Fabrication du ciment. Note historique, 1. La chaux, connue depuis l antiquité: Elle ne prend pas sous eau

Transcription

1 Fabrication du ciment Note historique, 1 La chaux, connue depuis l antiquité: CaCO 3 ficaofica(oh) 2 ficaco 3 Elle ne prend pas sous eau 1756, Smeaton en Angleterre, d écouvre que les chaux qui présentent les meilleures propriétés «hydrauliques» son celles contenant des matières argileuses 1796, Parker en Angleterre, développe le ciment «Roman» en calcinant certains gisements naturels de calcaire argileux , Vicat en France, met en évidence le rôle de l argile et fabrique un ciment à partir d un mélange intime de calcaire et d argile. 1824, Joseph Aspdin en Angleterre, fabrique et brevète une chaux hydraulique à laquelle il donne le nom de ciment Portland, car sa couleur, après prise, ressemble à la pierre de Portland. 1835, Issac-Charles Johnson qui travaille dans une usine de ciment, observe que les morceaux trop cuits donnent, après mouture, un meilleur ciment. Il augmente la température de cuisson et donne naissance au véritable ciment Portland. 1838, William Aspin produit le ciment Portland à côté de la Tamise et convainc Brunel de l utiliser pour réparer son tunnel sous la Tamise la 1ère utilisation du ciment Portland dans le génie civil. 1

2 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 2

3 Cru ~80% roches calcaires Jusqu à 95% CaCO 3 ~55% CaO impuretés majeures MgO 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 argiles, etc. dans certains cas, il faut mélanger les sources pour obtenir la chimie correcte Composition de croûte terrestre Magnesium reste Potassium Sodium Ca Iron Aluminium Silicon Oxygen Grande abondance des éléments nécessaires Malgré la quantité plus faible de calcium, cet élément est fortement concentré dans les roches calcaire, bien réparti La Carrière 3

4 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 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% Le four rotatif (procédé humide) Cru Evacuation de l eau libre Décomposition de l argile Décomposition de la chaux Formation des composés initiaux Formation initiale de silicate bicalcique Formation de silicate tricalcique Déshydratation Température Calcination Clinkerisation Refroidissement C Clinker 4

5 Matières premières Calcination (chaux aérienne) Cuisson Clinkérisation Trempe Mouture + Formation de composés hydrauliques (chaux hydraulique) Fusion partielle Formation de C 3 S Etat métastable Adjonction de gypse (CaSO 4 ) ~600 C ~900 C ~1250 C ~1450 C ~700 C Calcaire (~ 75%) CaCO 3 fl CaO + CO 2 (C) Argile (~25%) n SiO 2, m Al 2 O 3, p Fe 2 O 4, q H 2 O fl Dissociation (S), (A), (F) + H 2 O fl Diverses réactions entre (C), (S), (A), (F) C 3 S + C 2 S a' + C 3 A + C 4 AF Clinker = C 3 S + C 2 S + C 3 A + C 4 AF(Fss) CP = Clinker moulu + ~ 4% de gypse diagramme d'équilibre SiO 2 - CaO C 2 S(s) + C(s) fi C 3 S(s) réaction facilitée par le liquide FOUR VOIE SECHE H2O Répartition des masses Préchauffage Calcaire Quartz Argiles Fe2O3 Calcination Transition Cuisson Trempe CO2 CaO Aluminates Bélite C2S Température Alite C3S Liquide min Temps de séjour C3A C4AF D'après KHD Humboldt Wedag modifié C

6 La cuisson La cuisson 2000 C 1450 C La trempe 6

7 Microstructure de clinker «idéale» «alite» C 3 S, impure «belite» C 2 S, impure 20 mm phases «interstitielles» «celite» C 3 A, impure + solution solide de ferrite «C 4 AF», liquide pendant la cuisson 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 Le ciment Pour fabriquer un ciment, on utilise : Clinker Régulateur + + de prise Autres constituants (éventuellement) 7

8 Broyage clinker CaSO 4 séparateur ciment 2 ou 3 compartiments 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 Aussi possible Laitier (slag) Cendres volantes (fly ash) Fumée de silice (silica fume) Le broyage Broyage Controlé par surface spécifique «Blaine» Perméabilité à l air Gamme normale m 2 /kg Ciment résistance rapide Ciment pétrolier m 2 /kg Blaine ~~ m 2 /kg absorption azote 8

9 Granulométrie psd (particle size distribution) 100 < 1 mm 80 ~75 mm Pourcentage plus fin Surface spécifique Blaine: 350 m 2 /kg Plupart: 10 mm 20 Circuit ouvert Circuit fermé conventionel Circuit fermé haute efficacité mm Source: Bye «Portland Cement», Thomas Telford 1999 Grains du ciment 10mm Packaging Vrac ~80-90% Sac ~<10% Big bag ~<10% 9

10 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? Fss? Contrôle strict pour éviter le gonflement Calcul «Bogue» composition des phases «potentielles» Tous Fe 2 O 3 comme C 4 AF: CaO et Al 2 O 3 qui va avec Al 2 O 3 qui reste comme C 3 A: CaO qui va avec 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 À cause des solutions solides Le calcul «Bogue» n est qu une estimation C 3 S BOGUE 59 QXDA 67 C 2 S C 3 A «C 4 AF» Écarts typiques 10

11 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 V Ciment pouzzolaniqu e Ciment composé (*) IV / A IV / B V / A V / B 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 Ø, C 3 SØ, C 2 S,C 3 A,alkØ) C 3 A < 4% (Bogue) Fe 2 O 3 ~ 0 R1j ~2x R1j ~0.5x R1j ~0.7x Ajustement du cru, choix de carrière Gamme des ciments en Suisse romande Usine Eclepens Désignation Commerciale Selon ENV NORMO 3 NORMO 4 NORMO 5 R ALBARO 5 FLUVIO 3 R FLUVIO 4 R PROTEGO 3 L HS PROTEGO 4 HS FORTICO 5 R FORTICO 5 HS CEM I 32.5 CEM I 42.5 CEM I 52.5 R Ciment blanc CEM I 52.5 CEM II / A-L 32.5 R CEM II / A-L 42.5 R CEM II / A-L 32.5 HS CEM I 42.5 HS CEM II / A-D 52.5 R CEM II / A-D 52.5 HS MODERO 3 CEM III / C 32.5 Avec ajouts calcaire broyé laitier 11