LES CIMENTS PARTIE 1
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L’industrie cimentière met aujourd’hui à la disposition de l’utilisateur un grand nombre de ciments qui présentent des caractéristiques bien définies et ...
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Introduction sur LES CIMENTS PARTIE 1
Cette fiche technique s’applique essentiellement au ciment Portland, notamment pour la fabrication.
Il existe d’autres ciments élaborés suivant d’autres procédés, pour lesquels on trouvera des informations complémentaires aux chapitres 1.2 et 1.3. Un peu d’histoire Les Romains furent sans doute les premiers à fabriquer des liants hydrauliques susceptibles de durcir sous l’eau.
Pour cela, ils mélangeaient de la chaux et des cendres volcaniques de la région de Pouzzoles.
C’est de là qu’est venu le terme bien connu de « pouzzolanique », qui se dit d’un matériau capable, en présence d’eau, de fixer la chaux.
En revanche, cette propriété d’hydraulicité du mélange ainsi constitué est restée totalement inexpliquée jusqu’aux travaux de Louis Vicat qui élabore en 1817 la théorie de l’hydraulicité et fait connaître le résultat de ses recherches.
Il donne des indications précises sur les proportions de calcaire et de silice nécessaires pour constituer le mélange qui, après cuisson à la température convenable et broyage, sera un véritable liant hydraulique fabriqué industriellement : le ciment artificiel.
L’industrie du ciment était née. Quelques années plus tard, en 1824, l’Écossais Aspdin donnait le nom de Portland au ciment qu’il fabriquait et qui égalait la pierre de cette région.
■ Naissance d’une industrie cimentière La première usine de ciment a été créée par Dupont et Demarle en 1846 à Boulogne-sur-Mer. Le développement n’a pu se faire que grâce à l’apparition de matériels nouveaux : four rotatif, et broyeur à boulets en particulier.
Les procédés de fabrication se perfectionnèrent sans cesse. Pour produire une tonne de clinker, constituant de base du ciment, il fallait en 1870, 40 heures, il faut actuellement environ 3 minutes.
La fabrication des ciments courants Le constituant principal des ciments est le clinker, qui est obtenu à partir de la cuisson d’un mélange approprié de calcaire et d’argile, en proportion moyenne 80 % / 20 %.
Les différentes étapes de la fabrication sont les suivantes.
■ Extraction et concassage Les matières premières sont extraites de carrières généralement à ciel ouvert.
Les blocs obtenus sont réduits, dans des concasseurs situés généralement sur les lieux mêmes de l’extraction, en éléments d’une dimension maximale de 50 mm.
■ Préparation de la matière première Les grains de calcaire et d’argile sont intimement mélangés par broyage ou délayage, dans des proportions définies, en un mélange très fin, le « cru ».
A cette occasion, des corrections de composition peuvent être effectuées en incorporant en faible proportion, bauxite, oxyde de fer... Le mélange cru est préparé automatiquement sous forme de granules (voie sèche ou semi-sèche) ou de pâte (voie semi-humide ou humide), en fonction de la technique de fabrication utilisée.
■ La voie sèche C’est de très loin la plus employée aujourd’hui.
La matière première est préparée sous forme de poudre. La préhomogénéisation permet d’atteindre un dosage parfait des deux constituants essentiels du ciment par superposition de multiples couches.
Une station d’échantillonnage analyse régulièrement les constituants et le mélange pour en garantir la régularité.
A la sortie du hall de préhomogénéisation, le mélange est très finement broyé dans des broyeurs sécheurs, qui éliminent l’humidité résiduelle et permettent d’obtenir une poudre qui présente la finesse requise ; cette poudre, le « cru », est une nouvelle fois homogénéisée par fluidisation.
■ Autres techniques de préparation de la matière D’autres techniques, moins employées aujourd’hui, consistent à agglomérer la matière sous forme de granules (voie semi-sèche) ou à la transformer en une pâte fluide (voie semi-humide ou humide).
■ Cuisson du cru Quelle que soit la technique de fabrication utilisée pour élaborer le cru, les installations de cuisson sont similaires et comportent deux parties.
• Un échangeur de chaleur comportant une série de quatre à cinq cyclones dans lesquels la poudre déversée à la partie supérieure progresse jusqu’à l’entrée du four. Elle se réchauffe au contact des gaz chauds en sortant de ce four, et se décarbonate en partie.
Une décarbonatation plus complète peut être obtenue par l’ajout d’un foyer complémentaire situé dans le cyclone inférieur (précalcination).
La poudre est ainsi portée à une température d’environ 800 °C à 1 000 °C.
• Un four horizontal rotatif cylindrique en tôle d’acier (avec revêtement réfractaire intérieur) de 60 à 90 m de long, de 4 à 5 m de diamètre, légèrement incliné et tournant de 1 à 3 tours/minute.
