Chimie Des Ciment 2

Chapitre I

Généralités

1 Introduction Les normes internationales définissent le ciment Portland comme étant le résultat de la mouture du clinker obtenu par cuisson jusqu à fusion partielle (clinkérisation) d’un mélange convenablement dosé et homogénéisé de calcaire et d’argile. Le ciment est constitué d’oxydes minéraux dont les principaux sont la chaux (CaO) à fonction basique et la silice (SiO²) à caractère acide. On trouve également l’alumine (Al²O³) et le fer (Fe²O³). ils sont rendus aptes à réagir entre eux et avec l’eau par traitement thermique à des températures comprises entre 1300 et 1500°c. En présence d’eau a lieu la réaction d’hydratation consistant en la formation d’un réseau résistant (propriété hydraulique) constitué principalement de microcristaux de silicates de calcium hydratés. Certains matériaux présentant des propriétés comparables, hydrauliques ou pouzzolaniques, peuvent être mélangés et broyés avec du clinker pour former des ciments composés. Dans la suite cette présentation, seront utilisées certaines formules abrégées et certaines appellations chimiques dont le tableau 1, ci-dessous, donne la liste.

Tableau 1 : Formules et abréviations usuelles Formule complète Formule

abrégée Appellation courante

Eau H²O H Eau CaO C Chaux SiO² S Silice Al²O³ A Alumine

Constituants Fe²O³ F Oxyde ferrique Chimiques Na²O, K²O N, K Alcalis

MgO M Magnésie CaSO4 Cs Sulfate de calcium (Anhydrite) CaSO4.2H²O CsH² Sulfate de calcium (Gypse) 3CaO.Al²O³ C³A Aluminate tricalcique

Constituants hydrauliques

4CaO.Al²O³.Fe²O³ C4AF Aluminoferrite tétracalcique

3CaO.SiO² C³S Silicate tricalcique 2CaO.SiO² C²S Silicate bicalcique CaO libre Chaux libre MgO Périclase 3CaO.2SiO².3H²O C³S²H³ Silicate de calcium hydraté

(Tobermorite) Constituants 4CaO.Al²O³.13H²O C4AH13 Aluminate de calcium

hydratés 3CaO.AL²O³.6H²O C³AH6 hydraté 3CaO.Al²O³.3CaSO4.31H²O C³ACs³H31 Sulfoaluminate de calcium

hydraté (ettringite) Ca(OH)² CH Chaux hydratée

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2 Les états de la matière (brut, sec, calciné) La proportion d’un élément chimique d’un constituant d’un matériau quelconque varie en fonction de l’état physique ou du traitement thermique subit par le matériau pendant le processus cimentier. Ces variations sont spécifiques à chaque matériau. Elles sont dues au départ de l’humidité, du produit brut exploité en carrière après séchage et au départ de la perte au feu du produit sec après calcination à plus de 1000°c. La quantité de matière est ainsi réduite après le départ de l’humidité et de la perte au feu. Prenons l’exemple d’une tonne de craie (tableau 2) exploitée dans une carrière de composition :

Tableau 2 : Analyse chimique d’une craie sur matières

brutes Craie

SiO² % 3,00 Al²O3 % 0,50 Fe²O³ % 0,40 CaO % 47,60 Na²0 % 0,05 K²0 % 0,10

Indosés % 0,75 PF % 37,60

Humidité % 10,00 Somme % 100,00 Tonne T 1,00

Avec l’humidité, il sera possible de calculer par une simple règle de trois, à partir des caractéristiques sur matières brutes (tableau 2), la quantité et la composition des matières sèches contenues dans cette craie (tableau 3).

Craie brute ? Craie sèche Quantité de matières sèches : 100 parties de craie brute vont donner (100 - 20) parties de craie sèche et 20 parties d’eau 1 partie de craie brute donnera 100 x moins de craie sèche soit (100 - 20 ) / 100, ou d’une manière générale :

? (100 - humidité) / 100 Composition sur matières sèches : La quantité d’un élément présente dans la craie brute sera toujours présente après le départ de l’humidité. Cette quantité, présente dans 100 parties de craie brute, sera toujours présente dans les (100 - 20) parties restantes de craie sèche. Le pourcentage ne sera donc plus calculé sur 100 parties (cas des matières brutes) mais sera calculé sur les (100 - 80 ) parties restantes dans la craie sèche.

