Cours Matériaux cimentaires. A. Pisch LCR - Lafarge Centre de Recherche

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1 Cours Matériaux cimentaires LCR - Lafarge Centre de Recherche

2 Lafarge employées dans le monde Chiffres d affaires : M en 2008 (3542 M ) 2000 sites de production dans 76 pays ciment, granulats : N 1 mondiale (Holcim, Cemex, ) béton, plâtre : N 3 mondiale 57% ciment, 35% béton et granulats, 8% plâtre Centre de Recherche (Isle d Abeau) : 220 chercheurs, techniciens et administratifs

3 Ciment Mortier - Béton C est quoi? + eau coulis, pâte + sable + granulats mortier béton

4 Liant hydraulique Definition : Un liant hydraulique est un liant qui se forme et durcit par réaction chimique avec de l eau et est aussi capable de le faire sous l eau.

5 Liants hydrauliques Ciments (OPC ordinary portland cement, aluminates) Laitiers de haut fourneaux Cendres volantes Pouzzolanes

6 Liants hydrauliques Pouzzolane = roche volcanique de Pouzzoles à coté de Naples (Italie)

7 Du béton : pour quoi faire? Réussites, échecs, préjugés, Génie civil, Architecture, Urbanisme, Environnemental

8 Viaduc de Millau t de ciment

9 «À la Courneuve, y'a pas d'écoles, y'a qu'des prisons et du béton» Renaud

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12 Le béton : quelques chiffres Le matériau fabriqué en plus grande quantité par l homme

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17 Composition béton courant : Pour 1 m 3 : Gravillons calcaires 12.5/ kg Gravillons calcaires 4/ kg Sable 0/5 744 kg Ciment CEM I 52,5N 353 kg Eau 172 kg Fluidifiant Total 2461 kg

18 1/ du béton pour le remplissage (volume) On parle en tonnes de ciment On parle en m 3 de béton 2/ du béton pour les résistances à la compression Béton courant : 1 jour : 5 MPa 7 jours : 20 MPa 28 jours : 30 MPa 90 jours : 40 MPa

19 Le béton : matériau homogène, hétérogène? À l échelle du cm / mm : granulats sable pâte de ciment durcie

20 Le béton : matériau homogène, hétérogène? À l échelle du mm / 10µm : ciment anhydre et porosité dans un milieu apparemment continu, les hydrates du ciment porosité ciment anhydre hydrates

21 Béton fibré ( fibres d acier + fibres minerales)

22 Le béton : matériau homogène, hétérogène? À l échelle du 10µm / 1µm : cristaux, hydrates faiblement cristallisés et pores Microscope électronique à balayage portlandite hydrates faiblement crystallisés (C-S-H) ettringite pore

23 Ettringite (3CaO.Al 2 O 3.3CaSO 4.32H 2 O)

24 C-S-H : Calcium silicate hydrates 100 nm Diffraction pattern exibits similar reflexions to these observed of tobermorite 3,08 Ang CSH after annealing treatment (120 C for 50 hours) 1,83 Ang Conventional TEM image of C-S-H Diffraction Pattern of C-S-H

25 C-S-H : Calcium silicate hydrates 0.7 nm tétraèdres Si plan de CaO tétraèdres Si TEM haute résolution

26 Les hydrates de la pâte de ciment 1 µm - 10 nm : porosité, et les hydrates faiblement cristallisés de la pâte de ciment apparaissent comme un assemblage de petites particules Microscope à Force Atomique porosité Particule d hydrate (Nonat, Journée Technique de l Industrie Cimentière, Paris, 1998)

27 Béton un matériaux poreux multi-échelle

28 Le béton : matériau homogène, hétérogène? Multi-phasique Multi-échelle Le béton : un matériau évolutif : Du gâchage : une suspension concentrée de grains de ciment dans l eau Au matériau durci : un milieu constitué d un assemblage rigide : de grains anhydres de grains d hydrates 10 nm et de pores

29 Histoire : Le ciment, son évolution Matériau lié à l habitat Facteurs climatiques, géographiques Disponibilité des matériaux (bois, boue, paille, pierres ) Maîtrise de températures élevées AC Civilisation de chasse économie de cueillette (grottes, souterrains ) Économie de cueillette agriculture 5000 AC Nil, Euphrate, Indes : construction de roseaux et argile Sud Balkans : construction de terre cuite Assyrie : brique moulée

30 3000 AC Mésopotamie: brique + bitume (béton) 2800 AC Fondation de l Égypte : ne connaissent plus la terre cuite, connaissance du verre 2600 AC Les pyramides : plâtre, chaux 2500 AC Découverte du bronze

31 2000 AC Empire romain : le ciment romain = chaux + pouzzolanes/tuiles (pulvis Puteolanum, Pozzuali)

32 1785 James Parker : utilité du couple calcaire / argile = marne quatre type de chaux: chaux grasses, non hydrauliques chaux hydrauliques chaux éminemment hydrauliques chaux limites 1812 Louis Vicat : mélange artificiel 1824 Joseph Aspdin: brevet ciment «Portland» (ressemblance avec pierre de la carrière à Portland, sud de l Angleterre) 1845 Johnson : température élevée, industrialisation 1887 Henri Le Chatelier : explication mechanisme de prise : dissolution et precipitation 1900 Bied : ciment alumineux

