Chap 2 Ciments Ordinaires Et Composés [PDF]

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Chapitre 2: Les ciments Ordinaires et Composés:

I.

Fabrication, Propriétés, Normes et Emplois

Historique

L’origine du terme ciment est le mot latin "Caementum", signifiant mortier ou liant pour maçonneries. En ajoutant des cendres volcaniques et des briques pilées à la chaux (obtenue par cuisson de la roche calcaire), les Romains sont les premiers qui ont découvert un liant hydraulique, de propriétés entre une chaux et un véritable ciment. Grace à ce nouveau liant, de grands ouvrages ont été construits tels que les amphithéâtres et les aqueducs.  Panthéon de Rome est un édifice religieux construit au 27 av. JC avec du béton de chaux hydratée, pierre, brique et mortier de chaux et de pouzzolanes.  John Smeaton en 1759 a produit un mortier très dur, en mélangeant de la chaux hydraulique et des cendres volcaniques.  Louis Vicat (1786-1861) qui est l’inventaire du ciment moderne, a conduit beaucoup de recherches sur l’hydraulicité de la chaux et après sur le clinker. Grace à ces recherches, le ciment industriel a était fabriqué en 1840, avec 80 % de carbonate de calcium et 20 % de la silice.  Joseph Aspdin (1778-1855) a donné le nom du ciment Portland en référence à la pierre de Portland (calcaire) de l’île de Portland au sud de l’Angleterre, vu sa couleur et sa dureté.  Dupont et Demarle en 1848 ont installé à Boulogne-sur-Mer la première usine du ciment.  A partir de la fin du 19ème siècle, le béton de ciment Portland est devenu le matériau de construction le plus répandu.  Au cours du 20ème siècle, plusieurs ciments spéciaux ont été produits.

II.

Définition (Norme NF P 15-301 de 1994)

Le ciment est obtenu par le broyage d’un produit appelé clinker, qui résulte de la cuisson à 1450 °C d’un mélange constitué principalement de 80 % de calcaire (carbonate de calcium) et de 20 % d’argile (Silicates d’alumine: silice, alumine et minerai de fer). 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 dans le temps suite au processus d’hydratation de certains composés minéraux et qui, après durcissement, conserve sa résistance et sa stabilité, même sous l’eau. Le clinker est mélangé à du gypse (sulfate de Dr BENDJILLALI Khadra

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chaux) et moulu avec lui, en teneur ne dépassant pas 5 % afin de régulariser sa prise. Le clinker (K) se présente sous forme de grains noirâtres et durs de 0.5 à 3 cm de dimensions. Il est composé alors de chaux, de silice, d'alumine et d'oxyde de fer, sous forme de quatre phases cristallines principales: a. Silicate Tricalcique C3S: (3CaO, SiO2): 50-70 %. Cette phase est responsable des résistances initiales, obtenues à jeune âge (offre des résistances élevées à court-terme). La chaleur d’hydratation dégagée par le C3S fait presque le double de celle libérée par le C2S. b. Silicate Bicalcique C2S: (2CaO, SiO2) : 5-25 % c. Aluminate Tricalcique C3A: (3CaO, Al2O3) : 0-12 % d. Alumino-Ferrite Tetracalcique C4AF: (4CaO, Al2O3, Fe2O3) : 0-15 % Les notations minéralogiques adoptées sont montrées dans le tableau 1 ci-dessous.

Tableau 1: Notations minéralogiques

Forme

Notation

Appellation

CaO

C

Chaux

SiO2

S

Silice

Al2O3

A

Alumine

Fe2O3

F

Oxyde ferrique

H2O

H

Eau

Le tableau 2 ci-dessous regroupe quelques détails concernant les minéraux du clinker (Festa et Dreux, 2007).

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III.

3CaO, SiO2

Désignation abrégée

Aluminate

3CaO, Al2O3 4CaO, Al2O3, Fe2O3

2CaO, SiO2

Formule chimique

Bélite

Nom

Ferrite

Alumino-ferrite tetracalcique

Aluminate tricalcique

Silicate bicalcique

Silicate tricalcique

Minéral

Alite

Tableau 2: Rôles des minéraux du clinker

C3 S

C2 S

C3 A

C4AF

Proportion (%)

Rôle

50-70

Hydratation rapide, grande chaleur d’hydratation, favorise l’évolution des résistances initiale.