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La composition sur matières sèches sera obtenue avec la formule :

? E sec = E brut x 100 / (100 - humidité)

Tableau 3 : Analyse chimique de la craie sur matières

sèches Craie


Indosés % 0,83 PF % 41,78


Avec la perte au feu, il sera possible de calculer par une simple règle de trois, à partir des caractéristiques sur matières sèches (tableau 3), la quantité et la composition des matières calcinées contenues dans cette craie (tableau 4).

Craie sèche ? Craie calcinée Quantité de matières calcinées 100 parties de craie sèche vont donner (100 - 41,78) parties de craie calcinée et 41,78 parties de perte au feu 1 partie de craie sèche donnera 100 x moins de craie calcinée soit (100 - 41,78) / 100, ou d’une manière générale :

? (100 - perte au feu) / 100 Composition sur matières calcinées La quantité d’un élément présente dans la craie sèche sera toujours présente après le départ de la perte au feu. Cette quantité, présente dans 100 parties de craie sèche, sera toujours présente dans les (100 - 41,78 ) parties restantes de craie calcinée. Le pourcentage ne sera donc plus calculé sur 100 parties (cas des matières sèches) mais sera calculé sur les (100 - 41,78 ) parties restantes dans la craie calcinée. La composition sur matières calcinées sera obtenue avec la formule :

? E calciné = E sec x 100 / (100 - perte au feu)

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Tableau 4 : Caractéristiques de la craie sur matières

calcinées Craie


Indosés % 1,43 PF % 0,00


Lors de la transformation de craie brute en craie calcinée, la quantité d’un élément chimique est restée constante même si la quantité relative, dans l’analyse exprimée en pour cent augmente considérablement. Par exemple, les 3 parties de SiO² contenues dans les 100 parties de craie brute sont contenues dans les 80 parties de craie sèche et dans les 52,4 parties de craie calcinée. En absolu, la quantité de silice reste constante : il y a toujours 3 parties de SiO². La quantité de matière totale va diminuer avec le départ de l’humidité et de la perte au feu. La quantité relative de SiO² par rapport à la matière restante va donc augmenter en conséquence.

? Craie brute : 3 parties dans 100 parties ? 3 % ? Craie sèche : 3 parties dans 90 parties ? 3,33 % ? Craie calcinée : 3 parties dans 52,4 parties ? 5,73 %.

Cette notion d’état de la matière intervient dans tout le processus cimentier. Il est important pour le chimiste de conserver une uniformité et de n’utiliser qu’un seul niveau d’unité. On ne peut pas mélanger tonnes brutes, tonnes sèches et tonnes calcinées. Il est en de même pour les compositions chimiques. Habituellement pour le processus de cuisson, le chimiste transforme toutes les données sur matières calcinées. 3 Les matières traditionnelles pour le cru, le clinker, le ciment 3.1 La fabrication du cru On trouve dans certains gisements, un produit naturel, qui après cuisson et sans addition particulière, donne un clinker Portland. C’est d’ailleurs l’île de Portland, pour les pierres trouvées dans sa région qui a donné son nom au ciment. Malheureusement, on ne rencontre qu’exceptionnellement dans la nature un matériau possédant une composition chimique adéquate pour la fabrication du ciment Portland. La plupart du temps, le cimentier doit mélanger deux ou plusieurs matières premières pour obtenir après cuisson un produit ayant les caractéristiques du clinker Portland naturel. La composition de quelques matières premières est donnée dans les tableaux de ce chapitre. Les composants principaux du clinker Portland (oxydes de silicium, de calcium, d’aluminium et de fer) s’extraient essentiellement de matières minérales fort communes que l’on

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rencontre partout autour de soi et qui se classent généralement suivant leur teneur en carbonate de calcium (Tableau 5).

Tableau 5 : Classification des matériaux en fonction de leur teneur en carbonate de calcium

Catégorie Composition pondérale (%) Origine Calcaire dur, craie Dépôts marins ou lacustres Argilo-calcaire (calcschiste, marne) Argile, schiste Désagrégation des roches naturelles CaCO³ 0% 100% CaCO³ SiO², Al²O³, Fe²O³, ... Il arrive cependant que des compositions soient corrigées par des apports enrichissants en oxyde de fer, d’aluminium au départ de minerais ou de résidus de métallurgie. 3.1.1 Les matériaux calcaires (tableau 6) Les matériaux calcaires doivent contenir une quantité minimale de carbonate de calcium qui est fonction du mélange cru à fabriquer. La pureté du calcaire est caractérisée par sa teneur en carbonate de calcium (CaCO³), généralement appelée « Titre en carbonate » :

? > 95 % CaCO³ ? calcaire à haute teneur ? > 85 % CaCO³ ? calcaire ? > 60 % CaCO³ ? marne.

