Cours Matériaux cimentaires LCR - Lafarge Centre de Recherche
Lafarge 90000 employées dans le monde Chiffres d affaires : 19003 M en 2008 (3542 M ) 2000 sites de production dans 76 pays ciment, granulats : N 1 mondiale (Holcim, Cemex, ) béton, plâtre : N 3 mondiale 57% ciment, 35% béton et granulats, 8% plâtre Centre de Recherche (Isle d Abeau) : 220 chercheurs, techniciens et administratifs
Ciment Mortier - Béton C est quoi? + eau coulis, pâte + sable + granulats mortier béton
Liant hydraulique Definition : Un liant hydraulique est un liant qui se forme et durcit par réaction chimique avec de l eau et est aussi capable de le faire sous l eau.
Liants hydrauliques Ciments (OPC ordinary portland cement, aluminates) Laitiers de haut fourneaux Cendres volantes Pouzzolanes
Liants hydrauliques Pouzzolane = roche volcanique de Pouzzoles à coté de Naples (Italie)
Du béton : pour quoi faire? Réussites, échecs, préjugés, Génie civil, Architecture, Urbanisme, Environnemental
Viaduc de Millau 35000 t de ciment
«À la Courneuve, y'a pas d'écoles, y'a qu'des prisons et du béton» Renaud
Le béton : quelques chiffres Le matériau fabriqué en plus grande quantité par l homme
Composition béton courant : Pour 1 m 3 : Gravillons calcaires 12.5/50 777 kg Gravillons calcaires 4/12.5 415 kg Sable 0/5 744 kg Ciment CEM I 52,5N 353 kg Eau 172 kg Fluidifiant Total 2461 kg
1/ du béton pour le remplissage (volume) On parle en tonnes de ciment On parle en m 3 de béton 2/ du béton pour les résistances à la compression Béton courant : 1 jour : 5 MPa 7 jours : 20 MPa 28 jours : 30 MPa 90 jours : 40 MPa
Le béton : matériau homogène, hétérogène? À l échelle du cm / mm : granulats sable pâte de ciment durcie
Le béton : matériau homogène, hétérogène? À l échelle du mm / 10µm : ciment anhydre et porosité dans un milieu apparemment continu, les hydrates du ciment porosité ciment anhydre hydrates
Béton fibré ( fibres d acier + fibres minerales)
Le béton : matériau homogène, hétérogène? À l échelle du 10µm / 1µm : cristaux, hydrates faiblement cristallisés et pores Microscope électronique à balayage portlandite hydrates faiblement crystallisés (C-S-H) ettringite pore
Ettringite (3CaO.Al 2 O 3.3CaSO 4.32H 2 O)
C-S-H : Calcium silicate hydrates 100 nm Diffraction pattern exibits similar reflexions to these observed of tobermorite 3,08 Ang CSH after annealing treatment (120 C for 50 hours) 1,83 Ang Conventional TEM image of C-S-H Diffraction Pattern of C-S-H
C-S-H : Calcium silicate hydrates 0.7 nm tétraèdres Si plan de CaO tétraèdres Si TEM haute résolution
Les hydrates de la pâte de ciment 1 µm - 10 nm : porosité, et les hydrates faiblement cristallisés de la pâte de ciment apparaissent comme un assemblage de petites particules Microscope à Force Atomique porosité Particule d hydrate (Nonat, Journée Technique de l Industrie Cimentière, Paris, 1998)
Béton un matériaux poreux multi-échelle
Le béton : matériau homogène, hétérogène? Multi-phasique Multi-échelle Le béton : un matériau évolutif : Du gâchage : une suspension concentrée de grains de ciment dans l eau Au matériau durci : un milieu constitué d un assemblage rigide : de grains anhydres de grains d hydrates 10 nm et de pores
