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

Transcription

1 Cours Matériaux cimentaires LCR - Lafarge Centre de Recherche

2 Résumé Béton est le matériau de construction le plus utilisé dans le monde Ciment est un liant hydraulique : anhydre qui réagit avec de l eau pour former hydrates = «colle» Différents liants hydrauliques: ciment, laitiers, pouzzolanes, cendres volantes Mortier = ciment + eau + sable Béton = ciment + eau + sable + granulats

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

4 CaO SiO 2

5 Production de silicates CaO + SiO 2 réalisable seulement en laboratoire En usine: calcaire CaCO 3 et Argiles (source de SiO 2 ) Produit naturel = introduction impuretés A, F, M et N,K, SO 3

6 CaO SiO 2 - Al 2 O 3

7 Reactivité Afin de facilite l aptitude à la cuisson d un cru Optimisation de la composition (phase liquide) Optimisation de la granulométrie (broyage)

8

9 Cuisson Au laboratoire En usine Four Creuset en platine Trempe (à l air, à l eau) Four rotatif en acier Briques réfractaires refroidisseur

10 Au laboratoire H2O C A S F C3A C4AF C2S C3S 950 C CO C 1340 C 1420 C1450 C

11 Raw Mix 100 H 2 O clay CO 2 Clinker % Masses Quartz β CaCO 3 Clay CaO Quartz α Cristobalite C 3 S C 2 S Liqu. Fe 2 O 3 C 2 (A 1 F) C 12 A 7 C 4 AF C 3 A % T C Zone 1 Zone 2 Zone 3

12 Rotary kiln The first rotary kiln, which is the standard today, appeared in 1897

13 Different types of process Wet process mixed in tanks, with water addition slurry 35 to 30% water Semi-wet process mixed in tanks, with water addition, then filter pressed and nodulized nodules 18 to 20% water Semi-dry process granulation Dry process granules 12 to 14% water only milled raw mix < 1% water Dry and semi-dry processes need a very good quality raw mix. No tank mixing

14 Principle: a blast pipe produces a flame in a large rotating cylinder through which the material to be burnt is fed. Convection Radiation Conduction CLINKER

15

16 Heat exchange in a rotary kiln Flame Radiation Radiation of the walls not in contact with the material Material bed surface Heat-up Heat-up of walls Conduction of the walls in contact with the material Material bed surface Heat-up Conduction + mixing materials + Convection of the gases which carry the heat Overall heating of the material

17

18

19 Fonctionnement d un cyclone

20 Preheater Tower Material flow Gas flow

21 Preheater Tower

22 Comparison of different process Kiln size vs capacity (typical figures) Wet 4,5 x 150 m t/j Long Kiln Dry Process Short Kiln Dry Process Preca 4,5 x 150 m 4,5 x 64 m 4,5 x 64 m t/j t/j t/j

23 MJ/kg Summary: comparison of different process Kiln Heat consumption 5,5 4,5 3,5 2,5 1,5 Long Wet Long Dry Pre-heater Pre-calciner

24 Combustibles Solide Liquide Charbon Déchets (pneus, plastique, bois, carcasses, ) Huiles solvants Gazeux Gaz naturel Produits de combustion (cendres) influencent la composition du clinker!

25 Burner Bipe

26

27

28 Cendres

29 Refroidissement

30

31

32

33 Salle de contrôle d une cimentérie

34 Clinker

35 CLINKER (microscopie optique)

36 CLINKER (Microscopie optique)

37 Le clinker : une céramique hétérogène et polyphasée Grain de clinker (section polie, microscopie optique) alite C 3 S + imp. bélite C 2 S + imp. phase interstitielle

38 GRAIN DE CLINKER (MEB)

39 GRAIN DE CLINKER (MEB)

40 Alite optique M e b M. Lacroix

41 Bélite optique M e b M. Lacroix

42 C3A - C4AF optique M e b M. Lacroix

43 CaO libre CaO libre optique M. Lacroix

44 MgO libre ou Périclase MgO libre optique M. Lacroix

45 Composition du clinker : Analyse DRX Rietveld

46

47 Aspects environnementaux de la production de ciment

48 Emissions resultant de la production d 1 tonne de ciment (type CEM I) 700 kg CO2 (décarbonatation du cru + combustion) kg vapeur d eau 0,2-1 kg SO2 1 kg NOx 0-1 kg CO kg d eau de refroidissement decibels dans les zones les plus bruyantes

49 Quels sont les leviers pour baisser CO2? Changement de composition Difficilement réalisable (carrière, performances produit) Optimisation procédé La plupart d usines sont déjà optimisé Ciments composés Rapport C/K : levier le plus intéressant à court terme

50 Types de ciments

51

52