Fabrication du ciment

Fabrication du ciment

Note historique, 1 La chaux, connue depuis l antiquité: CaCO 3 CaO Ca(OH) 2 CaCO 3 Elle ne durcit pas sous l eau 1756-1828, découverte et compréhension que les calcaires qui contiennent de l'argile donnent de meilleurs ciments (plus résistants à l'eau)

1824, Joseph Aspdin en Angleterre, fabrique et brevette le ciment Portland, car sa couleur, après prise, ressemble à la pierre de Portland. 1835, l'augmentation de la température de cuisson donne naissance au véritable ciment Portland. 1838, William Aspdin (fils de Joseph) convainc Brunel de l utiliser pour réparer son tunnel sous la Tamise 1ère utilisation du ciment Portland en génie civil.

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

La fabrication du ciment le processus 1- Extraction 1 cru cuit 2- Transport MP 2 7- Stockage 7 8- Expéditions 8 6 3 6- Broyage 3-Préhomogénéisation 4- Four 4 5 5- Hall clinker

La fabrication du ciment le processus Bassin d homogénéisation Hall clinker Fours Voie ferrée Four Combustibles Silos

Cru Calcaire ~80% roches calcaires Jusqu à 95% CaCO 3 ~55% CaO impuretés majeures MgO Argile 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, etc. dans certains cas, il faut mélanger les sources pour obtenir la chimie correcte

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%

Composition de la croûte terrestre Magnesium Potassium Sodium Ca Iron Aluminium Silicon reste Oxygen Grande abondance des éléments nécessaires Malgré la quantité plus faible de calcium, cet élément est fortement concentré dans les roches calcaires, bien réparti

Composition of the earth s crust Mg K Na rest Composition of cement Mg S Na K rest Ca Fe O Al O Ca Si Si Fe Al CaO readily available from limestone

Cement chemistry notation C = CaO S = SiO 2 A = Al 2 O 3 F = Fe 2 O 3 H = H 2 O S,$ = SO 3 C,Č = CO 2

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

La Carrière

La cuisson

La cuisson 2000 C 1450 C

H2O Préchauffage Cuisson FOUR VOIE SECHE Calcination Transition Cuisson Trempe CO2 C Répartition des masses CaO Calcaire Quartz Argiles Oxyde de fer Aluminates Bélite C2S CaCO3 SiO2 Alite C3S Si, Al, K, Na, Ox Fe2O3 Liquide C3A C4AF 1400 1200 1000 800 600 400 200 1 5 15 20 25 30 10 min Temps de séjour D'après KHD Humboldt Wedag, modifié

Répartition des masses H2O Préchauffage Calcaire Quartz Argiles Fe2O3 Cuisson FOUR VOIE SECHE Calcination Transition Cuisson Trempe CO2 1 CaO CaO Silicate de Calcium Aluminates Bélite C2S Aluminates de Calcium Temps de séjour Alite C3S Liquide 5 15 20 25 30 10 min C3A C4AF D'après KHD Humboldt Wedag, modifié C 1400 1200 1000 800 600 400 200

Répartition des masses H2O Préchauffage Calcaire Cuisson FOUR VOIE SECHE Calcination Transition Cuisson Trempe CO2 CaO Aluminates Bélite C2S Alite C3S Liquide C3A C4AF C 1400 1200 1000 800 600 400 200 Quartz Argiles Fe2O3 1 5 15 20 25 30 10 min Temps de séjour D'après KHD Humboldt Wedag, modifié

H2O Cuisson Répartition des masses Préchauffage Calcaire FOUR VOIE SECHE Calcination Transition Cuisson Trempe CO2 CaO Aluminates Bélite C2S Alite C3S Liquide C3A C4AF C 1400 1200 1000 800 600 400 200 Quartz Argiles Fe2O3 1 5 15 20 25 30 10 min Temps de séjour D'après KHD Humboldt Wedag, modifié

La trempe

Microstructure du clinker «idéale» «alite» C 3 S, impure «belite» C 2 S, impure 20 m 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)

Broyage séparateur ciment 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 2 ou 3 compartiments Aussi possible Laitier (slag) Cendres volantes (fly ash) Fumée de silice (silica fume)

Le broyage

Grains du ciment 10 m

Granulométrie psd (particle size distribution) 100 80 < 1 m ~75 m Pourcentage plus fin 60 40 Surface spécifique Blaine: 350 m 2 /kg La plupart: 10-50 m 20 Circuit ouvert Circuit fermé conventionnel Circuit fermé haute efficacité 0 1 2 5 10 20 50 100 200 500 1000 m Source: Bye «Portland Cement», Thomas Telford 1999

Broyage Contrôle par surface spécifique «Blaine» Perméabilité à l air Gamme normale 320-370 m 2 /kg Ciment résistance rapide 400 500 Ciment pétrolier 220-300

Livraison (en sac ou en vrac) Vrac ~80-90% Sac ~<10% Big bag ~<10%

Control Qualité Source : http://en.wikipedia.org/wiki/x-ray_fluorescence

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? C4AF? Contrôle strict pour éviter le gonflement