5-25

Hydratation lente, faible chaleur d’hydratation (la moitié de celle libérée par C3S), faible résistance à court-terme, grande résistance à court et à longterme.

2-12

Possède une grande vitesse de réaction initiale, favorise le développement de la résistance mécanique initiales et à court-terme: Hydratation et prise rapide, grande chaleur d’hydratation (c’est la phase où la l’hydratation est la plus exothermique), grand risque de retrait, réaction rapide avec les sulfates.

0-15

Hydratation lente et faible contribution au développement de la résistance mécanique.

Composition du ciment

Le clinker est le composant principal des ciments, mais d’autres produit de différentes origines peuvent être ajoutées afin d’obtenir des propriétés particulières de ciments et donc d’autres types de ciments:

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a. Laitier granulé de haut fourneau «Slag» (S) C’est un résidu minéral issu de la fabrication de la fonte dans les hauts fourneaux, après refroidissement, à partir du minerai et du coke métallurgique. Le produit qui est sorti à une température de 1500 °C est figé par refroidissement brusque en donnant un matériau granulé qui sera ajouté au clinker pour être moulu avec lui. Ce sous-produit est chimiquement composé de 40 à 50 % de l’oxyde de calcium, 25 à 35 % de la silice, 12 à 30 % d’alumine, de 10 % de la magnésie et de faible quantité de manganèse et d’autres oxydes. Le laitier est un véritable ciment, possédant des propriétés hydrauliques qui sont affectées davantage en présence de clinker. Le laitier retient moins d’eau que le portland, mais il est plus sensible à la dessiccation, son hydratation est moins rapide, notamment au premier temps, donc dégage moins de chaleur, il est plus résistant à la dissolution de la chaux par les eaux pures ou les eaux contenant du gaz carbonique et à l’effet des sulfates, mais plus sensible aux variations de la température. b. Cendres volantes «Fly Ash» (V, W) La norme distingue les cendres volantes siliceuses (V) et les cendres volantes calciques (W). Il s’agit de matières pulvérulentes de grande finesse (0  315 m, dont 50 % < 40 m) qui résultent de la combustion des combustibles minéraux solides (houilles, lignites, …) dans les centrales thermiques. Elles sont des matériaux à caractère pouzzolanique, ajoutées au clinker au moment du broyage à des teneurs variables (5 – 30 %). c. Fumées de silice «Silica Fume» (D) Les fumées de silice (D) sont des particules minérales amorphes extrêmement fines (1 – 100 m) (ACI-Committee-234, 2006) qui proviennent de la réduction du quartz de grande pureté dans les fours à arc électrique employés pour la production de silicium et d’alliages de ferrosilicium à 2000 °C. Les gaz alors dégagés s’oxydent et se condensent à faible température en produisant la fumée de silice. La densité apparent de la fume de silice varie entre 130 et 430 kg/m3 (Silica Fume Association, 2005). d. Pouzzolane «Pozzolana» (Z, Q) La pouzzolane naturelle (Z) est une roche naturelle volcanique, composée de silice, d’alumine et d’oxyde ferrique. La pouzzolane naturelle calcinée (Q) présente après activation thermique des propriétés pouzzolaniques. La pouzzolane est ajoutée au clinker pour ses propriétés pouzzolaniques, c-à-d son pouvoir de fixer la chaux à la température ambiante et de former

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des composés possédant des propriétés hydrauliques, c-à-d pouvant faire prise et durcir par hydratation. e. Fillers Les fillers sont obtenus par broyage fin ou par pulvérisation de certaines roches naturelles (calcaires, basaltes, …) ou non (cendres volantes, laitiers, …). Les fillers sont actifs s’ils possèdent une certaine activité chimique en présence d’eau ou inertes s’ils n’ont aucune activité. Généralement ils agissent physiquement sur la qualité du ciment, soit par l’amélioration de la maniabilité et la compacité, en remplissant parfaitement les vides et par la réduction de la perméabilité et le risque de fissuration. Les fillers calcaires (Limestone) sont les plus utilisées en cimenterie, ils sont indexés par L ou LL et le Schiste calciné «Calcined Shale» désigné par T est aussi employé comme filler.

