Note historique, 1. Fabrication du ciment. Le schéma de production du ciment. bande transporteuse. carrière. filtres. échangeur de chaleur

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Émile Giroux
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Note historique, 1 La chaux, connue depuis l antiquité: CaCO 3 CaO Ca(OH) 2 CaCO 3 Elle ne prend pas sous eau

«hydrauliques» son celles contenant des matières argileuses 1796, Parker en Angleterre, développe le ciment

rôle de l argile et fabrique un ciment à partir d un mélange intime de calcaire et d argile.

brevète une chaux hydraulique à laquelle il donne le nom de ciment Portland, car sa couleur, après prise,

1835, Issac-Charles Johnson qui travaille dans une usine de ciment, observe que les morceaux trop cuits donnent,

Il augmente la température de cuisson et donne naissance au véritable ciment Portland.

1 Note historique, 1 La chaux, connue depuis l antiquité: CaCO 3 CaO Ca(OH) 2 CaCO 3 Elle ne prend pas sous eau Fabrication du ciment 1756, Smeaton en Angleterre, découvre 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. carrière bande transporteuse Le schéma de production du ciment 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. préhomogénéisation They have this on their web site filtres silo à clinker échangeur de chaleur four rotatif ajouts au expédition ciment moulin à ciment

Pay back on ivestment Choice of quarry Presence of minor elements Cru ~80% roches calcaires Composition de croûte terrestre 20% source de SiO 2 qui amène aussi Al 2 O 3 et Fe 2 O 3 argiles, etc.

2 Pay back on ivestment Choice of quarry Presence of minor elements Cru ~80% roches calcaires Composition de croûte terrestre 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 Jusqu à 95% CaCO 3 ~55% CaO impuretés majeures MgO bonne source de calcaire détermine emplacements des usines de ciment 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

3 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 Matières premières Cuisson Calcination (chaux aérienne) Formation de composés hydrauliques (chaux hydraulique) Calcaire ( 75%) CaCO 3 CaO + CO 2 (C) 600 C 900 C Argile ( 25%) n SiO 2, m Al 2 O 3, p Fe 2 O 4, q H 2 O Dissociation (S), (A), (F) + H 2 O Diverses réactions entre (C), (S), (A), (F) carrière bande transporteuse filtres Le schéma de production du ciment échangeur de chaleur four rotatif Clinkérisation Trempe Mouture + Fusion partielle 1250 C Formation de C 3 S 1450 C Etat métastable Adjonction de gypse (CaSO 4 ) 700 C 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 FA CP = Clinker moulu + 4% de gypse préhomogénéisation silo à clinker ajouts au expédition ciment moulin à ciment

Microstructure de clinker «idéale» diagramme d'équilibre SiO 2 -CaO «alite» C 3 S, impure 20 µm «belite» C 2 S,

cuisson C 2 S(s) + C(s) C 3 S(s) réaction facilitée par le liquide Problèmes possibles d homogénéité et

Ajout de CaSO 4 H x : (4 8%) gypse (x=2) anhydrite (x=0) déshydratation à plâtre (x=0,5) possible Souvent Ajout

4 Microstructure de clinker «idéale» diagramme d'équilibre SiO 2 -CaO «alite» C 3 S, impure 20 µm «belite» C 2 S, impure phases «interstitielles» «celite» C 3 A, impure + solution solide de ferrite «C 4 AF», liquide pendant la cuisson C 2 S(s) + C(s) C 3 S(s) réaction facilitée par le liquide Problèmes possibles d homogénéité et refroidissement trop lent Put some labels 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)

5 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 Granulométrie psd (particle size distribution) < 1 µm ~75 µm Plupart: 10 µm Source: Bye «Portland Cement», Thomas Telford 1999 Grains du ciment Packaging sac Big bag vrac 10µm

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

??? 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

6 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 Mais: Bogue = Bogus? Solution solides substitution atomique typique Solution solide Réactions incomplètes C3S ions Ca ions Si 2% Mg, 1% Fe, 0,5%Na 4% Al, 1% P Quelles autres méthodes: Microscopie, «point counting» Très longue Diffraction des rayons X, -problème de solution solide -Recouvrement des peaks 20 µm C2S ions Ca ions Si C3A ions Ca ions Al Ferrite ions Ca ions (Al,Fe) 1% Mg, 1,5% K, 0,5% Na 7% Al, 2% Fe, 1% P 8% K, 3% Mg, 2% Na, 1%Ti 10% Fe, 10% Si <1%(K,Na) 30-45% Fe, 35-50% Al, 10% Mg, 7% Si, 3% Ti, 1% Mn

Écarts typiques Phases mineur BOGUE QXDA MgO, entre en solution solid, jusqu à ~3-4% >3-4% formation du periclase, MgO, peut donner du gonflement C 3 S 59 67 C 2 S C 3 A «C 4 AF» 13 9 9 15 5 6 Les

7 Écarts typiques Phases mineur BOGUE QXDA MgO, entre en solution solid, jusqu à ~3-4% >3-4% formation du periclase, MgO, peut donner du gonflement C 3 S C 2 S C 3 A «C 4 AF» Les alcalis (K et Na), combine de préférence avec le sulfate (clinker) Dans les pores du clinker Types de ciment Résistance précoce High early strength Basse chaleur Low heat Résistance au sulfate (eau de mer) Sulfate resisting Ciment blanc White cement SA, C 3 S, C 3 A, (alk ) SA, C 3 S, C2S, C 3 A,alk ) C 3 A < 4% (bogue) Fe 2 O 3 ~ 0 R1j ~2x R1j ~0.5x R1j ~0.7x 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 ajustement du cru, choix de carrière IV V Ciment pouzzolanique Ciment composé (*) IV / A IV / B V / A V / B

8 Gamme des ciments en Suisse romande Désignation Commerciale Selon ENV NORMO 3 NORMO 4 NORMO 5 R FLUVIO 3 R FLUVIO 4 R ALBARO 5 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 CEM II / A-L 32.5 R CEM II / A-L 42.5 R Ciment blanc CEM I 52.5 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

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