La production de ciment dans le monde était d environ 2 milliards de tonnes en 2003, elle est passée à 2,6 milliards de tonnes en 2006 (source

Transcription

1 1

2 2

3 3

4 La production de ciment dans le monde était d environ 2 milliards de tonnes en 2003, elle est passée à 2,6 milliards de tonnes en 2006 (source Cembureau). La production de la Chine est passée de 40 % à 47 % de la production mondiale avec 1200 millions de tonnes en

5 Hors Chine, les plus gros producteurs sont l Inde, les Etats-Unis, le Japon, la Russie et l'espagne. La production de ciment est un indicateur économique, lié d une part au nombre d habitants, mais également au potentiel de croissance de chaque pays sur une période donnée. La France est passée de 19,7 à 22,3 millions de tonnes par an. Parmi les pays ayant relativement le plus progressé depuis 2003, on peut citer la Chine (+ 48 %), la Turquie (+ 35 %), l Inde (+ 32 %), la Russie (+ 30 %) et l Egypte (+ 26 %). Sur la même période, la Corée a régressé (- 18 %) Comparativement, la France a progressé dans le même temps de 13 % 5

6 Le monde du ciment est caractérisé aujourd'hui par la présence de très gros groupes mondiaux, à coté desquels subsistent un grand nombre de petits producteurs. Ces "majors" du ciment sont pour la plupart nés en Europe et ont étendu progressivement leur action en assimilant des producteurs locaux dans toutes les régions du monde. Cette diversification géographique leur permet de s'adapter et de contrebalancer des crises de marché locales par des développements situés dans d'autres régions du monde. S ils continuent de se développer aujourd'hui sur les marchés de pays constituant de nouvelles puissances économiques (Chine et Inde notamment), on assiste à l'émergence de nouveaux producteurs de taille conséquente, comme en Chine par exemple, où ces derniers profitent d'un développement économique considérable. Les grosses sociétés cimentières traditionnelles se sont également diversifiées et sont désormais très actives dans les mondes du béton et des granulats. 6

7 La France compte actuellement 32 cimenteries et 7 centres de broyage. Une cimenterie possède un ou plusieurs fours, qui servent à la fabrication du clinker, matière première entrant dans la composition des ciments. Un centre de broyage ne possède que des broyeurs servant à broyer le clinker provenant des cimenteries ainsi que des ajouts minéraux, utilisés pour la fabrication des ciments. Les 5 groupes présents sur le territoire national métropolitain sont : -Calcia (Groupe Italcementi-Ciments français) -Holcim France (Groupe Holcim, d origine suisse) -Lafarge-ciments (Groupe Lafarge) -Vicat -Kerneos (ex Lafarge Aluminates) L industrie du ciment, fortement dispersée au départ, s est restructurée pour ne compter, en France à ce jour, que 4 acteurs principaux et 1 groupe spécialisé dans les ciments alumineux. La baisse de la production a entraîné la fermeture de nombre de cimenteries, souvent trop petites ou trop vieilles pour être rentables. Les contraintes environnementales ont nécessité en outre, depuis plusieurs années, des investissements lourds pour améliorer tant les conditions de travail sur sites que les rejets dans l environnement local, en particulier les poussières. D autres pays européens, comme l Allemagne ou l Italie, possèdent encore de nombreuses sociétés cimentières familiales. 7

8 La consommation de ciment rapportée à l habitant montre les habitudes locales et nationales. L'Espagne, le Portugal et l'irlande ont connu un boom économique important du fait de subsides européens. La Grèce et l'italie ont une consommation traditionnellement forte du fait de contraintes sismiques. Le Luxembourg a une consommation élevée du fait de projet important d'infrastructure (tunnel, lignes de tramway et ferroviaires) La consommation chinoise s'accroit également rapidement de par son développement économique sans précédent. L Inde, avec 120 kg/habitants, n est pas dans cette liste et a encore un potentiel de consommation et donc de développement. 8

9 La production (sensiblement égale à la consommation) de ciment en France a atteint un maximum en 1974 à 33 millions de tonnes. Cette période de croissance correspond au «baby-boom» d après-guerre. Après 1974, on assiste à une décroissance plus ou moins régulière jusqu en 1988, l'économie française est en récession et les grandes industries se restructurent. Un sursaut a lieu entre 1988 et 1992, les banques se précipitent sur le financement de l'immobilier pour compenser les faibles marges des activités traditionnelles (rapport du Sénat). En 1993, du fait de la surabondance de l'immobilier de bureaux et de l'envolée des prix vis-à-vis de la valeur réelle des biens, le marché s'effondre et la bulle éclate. Entre 1994 et 2001, on assiste à une correction et à un assainissement du marché immobilier. De 2001 à 2007, sous l'effet d'une inflation et de taux d'intérêt faibles (effet Euro) ainsi que d'une demande forte, une nouvelle période de croissance à lieu. En 2008, la non-solvabilité des ménages excessivement endettés (effet subprime) combiné avec un niveau de prix de nouveau excessif vis-à-vis du pouvoir d'achat des ménages, provoque une nouvelle correction du marché. 9

