Électif 10 Mise en forme industrielle des sols et matériaux granulaires Les ciments, liants hydrauliques
Définition Norme NF P 15-301 de 1994 : «Le ciment est un liant hydraulique, c est-à-dire une matière inorganique finement moulue qui, gâchée avec de l eau, forme une pâte qui fait prise et durcit par suite de réactions et processus d hydratation et qui, après durcissement, conserve sa résistance et sa stabilité, même sous l eau.» Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 2
Petit historique Panthéon de Rome : Construction : 27 av. JC, reconstruction : 125 Béton de chaux, pierre, brique, mortier Chaux + cendres volcaniques de Pouzzoles Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 3
Petit historique Louis Vicat (1786-1861) : Recherche sur l hydraulicité de la chaux Travaux sur le clinker 1840 : fabrication de ciment industriel, 80% de carbonate de calcium + 20% de silice «1er» pont en béton coulé, Jardin botanique de Grenoble Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 4
Petit historique Joseph Aspdin (1778-1855) : Cours 2 Donne le nom de ciment Portland en référence à la pierre calcaire de l île de Portland Les ciments, liants hydrauliques 5
Plan 1. Fabrication des ciments (liants hydrauliques) 2. Composition du clinker 3. Ajouts au clinker 4. Normalisation des ciments Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 6
1. Fabrication des ciments
Source : CIMBETON Cours 2 1. Fabrication des ciments Les ciments, liants hydrauliques 8
1. Extraction des matières premières Se fait en carrière 1. Fabrication des ciments 80% calcaire => carbonate de calcium 20% argile => silice, alumine et minerai de fer 2. Broyage du cru et cuisson Broyage très fin => le cru Passage au four => le cuit Refroidissement brutal (trempe) => le clinker 3. Broyage du ciment et expédition Addition de gypse (3 à 5 %), pour réguler la prise => ciment Portland Autres additifs éventuels Broyage très fin => pour obtenir un «ciment pur» Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 9
1. Fabrication des ciments Matières premières 80% calcaire 20% argile Produit de la cuisson Transformations chimiques Granules de clinker Produits d addition Gypse (régulateurs de prise) Laitiers de haut fourneau Fillers Fumée de silice Ciment Broyage Conditionnement Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 10
1. Fabrication des ciments Extraction des matières premières Source de carbonate de calcium = roches calcaires Source de silice, alumine, fer = argile La marne = mélange naturel de calcaire et d argile Extraction en carrières Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 11
1. Fabrication des ciments Préparation du «cru» calcaire broyage 0,2 mm le cru Voie sèche ou semi-sèche : granules argile Ajouts éventuels : bauxite ou oxyde de fer Voie humide : pâte fluide matières premières mélange conditionnement Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 12
1. Fabrication des ciments Cuisson du «cru» 1. Préchauffage 1. Déshydratation de l argile 2. Début de la décarbonatation du calcaire 2. Cuisson 1. Four rotatif incliné : ~ 80 m (voie sèche) / ~ 150 m (voie humide), diamètre 5 m, tôle d acier tapissée de briques réfractaires à l intérieur 2. Température de cuisson : 1450 C 3. Temps de cuisson : ~ 1 h (voie sèche) Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 13
1. Fabrication des ciments La trempe : refroidissement brutal du «cuit» Sortie du four => granules de clinker Clinker : Phase solide = silicates Phase liquide => aluminates après trempe Air froid insufflé au clinker Récupération de l air réchauffé par le clinker Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 14
1. Fabrication des ciments Ajout et broyage Gypse : régulateur de prise Laitier de haut fourneau Cendres volantes Fillers calcaires Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 15
2. Le clinker - Composition chimique et microstructure
2. Composition du clinker Composition du ciment : Clinker Gypse Laitier de haut fourneau Pouzzolanes Cendres volantes Fumée de silice Fillers Ciment ordinaire : Ciment Portland = clinker + 3 à 5% de gypse Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 17