Le terme calcaire couvre en fait une très grande variété de roches de minéralogie et de pureté différentes :

? calcaire ? craie ? calcaire corallien ? marne ? bancs de falun ? sable calcaire

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Tableau 6 : Composition chimique de matières carbonatées pour le cru sur matières sèches

Craie Calcaire riche

Calcaire corallien

Tuf volcaniq.

Calcaire pauvre

Marne calcaire

Marne argileuse

P feu 41.2 42.0 43.0 42.6 36.9 32.6 24.6 SiO² 3.9 4.9 2.5 0.2 13.8 21.3 33.2 Al²O³ 1.2 0.2 0.9 0.4 1.9 4.1 8.2 Fe²O³ 0.7 0.8 0.7 0.1 1.2 1.0 4.9 CaO 50.8 49.1 50.6 54.8 43.1 39.3 27.3 MgO 0.5 2.2 1.3 0.5 1.9 0.8 1.0 SO³ 0.2 0.3 0.8 0.5 0.4 K²O 0.1 0.05 0.1 0.5 0.02 0.1 0.1 Na²O 0.1 0.09 0.7 0.2 0.34 0.1 0.2

H²O min 20.0 1.0 1.0 15.0 15.0 H²0 max 25.0 7.0 5.0 25.0 25.0

3.1.2 Les matériaux siliceux (tableau 7) Les composants siliceux ne se trouvent généralement pas en quantité suffisante dans les sources de calcaire. Les composants SiO², Al²O³ et Fe²O³ sont apportés principalement par les matériaux siliceux qui se combinent aux matériaux calcaires pour la préparation du mélange cru. Les argiles constituent les éléments principaux de cette famille. Ce sont des roches sédimentaires formées à la suite de l’érosion (éolienne, maritime, glaciaire, ...). d’autres roches siliceuses comme le feldpath ou le mica. Suivant leur degré de solidification ou de métamorphisme, les matériaux siliceux se classent de la manière suivante :

? argile ? pierre d’argile (tonstein) ? argile schisteuse ? schiste argileux.

Lorsque la sédimentation de l’argile s’est faite dans des dépôts calcaires, suivant la teneur en carbonate de calcium, on obtient la formation de marne :

? marne argileuse ? marne calcaire

Le cimentier utilise aussi des roches d’origine volcanique pour la préparation du cru. Ces roches sont aussi riches en oxydes de fer, d’aluminium ou de silicium :

? tuf volcanique ? schiste métamorphique ? phyllite ? amphibolite métamorphique

Le quartz et ses dérivés constituent une autre source de matériaux siliceux :

? quartzite ? sable quartzeux ? sable argileux.

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Tableau 7 : Composition chimique de matières siliceuses pour le cru sur matières sèches

Marne calcaire

Marne argileuse

Schiste argileux

Argile brune

Argile siliceuse

Sable Kaolinite

P feu 32.6 24.6 6.3 12.3 7.1 0.2 12.0 SiO² 21.3 33.2 59.6 51.1 70.5 99.1 46.9 Al²O³ 4.1 8.2 20.2 13.4 9.1 37.4 Fe²O³ 1.0 4.9 8.3 8.4 4.4 0.5 0.6 CaO 39.3 27.3 1.0 5.6 3.6 0.3 MgO 0.8 1.0 1.0 2.2 1.2 0.3 SO³ 0.4 0.5 0.1 K²O 0.1 0.1 0.2 2.3 1.6 0.1 0.8 Na²O 0.1 0.2 0.1 1.34 0.8 0.1 0.4