10 Sur cette figure, on a reporté une photographie instantanée de l année On remarque un certain déséquilibre entre les moitiés Nord-Est et Sud-Ouest du pays. La consommation de ciment varie selon les régions, leur population (migration de l'est vers l'ouest), les programmes de développement mis en place à un moment donné (Ligne TGV est), etc. L Ile-de-France reste néanmoins un gros consommateur national dans la mesure où cette région regroupe à elle seule près de 20 % de la population nationale. La présence de villes importantes modère les différences régionales (Lille, Strasbourg, Metz). 10

11 Le ciment est destiné à faire du béton pour des applications diverses. On distingue 2 grandes destinations : le bâtiment et le génie civil, avec une répartition respective d environ deux tiers / un tiers. Dans le domaine du bâtiment, c est la construction de logements neufs (maisons individuelles essentiellement) qui consomme le plus de ciment. Avec l entretien (entretien, rénovation, réhabilitation), c est 40 % de la production nationale de ciment qui est consommée. Dans le domaine du génie civil, c est le segment des réseaux de communication qui est le plus gros consommateur (routes, autoroutes et réseaux d équipements annexes). Les ouvrages d art (au sens large) ne consomment que 6 % de la production de ciment. 11

12 Le béton arrive sur chantier par différents canaux de distribution. Le plus courant en France est le Béton-Prêt-à-l Emploi (B.P.E.), par lequel passe environ 54 % de la production de ciment en Les centrales B.P.E. fabriquent le béton à la demande des entreprises et le livrent par camions-toupies sur les chantiers de construction. La grande majorité de ces centrales sont certifiées et fabriquent des bétons normalisés. La production sur chantier correspond souvent, soit à de très gros chantiers, pour lesquels les cadences de fabrication ou les contraintes environnementales nécessitent une fabrication sur place, soit au contraire, à de petits chantiers artisanaux, essentiellement de bâtiment. Les «produits en bétons» sont fabriqués dans des sites industriels de préfabrication. Dans ce cas, le béton est fabriqué en usine, et les produits finis ou semi-finis sont livrés sur chantier et mis en place. On trouve ces produits (quasiment tous normalisés) dans différents domaines de la construction : dans les réseaux et la voierie urbaine (tuyaux, bordures, pavés, ) dans le bâtiment (poutres, poutrelles, pré-dalles, dalles et voiles, bétons architectoniques, ). Les mortiers industriels (mortiers secs prêts-à-l`emploi) et les bétons de fibres-ciment ne représentent que 2 à 3 % de la consommation. 12

13 Les deux types de ciment les plus utilisés sont les CEM I et II, qui représentent à eux seuls 78 % du marché total. Les ciments aux laitiers et aux cendres volantes CEM III et V représentent encore une faible part du marché, qui devrait augmenter à l'avenir du fait de leur plus faible impact d émission de CO2. Le conditionnement du ciment se fait soit en vrac (3/4 de la production), soit en sacs. Le vrac est destiné aux industriels de la préfabrication, aux centrales de BPE et de chantiers. Le sac est destiné aux négoces de matériaux de construction et aux grandes surfaces de bricolage (GSB). Ils sont essentiellement destinés aux artisans maçons et aux particuliers. On note l évolution des habitudes et l usage plus important des bétons prêts à l emploi, l usage du sacs régressant régulièrement. 13

14 14

15 On peut distinguer 5 étapes principales constituant le process de fabrication du ciment. 1. L'extraction de la matière dans la carrière et son homogénéisation 2. La préparation des matières premières afin de constituer le cru (ou la pâte) 3. La cuisson aboutissant à la création du clinker 4. Le broyage du clinker et des ajouts pour fabriquer le ciment 5. Le stockage et l'expédition des ciments La fabrication du ciment peut avoir lieu indépendamment de celle du clinker et inversement. En effet, le clinker issu de la cuisson de la matière première provenant de la carrière est stocké dans un hall ou un silo à clinker. Le broyeur, quant à lui, utilise le clinker stocké comme matière première. La consommation de ciment étant très cyclique (forte utilisation en été, faible en hiver), cette indépendance permet ainsi de maintenir une production constante de clinker, et de réduire ou augmenter la production de ciment en utilisant les capacités de stockage d'une usine (en clinker et en ciment) comme tampon. 15

16 Les 4 voies de fabrication et les principales étapes de préparation du cru jusqu à la cuisson. Il existe 4 types de process différents : la voie sèche, la voie humide, la voie semi-sèche et la voie semi-humide (ces deux derniers étant des process intermédiaires). Il existe des phases communes à tous les process : l extraction de la matière première, constituée de calcaire et d argile la préhomogénéisation, qui consiste à homogénéiser les différents minéraux provenant de la carrière avec des ajouts minéraux secondaires. On obtient ainsi le "cru" qui a la composition idéale pour obtenir une matière finale avec la composition recherchée la cuisson, réalisée dans un four rotatif horizontal, qui porte à haute température le cru et le transforme en un produit fini appelé clinker. 16