Histoire : Le ciment, son évolution Matériau lié à l habitat Facteurs climatiques, géographiques Disponibilité des matériaux (bois, boue, paille, pierres ) Maîtrise de températures élevées 20 0000 AC Civilisation de chasse économie de cueillette (grottes, souterrains ) Économie de cueillette agriculture 5000 AC Nil, Euphrate, Indes : construction de roseaux et argile Sud Balkans : construction de terre cuite Assyrie : brique moulée
3000 AC Mésopotamie: brique + bitume (béton) 2800 AC Fondation de l Égypte : ne connaissent plus la terre cuite, connaissance du verre 2600 AC Les pyramides : plâtre, chaux 2500 AC Découverte du bronze
2000 AC Empire romain : le ciment romain = chaux + pouzzolanes/tuiles (pulvis Puteolanum, Pozzuali)
1785 James Parker : utilité du couple calcaire / argile = marne quatre type de chaux: chaux grasses, non hydrauliques chaux hydrauliques chaux éminemment hydrauliques chaux limites 1812 Louis Vicat : mélange artificiel 1824 Joseph Aspdin: brevet ciment «Portland» (ressemblance avec pierre de la carrière à Portland, sud de l Angleterre) 1845 Johnson : température élevée, industrialisation 1887 Henri Le Chatelier : explication mechanisme de prise : dissolution et precipitation 1900 Bied : ciment alumineux
Physico-chimie du ciment Nomenclature cimentière C= CaO S= SiO 2 A= Al 2 O 3 F= Fe 2 O 3 f = FeO S = SO 3 K= K 2 O N= Na 2 O H = H 2 O C= CO 2 C 3 S= silicate tricalcique = 3 CaO, SiO2 = Ca 3 SiO 5 C 12 A 7 = heptaaluminate dodecalcique nom du minéral = ettringite
Mechanical performances of different mineralogical phases Silicates Aluminates C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF Compressive Strenghth (MPa) Time (days) Comparison of compressive strength of cement constituents (Bogue & Lerch) C 3 S = the most interesting phase
CaO SiO 2
C 3 S C + C 2 S = C 3 S At 1300 C : f H = +8790 J/moles f G = -1094 J/moles
CaO SiO 2
C 2 S 2 C + S = C 2 S At 1300 C (Bredigite) : f H = -117 695 J/moles f G = -142 563 J/moles
C 2 S β 650 C γ 840 C α L α Η α L 1177 C 1436 C 2130 C Polymorphisme de C 2 S
C 2 S 0 γ α L -1 1170 C heat flux (muv/s) -2-3 840 C 14300 J/mol α L α H α H α -4 1425 C 16800 J/mol Heating 5K/min -5 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 temperature ( C)
C 2 S 6 5 4 3 heat flux muv/s 2 1 0 α L β -1 α L α H -2-3 -4 α H α 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 temperature ( C)
Calcaire 3 CaO + SiO 2 = C 3 S impossible sur le plan industriel! CaCO 3 calcaire SiO 2 idéalement dans calcaires, sinon, argile -> matériau naturel, impuretés!
C3S : 73.7%CaO + 26.3% SiO 2 (rapport 2.8)
Argiles
Argiles
CaO Al 2 O 3
CaO SiO 2 - Al 2 O 3
CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3
CaO SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3
CaO SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3
DSC cru Portland 5 0-5 -10 réaction Heat Flow (µv/g) -15-20 -25-30 décarbonatation Portland -35-40 -45 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 Temperature ( C)
DSC cru Portland 5 4 Heat Flow (µv/g) 3 2 1 0-1 -2-3 -4 2C+S=C 2 S C 2 S+C=C 3 S C 3 A, C 4 AF = liq Portland -5 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 Temperature ( C)