IV.

Principales catégories de ciment

Les ciments peuvent être classés en fonction de leur composition et de leur résistance normale. 1. Classification des ciments Portlands selon leur composition chimique Les ciments constitués de clinker et des constituants secondaires sont classés en fonction de leur composition, en cinq types principaux par les normes NF P15-301 et ENV 197-1 (Tableau 3). Ils sont notés CEM et numérotés de 1 à 5 en chiffres romains dans leur notation européenne (l’ancienne notation Française est indiquée entre parenthèse): CEM I: Ciment portland (CPA - dans la notation française), contient au moins 95 % de clinker et au plus 5 % de constituants secondaires. Ils conviennent pour le béton armé ou le béton précontraint où une résistance élevée est recherchée. CEM II: Ciment portland composé (CPJ), contient au moins 65 % de clinker et au plus 35 % d'autres constituants : laitier de haut-fourneau, fumée de silice (limitée à 10 %), pouzzolane naturelle, cendres volantes, calcaires. Ils sont bien adaptés pour les travaux massifs CEM III: Ciment de haut fourneau (CHF), les CEM III A ou B contient entre 36 et 80 % de laitier de haut-fourneau et 20 à 64 % de clinker. Les CEM III C contiennent au moins 81 % de laitier et 5 à 19 % de clinker. Ils sont adaptés aux travaux hydrauliques souterrains, aux fondations et aux travaux en milieu agressif. CEM IV: Ciment pouzzolanique (CPZ),

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CEM V: Ciment au laitier et aux cendres (CLC), contient de 20 à 64 % de clinker, de 18 à 50 % de cendres volantes et de 18 à 50 % de laitier de haut-fourneau. Ils sont adaptés aux travaux hydrauliques souterrains, aux fondations et aux travaux en milieu agressif.

Tableau 3: Différentes classes et compositions de ciments Portlands

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1. Classification des ciments Portlands selon leur résistance mécanique Trois classes sont définies en fonction de la résistance normale à 28 jours; des sous classes “R” sont associées à ces 3 classes principales pour désigner des ciments dont les résistances au jeune âge sont élevées (Tableau 4). Ces classes sont notées, classe 32,5, classe 42,5, classe 52,5. Tableau 4: Classes de ciments selon la résistance et propriétés

Classe de résistance

V.

Résistance à la compression (MPa) A court-terme Courante 2j 7j A 28 jours

32.5N

-

≥ 16

32.5R

≥ 10

-

42.5N

≥ 10

-

42.5R

≥ 20

-

52.5N

≥ 20

-

52.5R

≥ 30

-

Temps de début de prise (min) (EN 196-3)

≥ 32.5

≤ 52.5

≥ 75

≥ 42.5

≤ 62.5

≥ 60

≥ 52.5

-

≥ 45

Stabilité (Expansion) (mm)

≤ 10

Exemple de lecture des différentes notations des ciments Portlands

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L et LL: Calcaire (Limestone), L si la teneur en carbone organique (TOC) < 0.50 % en masse et LL si TOC (teneur en carbone organique) est < 0.2 % en masse CE: c’est un symbole qui désigne le Certificat de conformité et déclaration de conformité (conformément à la norme EN 197-2. CP1 ou CP2: Ils existent deux classes selon la norme EN 196-2: classe CP1 (les ions sulfures S-- < 0.7 %) ou classe CP2 (les ions sulfures S-- < 0.2 %). N: résistance à court-terme normale, ordinaire (indiquée par N: Normale) R: résistance à court-terme élevée (indiquée par R: Rapide). Les ciments de type R qui sont des ciments à réactions exothermiques très fortes, sont employés dans le cas d’une préfabrication, pour le bétonnage en temps froid ou si on désire un décoffrage rapide. Mais ils sont déconseillés en temps chaud, car ils conduisent à des fissurations.

VI.