17 Le process le plus ancien des quatre est celui de la voie humide. La craie constituant la matière première est extraite en carrière et peut être très humide, elle est concassée et homogénéisée. Les matières de correction, nécessaire à l'obtention de la composition désirée, sont dosées et ajoutée à la craie au niveau du broyeur à pâte. Dans ce broyeur, on ajoute également de l'eau et la pâte obtenue est filtrée au travers de tamis. La partie la plus grossière retourne dans le broyeur et la partie fine est stockée dans un bassin. La pâte, qui contient de l'ordre de 30 à 35 % d'eau, est ensuite pompée depuis le bassin et injectée dans un four très long (qui peut atteindre 220 m). Dans ce four, la pâte va avancer à contre-courant des gaz provenant de la combustion de charbon, de coke et aujourd'hui de déchets provenant d'autres industries. Au fur et à mesure de son avancement dans le four, la pâte va se transformer en clinker, qui va être trempé dans le refroidisseur, avant d'être stocké en silo. Les gaz provenant de la combustion sont filtrés et rejetés. 17

18 Dans le process semi-humide, on retrouve les mêmes étapes de préparation des matières premières, excepté le fait que la pâte va être filtrée au travers d un filtre presse puis introduite dans une tour de préchauffage. Dans cette tour, les gâteaux de pâte, qui ne contiennent plus que 17 à 21 % d'eau, rencontrent les gaz issus du four dans des cyclones et se transforment petit à petit en une farine par déshydratation. Cette farine entre ensuite dans un four rotatif, plus court que celui présent dans le process voie humide, puisqu'il n'est plus nécessaire à ce niveau d'éliminer l'eau de la pâte. 18

19 Dans le process semi-humide, avec grille Lepol, les gâteaux de pâte provenant du filtre presse ne sont pas introduits dans une tour, mais dans un préchauffeur à grille Lepol. Dans ce préchauffeur, les gâteaux de pâte tombent sur des grilles perforées, au travers desquelles passent les gaz de combustion, provenant du four. Les gâteaux sont ainsi déshydratés et partiellement décarbonatés avant de pénétrer dans le four rotatif. Le reste du process est analogue au précédent et on obtient le clinker en sortie du four rotatif. 19

20 Dans le procédé semi-sec, on ne fabrique plus de pâte. Les matières premières sont broyées et homogénéisées avant d'être introduites sur une sole de granulation où, en étant mélangées avec de l'eau, elles donnent naissance à des granules. Le pourcentage en eau des granules est de l'ordre de 10 à 12 %. Ces granules sont ensuite introduites sur la grille Lepol, à travers laquelle passent les gaz de combustion, comme lors du procédé précédent. 20

21 Le procédé sec a été mis au point pour éliminer l'étape d'évaporation d'eau contenu dans la pâte, il nécessite un calcaire dur contenant peu d'humidité Dans ce process, on a amélioré l'étape d'homogénéisation des matières premières, en utilisant des système de stockage radial ou circulaire, équipé de système de reprise capable de prélever les matières de manière plus homogène. Les matières premières et correctrices sont ensuite introduites dans un broyeur à cru vertical, capable également de séparer les grosses et les fines particules et enfin capable de sécher également les matériaux. La farine obtenue avec ce broyeur est ensuite homogénéisée dans un silo aéré puis elle est introduite dans la tour de préchauffage. Elle y rencontre les gaz de combustion circulant en sens inverse et l'échange thermique ainsi créé permet d'économiser une énergie considérable. Les gaz sortant de la tour de préchauffage vont être partiellement refroidis dans la tour de conditionnement et vont ensuite être réutilisés en partie dans le broyeur à cru, pour réchauffer la farine. En sortie du four rotatif, on obtient le clinker comme dans les autres process. 21

22 Le procédé utilisant une tour de pré-calcination est très similaire au précédent. La différence essentielle réside dans le fait que lorsque la farine descend en passant de l'un à l'autre des cyclone dans la tour, elle passe dans une chambre de pré-calcination où elle va atteindre une température de l'ordre de 1000 C. Dans cette chambre de précalcination, on peut injecter jusqu'à 40 % de la totalité des combustibles utilisés dans ce process. Lorsque la matière entre dans le four rotatif, on ne peut plus vraiment parler de farine, et comme cette matière est plus ou moins décarbonatée, la longueur du four rotatif peut être réduite considérablement. Lorsque aujourd'hui une nouvelle usine est construite, c'est en général ce process qui est choisi parce qu'il est le plus économique et permet d'atteindre de très grandes capacités de production. 22

23 Vue des différentes zones de l usine, ici une voie humide (on distingue un bassin d homogénéisation). 23

24 Vue des différentes zones d une autre usine, ici une voie sèche : on distingue la carrière (pierre dure) et les cyclones, échangeurs thermiques permettant le réchauffement de la matière et la décarbonatation du calcaire dans le cru, avant l introduction dans le four proprement dit. Les usines, outres les routes, sont souvent situées à proximité de voies ferrées et/ou de voies d eau, permettant d expédier les produits finis sur de longues distances, en général dans les grandes agglomérations. 24

25 Vue d une carrière de craie. La matière est tendre et riche en eau. Elle est ramassée par des «scrapeurs», concassée et versée dans des bassins d homogénéisation. 25