DSC cru Portland 9 8 7 Heat FLow / µv 6 5 4 3 2 1 Liq = C 3 A, C 4 AF, C 2 S 0 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 Tem perature / C
Production de ciment
Carrière : usine Le Teil (Ardèche)
Prehomogenization Chevron type
Prehomogenization Zig-Zag layering Backward Forward A Stacker A Belt conveyor section A-A
Prehomogenization - Reclamation Reclaiming direction Digging front Bucket wheel reclaimer
Production clinker de ciment Contrôle qualité pour une bonne composition Analyse des matière premières Cible de composition en utilisant formules théoriques Mesures de contrôles
Control chimique : formules de Bogue C 4 AF = F C 3 A = A-F C 3 S = C-2S-3A-F Formules originales de Bogue en 1929 à partir des diagrammes de phases C 2 S = -C+3S+3A+F
Control chimique : formules de Bogue C 3 S = 4.0710CaO -7.6024SiO 2-6.7187Al 2 O 3-1.4297Fe 2 O 3 C 2 S = -3.0710CaO +8.6024SiO 2 +5.0683Al 2 O 3 +1.0785Fe 2 O 3 C 3 A = 2.6504Al 2 O 3-1.6920Fe 2 O 3 C 4 AF = 3.0432Fe 2 O 3 Transformations linéaires des mesures de C, S, A, F
Taylor s averaged clinker phase compositions, based on a wide range of microprobe analyses (Advances in Cement Research, 1989) mass%: Na 2 O MgO Al 2 O 3 SiO 2 P 2 O 5 SO 3 K 2 O CaO TiO 2 Mn 2 O 3 Fe 2 O 3 Alite 0.1 1.1 1.0 25.2 0.2 0.0 0.1 71.6 0.0 0.0 0.7 Belite 0.1 0.5 2.1 31.5 0.2 0.1 0.9 63.5 0.2 0.0 0.9 Aluminate 1.0 1.4 31.3 3.7 0.0 0.0 0.7 56.6 0.2 0.0 5.1 Ferrite 0.1 3.0 21.9 3.6 0.0 0.0 0.2 47.5 1.6 0.7 21.4 Phase \\ mass%: Na 2 O MgO Al 2 O 3 SiO 2 P 2 O 5 SO 3 K 2 O CaO TiO 2 Mn 2 O 3 Fe 2 O 3 Aluminate (WPC) 0.4 1.0 33.8 4.6 0.0 0.0 0.5 58.1 0.6 0.0 1.0 Ferrite (SRPC) 0.1 2.8 15.2 3.5 0.0 0.0 0.2 46.0 1.7 0.7 29.8 Phase \\ mass% : Na 2 O MgO Al 2 O 3 SiO 2 P 2 O 5 SO 3 K 2 O CaO TiO 2 Mn 2 O 3 Fe 2 O 3 Alkali-Aluminate 0.6 1.2 28.9 4.3 0.0 0.0 4.0 53.9 0.5 0.0 6.6
Modified Bogue calculation based on microscopic studies of industrial clinkers (Cariou & Sorrentino, ICMA proceedings, 1988) % alite = +5.17CaO -7.62SiO 2-5.79Al 2 O 3-3.12Fe 2 O 3 +4.27MgO +12.8R l -71.42 % belite = -4.59CaO +9.21SiO 2 +4.87Al 2 O 3 +2.74Fe 2 O 3-4.70MgO -16.73R l +89.42 % aluminate = 2.02Al 2 O 3-1.62Fe 2 O 3-1.52MgO +1.49R l +1.49 % ferrite = 2.69Fe 2 O 3 +1.61MgO -4.62 % periclase = 0 si MgO < 2%, et = (MgO -2%) si MgO > 2% avec: CaO = total CaO -free CaO -1.27CO 2-0.7SO 3-0.85 sol. K 2 O -1.29 sol. Na 2 O R l = alcalins réseau
Cuisson d un cru de ciment Température optimale de cuisson Composition chimique Cinétique de cuisson («aptitude à la combinaison») Composition chimique Type de matière première Homogénéité du mélange
Aide à la combinaison Chimie : Phase liquide (A,F,M,SO 3, ) Physique : Broyage : particules fines sont plus réactifs!
Compound Ball Mill Intermediate partition Outlet partition Chamber 2 Chamber 1 Classifying liners Lifting Liners
Fine Product Feed Material HE Separator Grinding Roller Grinding Table Air or Hot Gases
Distribution granulométrique d un cru
Influence of particle sizing $ $ $ $ $ $ $ $ $ Burning MINIMUM Cost $ $ $ $ $ $ $ Raw Mix Grinding Cement Grinding $ $ $ $ $ Raw mix fineness at minimum cost point