H²O min 15.0 15.0 5.0 5.0 10.0 5.0 1.0 H²O max 25.0 25.0 10.0 20.0 18.9 15.0 15.0 3.1.3 Les matériaux de correction (tableau 8) Malgré la grande diversité de matériaux siliceux et calcaires, le cimentier introduit souvent un troisième composant dans le mélange cru pour combler un déficit des deux matériaux principaux en Al²O³ et Fe²O³ ou pour fabriquer un ciment de composition particulière et obtenir ainsi une caractéristique spéciale (ciment blanc, à prise rapide sans C³A, ...). Tableau 8 : Composition chimique de matières de correction pour le cru sur matières

sèches Résidus

de pyrite Pouss haut

fourneau

Minerais de fer

Bauxite Kaolinite Charbon cendreux

Charbon riche

P feu 2.0 13.4 0.9 10.5 12.0 38.7 90.0 SiO² 7.2 18.8 0.5 19.0 46.9 33.4 3.1 Al²O³ 3.1 9.6 0.1 51.0 37.4 15.7 1.1 Fe²O³ 82.1 49.9 97.3 13.0 0.6 4.6 1.1 CaO 1.6 2.5 0.4 3.0 0.3 1.3 1.1 MgO 0.2 1.2 0.4 0.6 0.3 1.3 0.6 SO³ 3.0 0.2 0.1 0.4 0.9 K²O 0.3 0.7 0.19 0.2 0.8 3.3 0.7 Na²O 0.2 0.3 0.17 0.1 0.4 0.3 0.3

H²O min 7.5 5.1 0.0 5.0 1.0 5.1 0.0 H²O max 22.4 43.8 5.0 10.0 15.0 24.6 1.0 On trouve l’oxyde de fer dans :

? les minerais de fer ? les résidus de grillage de pyrite utilisée pour la fabrication de l’acide sulfurique ? les poussières récupérées dans le haut fourneau ou le convertisseur de l’industrie

métallurgique. On trouve l’oxyde d’aluminium dans :

? la bauxite ? les résidus de bauxite de la métallurgie de l’aluminium

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? certaines argiles comme la kaolinite ou la latérite. 3.1.4 Les minéralisateurs (tableau 9) Certains matériaux sont utilisés en faible quantité dans le mélange cru pour obtenir des effets particuliers pendant la cuisson. La fluorine ou spath fluor et les matières sulfatées sont les matériaux généralement utilisés comme fondant. Certains résidus de la métallurgie (laitier de plomb, ou de cuivre), principalement à cause des éléments contenus en faible quantité, peuvent avoir la même action que les matériaux fluorés. Ces matériaux vont activer le processus de formation du clinker :

? en accélérant la décomposition du carbonate de calcium ? en accélérant les réactions à l’état solide ? en augmentant la quantité de phase solide ? en diminuant la température de formation du clinker ? ...

Tableau 9 : Composition chimique de matières de correction pour le cru sur

matières sèches Spath

fluor Gypse Anhydrite Laitier de

plomb Laitier de

cuivre Scories aciérie

P feu 7.1 19.9 4.0 SiO² 8.0 0.1 1.0 18.0 34.0 15.0 Al²O³ 0.1 0.2 0.4 6.0 6.0 1.0 Fe²O³ 0.1 0.1 38.0 41.0 31.0 CaO 6.1 32.7 38.5 20.0 9.0 47.0 MgO 0.0 2.2 1.0 4.0 1.0 SO³ 0.1 45.0 53.0 K²O 0.1 0.1 Na²O 0.0 0.0

H²O min 1.0 5.0 0.0 H²O max 5.0 20.0 5.0

Ces effets se présentent différemment suivant la nature du cru et la concentration du minéralisateur. D’une manière générale ces additifs sont introduits dans le cru pour augmenter le débit et/ou réduire la consommation calorifique du four et/ou améliorer la qualité du clinker. 3.2 La fabrication du clinker Le clinker Portland est défini dans la plupart des normes comme un produit obtenu par cuisson, au moins jusqu’à fusion partielle, d’un mélange fixé avec précision de matières premières (farine ou pâte), contenant essentiellement les 4 oxydes principaux (SiO², Al²O³, Fe²O³, CaO). La cuisson est assurée par des combustibles (cendreux, liquides, gazeux) qui fournissent les calories nécessaires à la cuisson. D’autres matières complémentaires sont parfois introduites dans le four pour participer au mécanisme réactionnel. 3.2.1 Les combustibles (tableau 10) Les combustibles constituent une famille particulière des matières premières utilisables sous certaines conditions dans le mélange cru ou injectés à la tuyère du four. Suivant leur origine, les combustibles apportent :

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? des calories nécessaires pour le chauffage et la clinkérisation de la matière ? des composés chimiques, à base de silicium, aluminium et fer, qui participent aux

différentes réactions chimiques de formation du clinker ? des éléments, en faible concentration, généralement indésirables dans le clinker

(vanadium apporté par le coke de pétrole ou les composés alcalins et sulfatés présents dans la plupart des combustibles).