26 Calcaire dur d une carrière en voie semi-sèche. On devine aisément que les bancs calcaires n ont pas tous la même composition. L exploitation consiste à gérer de manière aussi harmonieuse que possible les différentes strates au cours du temps pour ne pas déséquilibrer la carrière. Des analyses sont réalisées périodiquement afin de s assurer de la composition des terrains en amont, qui vont arriver en phase d exploitation. En pierre dure et massive (voie sèche), on procède à l abattage par dynamitage du front de taille 26

27 La stratigraphie de la carrière est mise en évidence par la composition minéralogique des différents étages géologiques (ici du Jurassique callovo-oxfordien et séquanien), ainsi que par la composition chimique. Les calcaires francs supérieurs, constitués d un carbonate quasiment pur, sont très différents des étages inférieurs, marnes noires et marno-calcaires, plus riches en silice, alumine et fer. La composition du cru s effectue en mélangeant environ 80 % de calcaire et 20 % d argile. Les proportions varient selon la composition des bancs exploités. Le calcaire apporte le calcium, l argile apporte la silice, l alumine et le fer. La fabrication du clinker consiste à combiner tout l oxyde de calcium avec les autres éléments majeurs cités ci-dessus, pour former, à haute température, des silicates et aluminates de calcium aux propriétés hydrauliques (le terme sera explicité plus loin). 27

28 La matière est ensuite acheminée par tapis ou par «dumpers» jusqu au concassage primaire, qui effectue une réduction granulométrique des blocs. 28

29 Si le calcaire est déjà fortement fracturé, il peut se déliter assez facilement pour être prélevé directement avec des engins de carrière traditionnels. 29

30 Voie sèche ou semi-sèche : une fois suffisamment réduite par concassage, la matière première est étendue en couches horizontales successives, qui finissent par former un «tas», dont la composition globale est celle désirée. Les couches sont ensuite reprises verticalement, ce qui permet de prélever en permanence une matière de composition identique. 30

31 Assez souvent, aujourd'hui, pour des usines modernes, on utilise un broyeur vertical à galet pour broyer les matières premières destinées à des fours en voie sèche. Ce broyeur combine à la fois les actions de broyage, séchage et séparation. 31

32 En voie humide, la matière est broyée avec des percuteurs de type Hazemag si elle est relativement friable ou avec un broyeur à pâte (boulets) si elle est assez dure. Ensuite, elle est diluée et brassée dans des bassins, agitée en permanence, grâce à un manège rotatif et à l injection d air, pour éviter une sédimentation des particules. 32

33 En voie semi-sèche, la farine est granulée sur une assiette de granulation : un disque, incliné à 30 %, tourne à une vitesse contrôlée. La farine tombe sur le disque, et est aspergée d eau. Des boulettes se forment et tournent sur le disque en grossissant au fil des tours. Une fois trop lourdes, elles sont éjectées latéralement par la force centrifuge et tombent par gravité sur un tapis qui les amènent sur la grille Lepol, sur laquelle elles seront décarbonatées avant d entrer dans le four. 33

34 Dans la voie humide, la pâte est injectée directement dans le four, l'eau s'évapore dans la zone de chainage. Les plus grands fours peuvent contenir jusqu'à 700 T de chaines et mesurer jusqu'à 200 m de long. Ils sont légèrement inclinés (4 %) et tournent à une vitesse de l'ordre de 0.8 tr/min. La matière chemine lentement depuis l entrée jusqu à la flamme. Elle se réchauffe et se transforme minéralogiquement, en combinant l oxyde de calcium avec la silice ou l alumine pour former des silicates et des aluminates de calcium. Des briques réfractaires de composition particulièrement adaptée tapissent les fours et les protègent de la chaleur intense et des réactions chimiques qui ont lieu durant l'étape de clinkérisation. La composition de celles-ci varie selon leur distance à la flamme. 34

35 Dans une voie sèche, le four est relativement court (de l'ordre de 50 mètres). La farine est introduite dans les cyclones en haut de la tour, elle se réchauffe au contact des gaz des combustion, provenant de la flamme principale et du précalcinateur. Au fur et à mesure de son cheminement dans les cyclones, en descendant dans la tour, la farine rencontre des gaz de plus en plus chauds et sa température est de l'ordre de 1000 C en pied de tour, lorsqu'un précalcinateur est présent. L'effet cyclonique permet un bon échange thermique entre les gaz et la farine, tout en évitant un entrainement de la farine hors de la tour. 35

36 Introduction du cru à gauche, directement dans le four (voie humide), dans un cyclone (voie sèche), sur une grille Lepol (voie semi-sèche). La matière circule de gauche à droite en allant vers la flamme. # La longueur du four varie selon process (voie humide environ 200 m, voie sèche environ 60 m). # En voie humide, une partie du four sert à évaporer l eau de la pâte. # En voie sèche, il y a très peu d'humidité à éliminer, la farine est directement préchauffée. 36

