fourneau Argile Minerai de fer Lavage de minerais Cendre de pyrite Schiste Silicate de calcium Calcaire à ciment Argile

3 Composés typiques Nom Oxyde Raccourci Poids % Chaux CaO C 63% Silice SiO 2 S 22% Alumine Al 2 O 3 A 6% Oxyde ferrique Fe 2 O 3 F 2.5% Magnésie MgO M 2.6% Dioxyde de carbone CO 2 C - Eau H 2 0 H - Trioxyde de soufre S0 3 S 3% Oxydes de sodium et de potassium 0,3 à 1% COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND Nom du produit Abréviation CaO Chaux (vive = combinée, libre = non-combinée) C SiO 2 Silice S Al 2 O 3 Alumine A F 2 O 3 Oxyde de fer F MgO Magnésie M SO 3 Oxyde de soufre S H2O Eau H Ca(OH) 2 Chaux hydratée (Portlandite) CH?CaO.?SiO 2.?H 2 O Silicate de calcium hydraté C-S-H CaSO 4.2H 2 O (Ca).SO 3.2H 2 O Gypse CSH2 CaSO 4.1/2H 2 O Hémihydrate CSH1/2 CaSO4 Anhydrite CS 3

Abréviation CaO Chaux (vive = combinée, libre = non-combinée) C SiO 2 Silice S Al 2 O 3 Alumine A F 2 O 3 Oxyde de fer F MgO Magnésie M SO 3 Oxyde de soufre S H2O Eau H

4 Fabrication traditionnelle du ciment Portland 1. La pierre est d abord réduite à une taille de 125 mm, puis 20 mm, avant d être remisée Concasseur primaire Situé à la carrière Concasse le matériau à la taille d une balle de baseball Le matériau est alors envoyé à un concasseur secondaire qui réduit sa taille de 20 à 125 mm 4

remisée Concasseur primaire Situé à la carrière Concasse le matériau à la taille

5 2. Les matières premières sont réduites en poudre et mélangées 2. Préparation des matières premières 5

6 2. Les matières premières sont réduites en poudre et mélangées ou 2. Les matières premières sont moulues, on y ajoute de l eau pour former une boue, puis elles sont mélangées 3. La cuisson transforme chimiquement le mélange le mélange de base pour en faire un clinker de ciment La "farine" est introduite à l'extrémité supérieure d'un four en acier de forme cylindrique qui est incliné selon un angle de 3 à 5 degrés et qui tourne à 1-2 tpm. 6

La cuisson transforme chimiquement le mélange le mélange de base pour en faire un clinker de ciment La

7 1. Longueur d'un four conventionnel ~ 160 m+ ---> cuisson ~ 2 heures. 2. Longueur d'un four conventionnel ~ 50 m -- cuisson dure 1/2 heure : * préchauffage (dessiccation d'eau libre) est fait dans un four de préchauffage * décarbonatation (CaCO 3 --->> CaO + CO 2 ) et précalcination (argile --->> SiO 2, Al 2 O 3 et Fe 2 O 3 ) sont faites dans un four de précalcination. Comment alimente-t-on le four? Charbon Huile Gaz naturel Déchets 7

Longueur d'un four conventionnel ~ 50 m -- cuisson dure 1/2 heure : * préchauffage (dessiccation d'eau libre)

8 Déchets? Vieux pneus Huile à moteur usée Sous-produits de l industrie papetière Boues Agriculture 3. La cuisson transforme chimiquement le mélange de base en clinker de ciment CaCO 3 à C -----> CaO + CO 2 Oxydes SiO 2, CaO Al 2 O 3, Fe 2 O 3 Composés 3CaO.SiO 2 (C3S); 2CaO.SiO2 (C2S) 3CaO.Al2O3 (C3A) 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C 4 AF) + impuretés 8