Les autres types de ciments a. Ciments alumineux

Ils sont dits aussi ciments fondus (NF P 15-315), obtenu par cuisson jusqu’à fusion d’un mélange composé principalement de 40 % Al2O3, 40 % CaO, 5 à 8 % de SiO2 et un peu de Fe2O3, puis une mouture, donnant une finesse entre 2700 à 3000 cm2/g. Le ciment alumineux offre des résistances très élevées à jeune âge, qui peuvent atteindre, en 24 heures, des résistances équivalentes à celles d'un ciment Portland à 28 jours. L’utilisation des ciments fondus dans le béton lui offre une bonne résistance aux hautes températures (jusqu'à 1600 °C) avec l’emploi des granulats réfractaires, bien appropriés (brique, corindon), une excellente résistance aux agressions chimiques, du faite qu’ils ne diluent pas de chaux pendant leur hydratation et une très bonne tenue à l’abrasion. b. Ciments blancs Obtenus par cuisson des matières premières très pures, contenant peu d’oxydes métalliques colorants (oxyde de fer), en utilisant des fours spéciaux qui aident à éviter les souillures (tâches) des cendres de combustion. Ce type de ciment est beaucoup plus utilisé dans la préfabrication et ne convient pas pour les milieux agressifs. c. Ciments prompts Obtenus par cuisson à température modérée (1000 - 1200 °C) de calcaire argileux de composition régulière broyé très fin (NF P 15-314),. Les ciments prompts sont caractérisés par leur grande finesse dépassant 5000 cm2/g, leur prise très rapide inférieure à 4 minutes et leur faible retrait. Ils résistent aux eaux pures ou acides et les eaux de mer. Ils sont employés Dr BENDJILLALI Khadra

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pour les travaux de réparation (d’égouts) et pour le béton projeté et ils ne doivent jamais être remalaxés, pour ne pas casser sa prise. d. SuperCiments Nommés HRI (haute résistance initiale), obtenus par cuisson suivi d’un broyage très poussée de clinker. Ils sont plus homogènes et plus fins que le CPA, à durcissement rapide, mais leur fabrication est très couteuse. Ils sont employés pour des bétons exceptionnels.

VII.

Fabrication de ciments

Les matières premières utilisées pour la fabrication des ciments sont le calcaire et l’argile, le calcaire donne le calcium et l’argile donne la silice SiO2, l’alumine Al2O3, et l’oxyde ferrique Fe2O3. Les usines de ciment (cimenteries) sont installées au voisinage des carrières de calcaire. La fabrication des ciments comporte les opérations ci-dessous, schématisées sur la figure 1. a-

Extraction des matières premières: cette opération se fait en carrière par abattage

par masse des matières premières, chargement puis transport. b-

Concassage: le concassage en fragments inferieures à 10 cm,

c-

Préparation du cru (broyage et mélange): le broyage pour obtenir une pate

homogène. Nous distinguons les procédés suivants : 1- Procédé par voie sèche: on dessèche et on broie les matériaux avant de les mélanger, en suivant les étapes ci-dessous:  Pré-homogénéisation: afin de réaliser un mélange préliminaire, les matériaux doivent être déposés en couches successives, de faible épaisseur en formant le tas de Pré-homogénéisation.  Broyage et séchage: le mélange est broyé pour obtenir une poudre en grains inferieurs à 160 m.  Séparation: les particules insuffisamment broyées sont renvoyées au broyeur.  Homogénéisation: pour obtenir un produit homogène de propriétés chimiques uniformes, apte à être cuits grâce à un brassage pneumatique ou mécanique vigoureux. 2- Procédé par voie humide: on délaie ou on broie les matériaux sous l’eau, selon leurs duretés. Ce procédé donne des pates plus fines et plus homogènes, mais à prix de consommation d’énergie plus élevé que le procédé à voie sèche (consommation de la chaleur 20 % plus élevée).

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3- Procédé par voie semi-sèche: la poudre obtenue est humidifiée après broyage et séchage pour l’agglomérer sous forme de granules qui sont ensuite cuits sur une grille mobile. 4- Procédé par voie semi humide: la poudre obtenue est filtrée de la même manière que la voie humide mais, après filtration, à en faire des boudins qui sont ensuite cuits sur une grille. d-

Cuisson: se fait dans des fours rotatifs à une température entre 1400 et 1500 °C, pour

obtenir le clinker. La cuisson comporte les étapes suivantes: 

Le préchauffage réalisé dans un échangeur de chaleur (Evaporation de l’eau libre).