37 1ère étape : décarbonatation (dans le four pour une voie humide et en pied de tour pour une voie sèche) Le calcaire (CaCO 3 ) est décomposé en oxyde de calcium (CaO) + gaz carbonique (CO 2 ). Ce dernier est évacué à la cheminée. CaCO > CaO + CO2 T env. 900 à 1000 C (réaction fortement endothermique) Pour 1 tonne de CaCO3, on évacue à la cheminée 440 kg de CO2, du simple fait de la décarbonatation. 1ère combinaisons des différents oxydes Si +Ca et Al + Ca 37

38 2ème étape : phase de transition Combinaison de CaO avec : # Si pour former du C 2 S (silicate bicalcique) # Al pour former une solution solide d aluminates de calcium Les réactions ont lieu à l état solide. La réaction de formation du C2S est légèrement exothermique. 38

39 3ème étape : phase de cuisson La température de la matière monte jusqu à 1450 C. Une partie de la matière fond pour donner naissance à la phase liquide (constituée de phase aluminate et ferrite), cette étape demande beaucoup d'énergie et est endothermique. En parallèle, il y a formation de C3S (silicate tricalcique): à partir de 1300 C, le C2S se transforme en C3S en réagissant avec une partie du CaO non combiné. La réaction est exothermique. # Remarque : Le terme C3S et C2S s applique en réalité à des phases pures. Dans le cas présent, des éléments mineurs issus de la carrière (éléments de transition : titane, vanadium, chrome, manganèse, cobalt, ) sont inclus dans les réseaux cristallographiques des silicates, qui portent en réalité les noms respectifs d alite et de bélite. Il en est de même pour l aluminate tricalcique (C3A ---> célite). La cristallinité et la composition de ces phases influent sur leurs propriétés (couleur par exemple) et leur réactivité en présence d eau. 4ème étape : trempe La matière est refroidie brusquement de 1450 à env. 100 C en quelques minutes. On obtient le clinker. La trempe a pour but de figer les espèces minérales qui seraient instables à la température ambiante (le C3S se décomposerait en C2S + CaO). Le C2S cristallise sous sa forme allotropique β, seule phase capable de réagir avec l eau, au lieu de la phase γ, qui est inerte. Les aluminates, phase liquide dans le four (phase interstitielle), vont être "figés" en entourant les phases cristallines du clinker. Le bilan énergétique théorique (en comptabilisant les réactions endothermiques et exothermiques) permet d'estimer la chaleur de formation du clinker à 1765 kj/kg. En réalité les besoins énergétiques sont de l'ordre de : 3200 kj/kg dans le cas d'une voie sèche 5400 kj/kg dans le cas d'une voie humide 39

40 Intérieur du four côté flamme : En haut, on voit la tuyère et le flux de combustible enflammé. A droite on devine la matière sur les parois du four. La flamme mesure environ 20 mètres de long et atteint 2000 C à la pointe. 40

41 A la sortie du four, le clinker doit être refroidi brutalement : c est la trempe. Il existe plusieurs procédés pour effectuer cette opération. Le refroidissement par ballonnets est un des plus anciens, il est relativement simple mais d'une efficacité limitée. Le système le plus récent et largement utilisé aujourd'hui, est le refroidissement à grille. En sortie du refroidisseur, la température est inférieure à 100 C. 41

42 Refroidisseur à ballonnets : En bout de four, le clinker tombe dans des ouïes (à droite) et passe dans des ballonnets, accrochés au four (à gauche). Une circulation d air frais assure le refroidissement du clinker. 42

43 Dans le refroidisseur à grille, le clinker chute sur les grilles en sortie de four. Le mouvement des grilles le fait avancer lentement, pendant que de l air froid circule par les trous et traverse le tapis de matière chaude. L'air passant au travers du clinker immédiatement après sa chute du four, se réchauffe fortement et est dirigé vers le four, pour servir de comburant. L'air passant au travers du clinker déjà partiellement refroidi, est aspiré vers l'extérieur (il n'est pas nécessaire à la combustion) et évacué après avoir été filtré. 43

44 Le clinker se présente sous la forme de granules de la grosseur d une noisette/noix. Il est évacué par tapis vers le hall/silo à clinker où il sera stocké en attendant d être broyé pour faire du ciment. La capacité de stockage peut atteindre plusieurs dizaines de milliers de tonnes ( tonnes en bas). 44

45 L énergie utilisée pour atteindre les températures requises, très élevées, provient de divers combustibles. Cette énergie représente un des coûts de production les plus importants et l'utilisation de combustibles de substitution permet de réduire ces coûts tout en valorisant des "déchets" provenant de d'autres industries. En France, 45 % de l énergie est issue du coke de pétrole, 26 % de combustibles dits de substitution. Ces derniers sont des sousproduits (huiles et pneus usagés, solvants, certains plastiques, ) qui ne trouvent plus place en décharges spéciales et dont l intérêt, outre leur apport énergétique évident, est une destruction complète à haute température sans rejets secondaires dans l environnement. 45

46 L'utilisation de combustible de substitution suppose des procédures d'acceptation et de réception renforcées et garantissant le respect de la réglementation. Ces procédures sont mises au point en collaboration avec les autorités administratives en charge de leur gestion (DRIRE). 46