La matière pénètre à l’amont du four où s’achève la décarbonatation, et progresse jusqu’à la zone de clinkerisation (environ 1 450 °C).
Le temps de parcours est de l’ordre de 1 heure.
Sous l’effet de la chaleur, les constituants de l’argile, principalement composée de silicates d’alumine et d’oxydes de fer, se combinent à la chaux provenant du calcaire pour donner des silicates et des aluminates de calcium.
Tout en améliorant la qualité des produits, les industriels ont fortement réduit au cours des dernières années la consommation d’énergie nécessaire à la cuisson, qui est de plus en plus apportée par des combustibles de substitution.
En outre l’industrie cimentière contribue à la protection de l’environnement grâce au recyclage de produits industriels usagés inutilisables pour d’autres emplois
Les rejets des usines, sensiblement inférieurs aux normes, sont inférieurs à 50 mg/m3
■ Broyage du clinker A la fin de la cuisson, la matière brusquement refroidie se présente sous forme de granules qui constituent le clinker.
Celui-ci finement broyé avec du gypse (< 5 %) pour régulariser la prise donne le ciment Portland.
Les autres catégories de ciment sont obtenues en ajoutant d’autres constituants tels que laitier granulé de haut fourneau, matériaux pouzzolaniques, cendres volantes, schistes calcinés, calcaire, fumées de silice, fillers.
L’utilisation du ciment prise et durcissement Les réactions qui se passent dès le début du gâchage et se poursuivent dans le temps sont extrêmement complexes.
Le ciment Portland contient quatre constituants principaux : le silicate tricalcique 3 CaO, SiO2 ou, par abréviation, C3S ; le silicate bicalcique 2 CaO, SiO2 ou, par abréviation, C2S ; l’aluminate tricalcique 3 CaO, Al2 O3 ou, par abréviation, C3A ; l’aluminoferrite tétracalcique 4 CaO, Al2 O3, Fe2 O3 ou, par abréviation, C4 AF.
Ces constituants anhydres donnent en présence d’eau, naissance à des silicates, des aluminates de calcium hydratés et de la chaux hydratée dite Portlandite formant un gel micro-cristallin, à l’origine du phénomène dit de « prise ».
C’est le développement et la multiplication de ces micro-cristaux dans le temps qui expliquent l’augmentation des résistances mécaniques.
Le ciment durci est une véritable « roche artificielle » qui évolue dans le temps et en fonction des conditions extérieures.
Avant d’atteindre son stade final, l’évolution du ciment passe par trois phases successives.
■ Phase dormante La pâte de ciment – ciment + eau – reste en apparence inchangée pendant un certain temps (de quelques minutes à plusieurs heures suivant la nature du ciment).
En fait, dès le malaxage, les premières réactions se produisent, mais sont ralenties par la présence du gypse.
■ Début et fin de prise Après une à deux heures pour la plupart des ciments, on observe une augmentation brusque de la viscosité : c’est le début de prise, qui est accompagné d’un dégagement de chaleur.
La fin de prise correspond au moment où la pâte cesse d’être déformable et se transforme en un matériau rigide.
■ Durcissement On a l’habitude de considérer le durcissement comme la période qui suit la prise et pendant la quelle l’hydratation du ciment se poursuit.
La résistance mécanique continue à croître très longtemps, mais la résistance à 28 jours est la valeur conventionnelle.
Les grandeurs caractéristiques Le ciment se caractérise par un certain nombre de critères mesurés de façon conventionnelle, soit sur la poudre, soit sur pâte, soit sur « mortier normal » (mélange normalisé de ciment, sable et eau défini par la norme NF EN 196-1).
■ Caractéristiques de la poudre La surface spécifique (finesse Blaine) Elle permet de mesurer la finesse de mouture d’un ciment.
Elle est caractérisée par la surface spécifique ou surface développée totale de tous les grains contenus dans un gramme de ciment (norme NF EN 196-6).
Elle s’exprime en cm2/g.
Suivant le type de ciment, cette valeur est généralement comprise entre 2 800 et 5 000 cm2/g.
La masse volumique apparente Elle représente la masse de la poudre par unité de volume (vides entres les éléments inclus).
Elle est de l’ordre de 1 000 kg/m3 (1 kg par litre) en moyenne pour un ciment.
La masse volumique absolue Elle représente la masse de la poudre par unité de volume (vides entre les éléments exclus).
Elle varie de 2 900 à 3 150 kg/m3 suivant le type de ciment.
■ Caractéristiques mesurées sur pâte ou sur « mortier normal » Le début de prise Il est déterminé par l’instant où l’aiguille de Vicat – aiguille de 1 mm2 de section pesant 300 g – ne s’enfonce plus jusqu’au fond d’une pastille de pâte pure de ciment.
Les modalités de l’essai font l’objet de la norme NF EN 196-3.
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