2. Composition du clinker Composition du «cru» : Chaux CaO produit de la décarbonatation du calcaire : CaCO 3 (calcaire) CaO 3 (chaux) + CO 2 900-1000 C Silice SiO 2 Alumine Al 2 O 3 source : argile Oxyde de fer Fe 2 O 3 Alcalins : Na, K Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 18
2. Composition du clinker Notations cimentières : chaux silice alumine oxyde de fer Abstraction faite des «O» Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 19
2. Composition du clinker Composition du «cuit» : Silicate bicalcique Ca 2 SiO 4 (= C 2 S) Silicate tricalcique Ca 3 SiO 5 (= C 3 S) Aluminate tricalcique Ca 3 Al 2 O 6 (= C 3 A) Aluminoferrite tétracalcique Ca 4 Al 2 Fe 2 O 10 (= C 4 AF) phase solide phase interstitielle liquide à 1400 C Alcalins : Na, K Ca 2 SiO 4 (= C 2 S) + CaO (= C) Ca 3 SiO 5 (= C 3 S) > 1300 C Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 20
2. Composition du clinker La trempe => durcissement des aluminates => silicates collés entre eux Fabrication du clinker : combiner toutes les molécules de CaO avec la silice, l alumine et le fer, pour former, à 1450 C, des silicates et aluminates aux propriétés hydrauliques Ciment Portland (ordinaire) = clinker + 5% gypse broyés et mélangés Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 21
2. Composition du clinker Composition «grossière» du clinker (% massique) C 3 S 50 à 60% C 2 S 20 à 30% C 3 A 8 à 10% C 4 AF 10 à 12% Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 22
2. Composition du clinker Composition «fine» du clinker (en % massique) CaO 60 à 67% TiO 2 0,2 à 0,4% SiO 2 18 à 22% Na 2 O 0,2 à 0,4% Al 2 O 3 2 à 8% K 2 O 0,2 à 0,8% Fe 2 O 3 1 à 6% Chaux libre 1 à 2% MgO 1 à 2% Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 23
2. Composition du clinker Section polie d un granule de clinker observée au microscope optique : C 3 S : cristaux pseudo hexagonaux C 2 S : grains arrondis à surface lisse ou striée 400 microns Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 24
2. Composition du clinker Section polie d un granule de clinker observée au microscope optique (400 microns) : 400 microns Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 25
2. Composition du clinker Surface de fracture d un granule de clinker observée au microscope électronique à balayage Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 26
3. Additions au clinker
3. Additions au clinker Composition du ciment : Clinker Gypse Laitier de haut fourneau Pouzzolanes Cendres volantes Fumée de silice Fillers Ciment ordinaire : Ciment Portland = clinker + 3 à 5% de gypse Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 28
Laitiers de haut fourneau vitrifié 3. Additions au clinker Granulés ou bouletés Sous-produit de l industrie métallurgique Produit hydraulique (fait prise avec de l eau) => remplacement du clinker Composition : 40% CaO 35% SiO 2 11% Al 2 O 3 8% MgO (magnésie) + siliceux, - calcique que le clinker Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 29
3. Additions au clinker Les pouzzolanes «Pouzzolanique» => doit d abord réagir avec la chaux pour devenir hydraulique Naturelles : cendres ou verres volcaniques Artificielles : Cendres volantes de centrales thermiques au charbon Sous-produit de l électrométallurgie du silicium (fumée de silice) Schistes calcinés Composition (silico-alumineuse) : 45 à 70% SiO 2 (90 à 95% pour la fumée de silice) 10 à 25% Al 2 O 3 Jusqu à 10% d alcalins (Na 2 O et K 2 O) Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 30
3. Additions au clinker Les fillers calcaires Roches calcaires finement broyées Rôle de remplissage Composition : > 75% CaCO 3 Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 31
3. Additions au clinker Diagramme de Rankin Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 32
4. Normalisation des ciments Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 33
4. Normalisation des ciments Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 34
4. Normalisation des ciments Les types de ciment Norme NF EN 197-1, article 6, tableau 1 Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 35
4. Normalisation des ciments Les classes de résistance Cours 2 Les ciments, liants hydrauliques 36