47 Les laboratoires de production doivent naturellement être équipés en conséquence avec les appareils analytiques appropriés, de manière à pouvoir mesurer l ensemble des éléments dont la teneur est réglementée (exemple : les métaux lourds et les PCB). 47

48 Le ciment est fabriqué en broyant le clinker avec du sulfate de calcium (environ 5 %), qui sert de régulateur de prise, et éventuellement d autres constituants minéraux. On utilise pour cela un ensemble d'équipements dont les plus importants sont les broyeurs et les séparateurs. Selon le type de ciment qui est fabriqué, on introduit dans le broyeur le clinker avec les autres matières. En sortie du broyeur tous les matériaux broyés sont entrainés dans un séparateur, qui renvoi les particules les plus grosses dans le broyeur, alors que les plus fines sont dirigées vers le silos de ciment. L'air qui sert de moyen de transport est filtré et les particules récupérées sont envoyées également vers les silos de ciment. 48

49 Le broyeur est assez souvent rempli de boulets en aciers spéciaux et tapissé de plaques de blindage. Le broyeur tourne à une vitesse calculée pour que boulets et clinker se percutent sans être centrifugés. La matière concassée est rejetée vers le centre du broyeur par les plaques de blindage légèrement relevées (comme des tuiles). Les particules les plus fines finissent par passer à travers les grilles (en fond de broyeur) et passent dans une seconde chambre pour être broyées plus finement. 49

50 Dans un séparateur moderne, on ajuste la finesse du ciment, et donc la quantité de matière retournant à l'entrée du broyeur, en modifiant la vitesse de rotation de l'axe supportant la cage (plus il tourne vite et plus le ciment est fin). La récupération des fines particules en suspension dans l'air est réalisé avec un filtre à manche, ces dernières étant "décolmatées" à intervalle régulier, par des jets d'air comprimés. 50

51 Après le broyage, les ciments sont envoyés dans des silos. Un silo ne peut recevoir qu une qualité de ciment bien définie. La capacité courante est de l ordre de 2000 à 5000 tonnes, mais peut varier selon les usines et les produits à conserver. Le ciment est ensuite commercialisé, en vrac, par camions ou en train pour alimenter des dépôts (proches des agglomérations), soit en sacs pour alimenter les négociants de matériaux et les grandes surfaces de bricolage (GSB). Parfois il peut être mis en «big bags» (ou poches) pour alimenter des chantiers particuliers avec certains produits spécifiques, ou pour l exportation par mer. 51

52 A chaque étape du process de fabrication, des contrôles qualité sont effectués : sur le cru pour vérifier si la composition est conforme au cahier des charges, sur le clinker pour vérifier sa composition et certains paramètres de cuisson, sur les produits finis pour en accepter la commercialisation et vérifier leur conformité aux normes en vigueur. Les essais sont donc réalisés tant sur les produits semi finis ou finis (analyses chimiques et minéralogiques), que sur les mortiers, voire les bétons, pour en vérifier leurs caractéristiques (prise, résistance mécanique, ). Tous ces essais sont eux-mêmes normalisés et les outils de mesures raccordés à des étalons internes, raccordés euxmêmes aux étalons nationaux de masses, longueurs, températures, (BNM). 52

53 53

54 Liste des constituants dits «principaux» pouvant entrer dans la composition des ciments. La disponibilité géographique des ressources entraîne une utilisation différente selon les pays, voire selon les régions. La France fabrique des ciments au calcaire depuis de nombreuses années, ce dernier provenant en général de la carrière de la cimenterie elle-même. Elle n utilise pas de pouzzolanes car elle n a pas de matière première de composition ad hoc et en quantité suffisante, ce qui n est pas le cas de l Italie. De même l Allemagne utilise des schistes calcinés, ce qui n est pas le cas en France. Ces constituants, à faible valeur ajoutée, deviennent très onéreux dès qu ils sont transportés sur de longues distances ; c est pourquoi on utilise de préférence les ressources (naturelles mais surtout industrielles) locales. Ainsi, on fabrique plus de ciment au laitier dans les extrêmes nord, est et sud de la France qu ailleurs car les usines de ces régions sont à proximités des bassins sidérurgiques où le laitier est disponible. 54

55 Composition des différents constituants du ciment dans un diagramme ternaire : Silice - Calcium - Alumine Le ciment Portland a des propriétés hydrauliques. Dans la zone verte, le matériau a la propriété de faire prise en présence d eau, même sous l eau. Dans la zone violette, on trouve les matériaux pouzzolaniques : même en présence d eau, le matériau ne fait pas prise (ou extrêmement lentement) car il lui manque du calcium. Les principaux constituants entrant dans la composition des ciments sont situés sur le trait rouge, qui représente un rapport Si/Al constant. Ces éléments ne contiennent pas tous les mêmes quantités de calcium. Aussi ceux qui en contiennent moins, comme les pouzzolanes, seront-ils plus lents à s hydrater car ils nécessiteront un apport calcique plus important. 55

56 Une nomenclature régit le nom des ciments, afin de donner des indications sur sa composition, simplement à partir de son nom. Le premier chiffre (Romain) indique la composition du ciment La lettre majuscule suivante indique la teneur en clinker La lettre majuscule suivante indique la nature du ou des constituants principaux Les chiffres suivants ces lettres indiquent la classe de résistance Enfin, les dernières lettres indiquent le comportement au jeune âge 56