Calcul «Bogue» composition des phases «potentielles» Tous Fe 2 O 3 sous la forme C 4 AF: Avec CaO et Al 2 O 3 Al 2 O 3 qui reste sous la forme C 3 A: Avec CaO 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 2 + 1.08Fe 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 C 2 S C 3 A «C 4 AF» BOGUE 59 13 9 9 QXDA 67 15 5 6 Écarts typiques

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 C 3 S C 2 S C 3 A alk C 3 A < 4% (bogue) Fe 2 O 3 ~ 0 R1j ~2x R1j ~0.5x R1j ~0.7x ajustement du cru, choix de carrière

1 tonne of cement leads to the emission of 650 900 kg CO 2 Origins of CO 2 emissions in cement production The production process is highly optimised it is estimated that < 2% further savings can be made here Use of waste fuels, which can be > 80% reduces the demand for fossil fuels 40 60 CaCO3 Decreasing chemical decomposition CO 2 will mean (CHEMICAL) changes in the Fuel chemistry of the cement: therefore its reactions and potential performance

Evolution of the use of alternative fuels (France) 4900 4734 4750 4499 4400 4365 4269 4198 4139 4056 4081 3997 3993 Total fuel (alternative + fossil) 3900 3400 2900 3934 3884 3830 3788 3755 3755 3914 3755 3845 3796 3712 3604 3566 3528 3751 3453 3789 3778 3734 3748 3691 3361 3248 3271 3288 3124 3766 3018 3710 3726 37413748 2840 2741 2763 2400 2487 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 MJ / clinker ton Fossil fuels Source ATILH

Substitution level (%) Alternative fuels consumption in Europe (2000)

Calorific value Heavy fuel oil 40 000 MJ/t Petroleum coke 33 000 Animal fat 39 000 MJ/t Waste oils 35 000 tyres 27 000 Polymers 23 000 Animal meal 18 500 Wood and paper wastes 16 000 A burner for petcoke, solid wastes (two channels), liquid wastes/heavy fuel oil (http://www.dynamis-ma.com/). Burner for petcoke, solid wastes, natural gas / diesel oil lance. (http://www.dynamis-ma.com/)

Reduction d' impact environmental calcaire Clinker + Laitier de haut fourneau Cendres volants Gypse

Le ciment Pour fabriquer un ciment, on utilise : Clinker + Calcaire Laitier Cendres volantes Régulateur de prise (gypse) Autres constituants

The Future Of Concrete / Facing Challenges Reducing the environmental impact of cement production cement substitutes / supplementary cementitious materials (SCMs) clinker % in cement Holcim clinker factor

But increasing substitution of these material is reaching a limit due to: - technical performance - availability Calcined clays NB, reserves of fly ash But this SCM has poor performance 48 limestone

Classification des principaux types de ciments selon ENV 197-1 Désignation Composition en % massique Type Ciment Notation Principaux Secondaire Clinker Ajout I Portland I 95-100 0 0-5 II III Portland au laitier Portland à la F.S. Portland au calcaire... etc Ciment de haut fourneau II / A-S II / B-S 80-94 65-79 6-20 21-35 0-5 0-5 II / A-D 90-94 6-10 0-5 II / A-L II / B-L III / A III / B III / C 80-94 65-79 35-64 20-34 5-19 6-20 21-35 36-65 66-80 81-95 0-5 0-5 0-5 0-5 0-5 IV Ciment pouzzolaniqu e IV / A IV / B 65-89 45-64 11-35 36-55 0-5 0-5 V Ciment composé (*) V / A V / B 40-64 20-39 36-60 61-80 0-5 0-5

Classification des principaux types de ciments selon ENV 197-1 CEM I : Ciment Portland CEM II : Ciment Portland composé CEM III : Ciment de haut fourneau CEM IV : Ciment pouzzolanique CEM V : Ciment composé Constituants principaux et secondaires: - K: Clinker - S: Laitier - D: Fumée de silice - P ou Q: Pouzzolanes - V ou W: cendres volantes - T: Schistes calcinées - L ou LL: Calcaire LL : inférieure à 0,20 % en masse. L : inférieure à 0,50 % en masse. De plus: -M(X-Y): ciment composés -SR: ciments à résistance élevée aux sulfates: extension (CEM I et CEM III/B) Ou si ce n est que valable en Suisse: «-HS-CH» (CEM II/B-M(S-T))

Classification des principaux types de ciments selon ENV 197-1 -N: Classe de résistance à court terme ordinaire -R: Classe de résistance à court terme élevée

Gamme de ciments en Suisse Type de ciment Livraison 2012 (source: cemsuisse) utilisation CEM II / A-LL 42.5N 50% Bâtiment standard CEM II / B-M(T-LL) 42.5N 30% Bâtiment standard (réduction de la teneur en clinker) CEM I 42.5 N 12% Bâtiment standard CEM I 52.5R 5% Préfabriqué / hivers

Ce qu'il faut retenir C=CaO, S=SiO 2, A=Al 2 O 3, F=Fe 2 O 3 4 phases dans clinker C 3 S, C 2 S, C 3 A, C 4 AF Dominance de C 3 S ~ deux tiers Pendant le broyage ajout de ~4-5% CaSO 4.2H 2 O Contrôle de réactivité par la finesse Aujourd'hui beaucoup de ciments mélangés ajouts de calcaire, laitier, etc. Présence de < 1% des alkalis (K 2 0, Na 2 0) qui sont des impuretés, mais jouent un rôle important