La décomposition des argiles vers 500 °C (Evaporation de l’eau liée chimiquement).



La décarbonatation des calcaires vers 950 °C:

CaCO3 

Calcination

CaO + CO2

La formation du clinker (Clinkérisation) vers 1450 °C, par la réaction du CaO avec les éléments d’argile, SiO2, Al2O3, et Fe2O3.

e-

Refroidissement: abaisser la température du clinker (= 1200-1450 °C) à 50-250 °C

suivant le type de refroidisseurs (un refroidissement trop lent entraine la libération de chaux libre et la transformation du C3S en C2S qui conduit à l’abaissement des résistances. f-

Broyage: pour réduire les granules de clinker en poudre et pour ajouter le gypse.

g-

Stockage et Expédition: à la sortie du broyeur, le ciment est transporté vers les silos

de stockage pour être ensaché ou expédié en vrac.

Figure 1: Etapes de fabrication des ciments Dr BENDJILLALI Khadra

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VIII.

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Caractéristiques du ciment 1. Hydratation

Les réactions d’hydratation se développent en ajoutant l’eau au ciment, il se produit alors une cristallisation du mélange qui transforme le système anhydre-instable à un système hydratéstable. Des cristaux en aiguilles se constituent en produisant la prise de la pâte puis le durcissement qui s’interprète par le gain en quelques mois, d’une résistance suffisante pour supporter les charges mécaniques. Au cours de la réaction d’hydratation, les phases suivantes sont observées: 

Une phase initiale: où les silicates tricalcique C3S se dissout superficiellement pour former un monosilicate de calcium hydraté et l’éttringite.



Une phase dormante: où la pâte reste fluide et les réactions précédentes se poursuivent moins rapidement durant 2 à 3 heures.



Une phase de prise: où la pâte gagne une certaine consistance.



Une phase de durcissement: se développe 8 heures après le début d’hydratation et se poursuit durant des années avec une vitesse de plus en plus lente et s’interprète pratiquement par une augmentation de la compacité et de la résistance mécanique.

La réaction d’hydratation est une réaction exothermique qui dégage de la chaleur. Cette chaleur est plus ou moins importante selon les paramètres ci-dessous: 

la nature minéralogique du ciment: la chaleur d’hydratation est plus importante dans les ciments riches en aluminates tricalcique C3A, qui sont des ciments très recommandés en temps froid et dans la préfabrication; la chaleur d’hydratation qui dure environ 12 heures varie entre 65 J/g pour certains ciments de haut fourneau CHF (CEM III /B) et 300 J/g pour certains ciments CPA (CEM I);



la composition chimique du ciment: le ciment Portland artificiel qui comporte principalement de clinker dégage plus de chaleur que les ciments composés, qui comportent en plus, des constituants secondaires;



la finesse de mouture du ciment: la chaleur d’hydratation est plus importante dans les ciments fins;



la température du milieu extérieur: la chaleur d’hydratation est d’autant plus grande que la température extérieure est plus élevée.

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a. Indice d’hydraulicité (Festa et Dreux, 2007) L’indice d’hydraulicité ou l’indice de Vicat est défini comme étant le rapport de la fraction acide du ciment à la faction basique:

𝐼=

𝐹𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑎𝑐𝑖𝑑𝑒 𝑆𝑖𝑂2 + 𝐴𝑙2 𝑂3 = 𝐹𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑏𝑎𝑠𝑖𝑞𝑢𝑒 𝐶𝑎𝑂 + 𝑀𝑔𝑂

La résistance chimique d’un ciment est d’autant meilleure que son indice d’hydraulicité est élevé: I  0.5, le ciment est dit basique (ciment Portland) I < 0.5, le ciment est dit neutre (ciment riche en laitier) I # 0.5, le ciment est dit acide (ciment alumineux) Les fourchettes suivantes sont préconisées actuellement: 1.40