57 La classe de résistance est mesurée sur un mortier normalisé (quantité définie de sable, d'eau, de ciment suivant un mode opératoire unique) Ainsi un ciment 32,5 N devra se situer entre les bornes 32,5 et 52,5. Nous les réglons en moyenne à MPa. 57

58 La notation cimentière utilise des lettres symbolisant les éléments principaux exprimés sous forme d oxydes : C pour CaO, oxyde de calcium, S pour SiO2, silicium, etc. Cela permet d écrire les réactions chimiques de transformation de ces éléments lors de l hydratation, entre autres. L expression en oxydes est une simplification d écriture mais ne correspond pas à la réalité physique, ces éléments étant cristallisés pour la majorité d entre eux. 58

59 On exprime ainsi la composition des 4 minéraux majeurs du clinker : Alite : C3S Bélite : C2S Célite : C3A Aluminiferrite tétracalcique : C4AF. Ces minéraux présentent tous des spectres caractéristiques en DRX. Ils possèdent des formes minéralogiques variables selon les conditions de cuisson et la présence plus ou moins importante d éléments mineurs (éléments de transition en particulier). De la même manière qu en pétrographie, on calcule par une formule (dite de Bogue, du nom de son inventeur en 1950) la composition dite potentielle du clinker, en recombinant les différents oxydes mesurés par fluorescence X. La composition moyenne d un clinker Portland est visible sur la diapositives suivante. 59

60 Composition type d un clinker Portland. Les cations alcalins Na et K, ainsi que les sulfates bien qu en quantité très faible, jouent un rôle important lors des réactions d hydratation, en particulier dans les premiers instants après le malaxage (voir exposé A. Nonat). 60

61 Vue au microscope optique d une lame mince de clinker. Le C3S est facilement reconnaissable à ses grands cristaux aux contours polygonaux. Le C2S, en bleu, est plutôt arrondi et présente une mâcle caractéristique à 120. La partie blanche réfléchissante est constitué par la phase dite interstitielle d aluminates (C3A+C4AF) collée aux cristaux de silicates. La partie en jaune est constituée de résine pour la confection de la lame mince. 61

62 Vue au Microscope Électronique à Balayage (M.E.B.) d un grain de clinker. On notera les faces bien définies et le contour pseudohexagonal de la face supérieure du cristal de C3S. Les aluminates, phase liquide dans la partie terminale du four, «collent» entre eux les cristaux de silicates de calcium C3S et/ou C2S. Les sulfates alcalins sont issus des gaz produits lors de la combustion et viennent se condenser sur les faces des cristaux de silicates lors de la trempe. 62

63 MEB d un grain de clinker : C3S et phase interstitielle Les taches sur la face supérieure sont constituées d aluminates de calcium «collés» lors de la trempe. 63

64 MEB : cristallisation de sulfates alcalins dans un pore du clinker. 64

65 Cendres volantes (CV) : résidus silico-alumineux issus de la combustion du charbon (CV siliceuses) ou du lignite (CV calciques) dans les centrales thermiques. Les cendres doivent répondre à la définition donnée dans la norme NF EN pour être utilisée dans les ciments. En particulier, la perte au feu (résidus imbrûlés constitués essentiellement de carbone) ne doit pas dépasser 7 % en masse. 65

66 Les cendres volantes se présentent sous la forme de sphères creuses de granulométrie équivalente à celle du ciment. Elles sont partiellement vitreuses. 66

67 Le laitier de haut-fourneau est un sous-produit de l industrie sidérurgique. Il provient du résidu de la gangue du minerai de fer après extraction de la fonte. Après réduction du fer, le métal est recueilli dans un creuset. Le surnageant, de densité plus faible, est granulé par refroidissement brutal (trempe), empêchant la cristallisation. Broyé avec le clinker, il donne au ciment des propriétés spécifiques. Il est utilisé pour la fabrication des ciments entrant dans la constitution de bétons devant résister à des environnements agressifs. 67

68 Il se présente sous la forme de sable silico-alumineux. Sa structure vitreuse lui procure une réactivité en présence d alcalins et de chaux. Son hydratation conduit à des hydrates semblables à ceux du clinker, bien que légèrement plus acides. Le laitier de haut-fourneau entre jusqu à plus de 80 % dans la composition de certains ciments, appelés ciments de hautfourneaux. 68

69 Le calcaire est généralement extrait dans la carrière même de la cimenterie. Il peut rentrer dans des proportions allant jusqu à 35 % de la masse totale du ciment. Il permet d'éclaircir la couleur de certains ciments et apporte une certaine onctuosité aux mortiers et bétons. 69

70 Les pouzzolanes peuvent être naturelles ou issues de la calcination d argiles. Elles ont une structure alvéolaire et sont très friables et poreuses. On les trouve dans les régions volcaniques, leur nom provient de «Pouzzoles», port italien situé au pied du Vésuve. La réaction pouzzolanique a lieu en milieu aqueux, entre la silice et l'alumine provenant d'une pouzzolane et l'hydroxyde de calcium provenant du clinker. Cette réaction conduit à la formation d'hydrates qui ont les propriétés de liants. 70