33 Physico-chimie du ciment Nomenclature cimentière C= CaO S= SiO 2 A= Al 2 O 3 F= Fe 2 O 3 f = FeO S = SO 3 K= K 2 O N= Na 2 O H = H 2 O C= CO 2 C 3 S= silicate tricalcique = 3 CaO, SiO2 = Ca 3 SiO 5 C 12 A 7 = heptaaluminate dodecalcique nom du minéral = ettringite

34 Mechanical performances of different mineralogical phases Silicates Aluminates C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF Compressive Strenghth (MPa) Time (days) Comparison of compressive strength of cement constituents (Bogue & Lerch) C 3 S = the most interesting phase

35 CaO SiO 2

36 C 3 S C + C 2 S = C 3 S At 1300 C : f H = J/moles f G = J/moles

37 CaO SiO 2

38 C 2 S 2 C + S = C 2 S At 1300 C (Bredigite) : f H = J/moles f G = J/moles

39 C 2 S β 650 C γ 840 C α L α Η α L 1177 C 1436 C 2130 C Polymorphisme de C 2 S

40 C 2 S 0 γ α L C heat flux (muv/s) C J/mol α L α H α H α C J/mol Heating 5K/min temperature ( C)

41 C 2 S heat flux muv/s α L β -1 α L α H α H α temperature ( C)

42 Calcaire 3 CaO + SiO 2 = C 3 S impossible sur le plan industriel! CaCO 3 calcaire SiO 2 idéalement dans calcaires, sinon, argile -> matériau naturel, impuretés!

43 C3S : 73.7%CaO % SiO 2 (rapport 2.8)

44 Argiles

45 Argiles

46 CaO Al 2 O 3

47 CaO SiO 2 - Al 2 O 3

48 CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3

49 CaO SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3

50 CaO SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3

51 DSC cru Portland réaction Heat Flow (µv/g) décarbonatation Portland Temperature ( C)

52 DSC cru Portland 5 4 Heat Flow (µv/g) C+S=C 2 S C 2 S+C=C 3 S C 3 A, C 4 AF = liq Portland Temperature ( C)

53 DSC cru Portland Heat FLow / µv Liq = C 3 A, C 4 AF, C 2 S Tem perature / C

54 Production de ciment

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56 Carrière : usine Le Teil (Ardèche)

57 Prehomogenization Chevron type

58 Prehomogenization Zig-Zag layering Backward Forward A Stacker A Belt conveyor section A-A

59 Prehomogenization - Reclamation Reclaiming direction Digging front Bucket wheel reclaimer

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61 Production clinker de ciment Contrôle qualité pour une bonne composition Analyse des matière premières Cible de composition en utilisant formules théoriques Mesures de contrôles

62 Control chimique : formules de Bogue C 4 AF = F C 3 A = A-F C 3 S = C-2S-3A-F Formules originales de Bogue en 1929 à partir des diagrammes de phases C 2 S = -C+3S+3A+F

63 Control chimique : formules de Bogue C 3 S = CaO SiO Al 2 O Fe 2 O 3 C 2 S = CaO SiO Al 2 O Fe 2 O 3 C 3 A = Al 2 O Fe 2 O 3 C 4 AF = Fe 2 O 3 Transformations linéaires des mesures de C, S, A, F

64 Taylor s averaged clinker phase compositions, based on a wide range of microprobe analyses (Advances in Cement Research, 1989) mass%: Na 2 O MgO Al 2 O 3 SiO 2 P 2 O 5 SO 3 K 2 O CaO TiO 2 Mn 2 O 3 Fe 2 O 3 Alite Belite Aluminate Ferrite Phase \\ mass%: Na 2 O MgO Al 2 O 3 SiO 2 P 2 O 5 SO 3 K 2 O CaO TiO 2 Mn 2 O 3 Fe 2 O 3 Aluminate (WPC) Ferrite (SRPC) Phase \\ mass% : Na 2 O MgO Al 2 O 3 SiO 2 P 2 O 5 SO 3 K 2 O CaO TiO 2 Mn 2 O 3 Fe 2 O 3 Alkali-Aluminate

65 Modified Bogue calculation based on microscopic studies of industrial clinkers (Cariou & Sorrentino, ICMA proceedings, 1988) % alite = +5.17CaO -7.62SiO Al 2 O Fe 2 O MgO +12.8R l % belite = -4.59CaO +9.21SiO Al 2 O Fe 2 O MgO R l % aluminate = 2.02Al 2 O Fe 2 O MgO +1.49R l % ferrite = 2.69Fe 2 O MgO % periclase = 0 si MgO < 2%, et = (MgO -2%) si MgO > 2% avec: CaO = total CaO -free CaO -1.27CO 2-0.7SO sol. K 2 O sol. Na 2 O R l = alcalins réseau

66 Cuisson d un cru de ciment Température optimale de cuisson Composition chimique Cinétique de cuisson («aptitude à la combinaison») Composition chimique Type de matière première Homogénéité du mélange

67 Aide à la combinaison Chimie : Phase liquide (A,F,M,SO 3, ) Physique : Broyage : particules fines sont plus réactifs!

68 Compound Ball Mill Intermediate partition Outlet partition Chamber 2 Chamber 1 Classifying liners Lifting Liners

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70 Fine Product Feed Material HE Separator Grinding Roller Grinding Table Air or Hot Gases

71 Distribution granulométrique d un cru

72 Influence of particle sizing $ $ $ $ $ $ $ $ $ Burning MINIMUM Cost $ $ $ $ $ $ $ Raw Mix Grinding Cement Grinding $ $ $ $ $ Raw mix fineness at minimum cost point