9 4. Fin de cuisson 9

10 Clinker de ciment PCA Slide 4. Le clinker et le gypse sont mélangés pour former du ciment Portland 10

11 Fin du broyage Broyé avec ~5% Gypsum 95% du matériau doit passer le tamis 325 microns En quoi diffèrent les ciments? 4 composés principaux Silicate tricalcique (C3S) Silicate bicalcique (C2S) Aluminate tricalcique (C3A) Aluminoferrite tetracalcique (C4AF) Finesse Blaine (m 2 /kg) 11

4 composés principaux Silicate tricalcique (C3S) Silicate bicalcique

12 Composés chimiques - appellation cimentaire Formule chimique Silicate tricalcique - alite 3CaO.SiO 2 C 3 S Silicate bicalcique - bélite 2CaO.SiO 2 C 2 S Aluminate tricalcique - célite 3CaO.Al2O 3 C 3 A Alumino ferrite trétracalcique - ferrite 4CaO.Al 2 O 3.Fe 2 O 3 C 4 AF Le C 3 S, C 2 S, C 3 A et C 4 AF forment plus de 90% du clinker (massique). D'autres phases ou composés minéraux qui font partie du clinker sont : la magnésie (MgO), la chaux libre ou vive (CaO) et les sulfates alcalins Na 2 SO 4 et K 2 SO 4. C 3 S Silicate tricalcique 3CaO.SiO 2 - Alite Favorise le développement de la résistance à jeune âge 70% de réaction à 28 jours Habituellement présent à 40-70% 12

Fe 2 O 3 C 4 AF Le C 3 S, C 2 S, C 3 A et C 4 AF forment plus de 90% du clinker (massique).

13 C 2 S Silicate bicalcique 2CaO.SiO 2 - Bélite Favorise le développement de la résistance à long terme 30% de réaction à 28 jours Présent à 20-40% C 3 A Aluminate tricalcique 3CaO.Al 2 O 3 - Aluminate Fournit la chaleur initiale nécessaire à l hydratation (10 à 15 F par 100 lb de ciment) Gypse requis pour ralentir le processus C 3 A élevé pas aussi résistant aux attaques par les sulfates Contribue peu à la résistance à long terme 13

20-40% C 3 A Aluminate tricalcique 3CaO.

14 C 4 AF Alumino Ferrite tétracalcique 4CaO.Al 2 O 3.Fe 2 O 3 - Ferrite Gouverne la couleur du ciment Présent à 1-10% Contribue peu à la résistance Hydratation du Ciment Portland D où vient la poudre magique que nous appelons ciment? Quelle est la composition chimique de la poudre que nous appelons ciment Portland? Comment ces compositions chimiques réagissent-elles et changent-elles de propriétés avec le temps? Quelles sont les réactions chimiques qui surviennent dans le ciment Portland? Taux de réaction et cinétique de l hydratation Microstructure 14

la poudre magique que nous appelons ciment? Quelle est la composition chimique de la poudre que nous appelons ciment Portland?

15 Hydratation Qu arrive-t-il quand nous ajoutons de l eau au ciment? Les grains de ciment se dissolvent se diffusent se précipitent Composés chimiques du ciment Portland Alite C 3 S Angulaire Bélite C 2 S - Rond 15

16 Micrographes de clinker PCA Slide Composition typique du ciment Nom chimique Formule Abrégé Poids Silicate tricalcique 3CaO*SiO 2 C 3 S 50% Silicate dicalcique 2CaO*SiO 2 C 2 S 25% Aluminate tricalcique 3CaO*Al 2 O 3 C 3 A 12% Aluminoferrite tétracalcique 4CaO*Al 2 O 3 *Fe 2 O 3 C 4 AF 8% Gypse CaSO 4 *2H 2 O CSH 2 3.5% Alite C 3 S Belite C 2 S Déterminer les matières premières Calcul de Bogue 16

tricalcique 3CaO*Al 2 O 3 C 3 A 12% Aluminoferrite tétracalcique 4CaO*Al 2 O 3 *Fe 2 O 3 C 4 AF 8%

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