71 De par leur composition, les ciments ont des propriétés différentes, qui déterminent leur utilisation. 71

72 Ce chapitre sert d introduction aux exposés suivants. Le ciment est un solide polyphasé qui va réagir avec l eau et les éventuels adjuvants organiques, voire avec les granulats. Il va se transformer à une vitesse variable selon sa composition, les minéraux qui le constituent, les conditions extérieures, pour devenir un nouveau matériau : le béton. D abord liquide, puis pâteux, il va durcir suite aux nombreuses réactions qui ont lieu en son sein, avec des conséquences connues (parfois, mais heureusement rarement, malheureuses voir exposé sur la pathologie des bétons) : exothermie, durcissement, retrait, fluage, etc. Les quelques images qui suivent servent au lecteur à prendre conscience de l origine des réactions qui peuvent se dérouler à l intérieur du matériau. 72

73 L ajout d eau va provoquer une suite de réactions en chaîne, transformant le ciment initial (clinker mais également autres constituants éventuels) en hydrates. Les réactions se passent avant tout en surface des grains et des minéraux présents à chaque instant. On passe d un solide polyphasé (le ciment) à un autre solide, poreux, hétérogène et évolutif (la pâte de ciment), qui va tenter de se mettre en équilibre avec son environnement proche. L ajout de sable pour faire des mortiers et de granulats pour la confection du béton donne au matériau ainsi confectionné des propriétés spécifiques et complexes. 73

74 Les réactions d hydratation classiques engendrent différents types de minéraux hydratés, aux faciès assez caractéristiques. Les silicates donnent naissance à des «Silicates de Calcium Hydratés» (ou CSH) d une part, et de la portlandite Ca(OH)2 d autre part. La portlandite provient de la précipitation de l excès de calcium dans la solution lors de la formation des CSH. Dans les CSH (qui constituent la colle véritable du ciment), le rapport molaire C/S est plus faible que celui de l anhydre dont ils proviennent. Les aluminates, C3A notamment, vont se combiner au sulfate présent, issu des sulfates alcalins du clinker et du sulfate rapporté lors du gypsage du ciment pendant la fabrication, pour former tout d abord de l ettringite (ou trisulfoaluminate de calcium hydraté), phase instable qui va se transformer ultérieurement en monosulfoaluminate de calcium, ou en diverses phases aluminates hydratées selon l environnement présent et les compositions initiales. 74

75 Le sulfate de Calcium hydraté (gypse) ou anhydre (anhydrite) est ajouté dans une proportion d environ 5 % dans les ciments. Sa fonction est de bloquer momentanément la prise du ciment pour permettre la fabrication et le transport du béton sans gêner le développement ultérieur des résistances mécaniques. En présence de sulfates (gypse ou anhydrite), ils forment un hydrate intermédiaire : l ettringite qui joue un rôle important dans le mécanisme de prise du ciment. Ces hydrates cristallisent dans le système hexagonal. Dans quelques cas rares (températures élevées), il peut se former des aluminates hydratés cubiques, minéralogiquement instables, qui peuvent être la cause de certaines pathologies du béton. Outre le gypse, on peut ajouter selon les circonstances et les besoins, certains additifs, qui peuvent être organiques, dans une proportion qui doit rester inférieure à 1 %. Ces additifs sont généralement des agents de mouture, produits servant à améliorer le broyage en évitant aux particules de se colmater, en agissant sur leurs propriétés de surface (effets répulsifs). 75

76 Ce graphique d après [Locher et al., 1976] résume l ordre d apparition des différents hydrates et leur quantité relative. La courbe pointillée de la porosité diminue proportionnellement avec le taux d hydratation de la pâte de ciment, à cause du comblement progressif des vides intergranulaires initiaux par les différents hydrates. On constate qu après quelques heures, l ettringite augmente, passe par un maximum, puis diminue au profit du monosulfoaluminate de calcium et des aluminates hydratés. 76

77 Cette image résume assez bien la situation: de l anhydre (clinker par exemple) présent sous les hydrates, des hydrates de nature différente (CSH, portlandite), au contact les uns des autres, et des pores, de taille et de quantité différentes, plus ou moins remplis par une solution concentrée (un ph initialement voisin de 13) servant de vecteur aux échanges entre les surfaces. Le système est en outre dépendant des conditions extérieures (variations de température et humidité, CO2, solutions ioniques variées ) qui vont modifier la stabilité de l ensemble et le faire évoluer en permanence, à des vitesses variables. Composition chimique, minéralogique, propriétés physiques et mécaniques vont ainsi évoluer, de manière souvent invisible pour l utilisateur, au gré des conditions rencontrées. 77

78 La pâte de ciment hydratée peut réagir avec son environnement extérieur : sur la photo, la portlandite - Ca(OH)2 - initialement présente a été peu à peu remplacée par de la calcite - CaCO3- après réaction avec le CO2 atmosphérique en présence de l eau de la solution. 78

79 79

80 80

81 81