Les combustibles se décomposent en combustibles gazeux, liquides ou solides. Les combustibles solides sont particulièrement important pour le calcul du mélange cru ou de la composition du clinker. Ils apportent en plus des calories qui participent à la cuisson et à la formation du clinker et des cendres riches en SiO², Al²O³ et Fe²O³ qui réagissent dans le four avec les autres constituants. On parlera de combustibles cendreux ou de teneur élevée en cendres lorsque la quantité de matière solide est importante dans ce matériau (> 20 %).

Tableau 10 : Composition chimique de combustibles pour le clinker sur matières sèches

Coke de pétrole

Charbon riche

Charbon cendreux

Lignite Cendres volantes

P feu 95.0 90.0 38.7 90.0 5.0 SiO² 3.1 33.4 56.0 Al²O³ 1.1 15.7 25.0 Fe²O³ 1.1 4.6 3.0 CaO 1.1 1.3 3.0 MgO 0.6 1.3 1.0 SO³ 9.0 0.9 0.4 10.0 1.0 K²O 0.7 3.3 2.0 Na²O 0.3 0.3 1.0

H²O min 0.0 0.0 5.1 0.0 0.0 H²O max 10.0 1.0 24.6 10.0 30.0

3.2.2 Les matériaux complémentaires Les matériaux complémentaires ne sont pas généralisés dans beaucoup de cimenteries. On les définit comme étant les matières cendreuses introduites par la tuyère de combustibles, qui participeront aux réactions de formation des composants minéralogiques du clinker. Les deux exemples les plus connus sont les poussières de four récupérées dans les électrofiltres et les cendres volantes de charbon.

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3.3 La fabrication du ciment Le ciment est le résultat du broyage d’un certain nombre de constituants qui peuvent se répartir en différentes familles :

? le clinker Portland ? le régulateur de prise ? les additions

? les additions hydrauliques ? les additions pouzzolaniques ? les fillers inertes

Le clinker est produit par voie sèche ou par voie humide dans des fours rotatifs ou des fours droits. Suivant sa composition chimique il aura des propriétés différentes. Le clinker réagit avec l’eau pour développer son potentiel hydraulique. Ces réactions doivent être tempérées par le régulateur de prise, généralement un sulfate de calcium (gypse ou anhydrite). Des additions sont parfois utilisées pour des raisons économiques, pour leur potentiel hydraulique latent, ou pour leur potentiel pouzzolaniques (pouzzolanes naturelles ou artificielles).

Tableau 11 : Les constituants et les additions du ciment Ciment composé

Ciment Portland Les additions Clinker Régulateur

de prise Hydraulique Pouzzolane Inerte Additifs

? Clinker Portland

? Gypse ? Anhydrite

? Laitier de haut fourneau

? Cendres volantes de lignite

? Cendres volantes

? Argile calcinée

? Silice opaline

? Fumée de silice

? Filler calcaire ou siliceux

? Agent de broyage

? Adjuvant

Contrairement à la farine ou à la pâte et au clinker où il n’existe pas de normes internationales de composition chimique, la composition des ciments est régie par des normes nationales et internationales qui fixent, pour tous les constituants du ciment, certains paramètres chimiques ou minéralogiques comme la perte au feu, le résidus insoluble, la teneur en C³A, les matières organiques, .... Les normes acceptent l’introduction de la plupart de ces matériaux dans les ciments courants. Ce point sera plus particulièrement abordé dans le Chapitre II 4.

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4 Le diagramme de Rankin Le clinker est un mélange artificiel et ses oxydes peuvent être dosés en quantité optimale de manière à saturer en chaux (CaO) les oxydes acides (SiO², Al²O3, Fe²O3). Il en résulte une composition aux tolérances assez strictes, titrant environ :

? 65 % en CaO ? 20 % en SiO² ? 10 % en Fe²O³ et Al²O³

Tous les matériaux utilisés dans la fabrication du ciment pour leur potentiel hydrauliques ou pouzzolaniques peuvent aussi être représentés dans ce diagramme triangulaire (figure 12).

Tableau 12 : Le diagramme de Rankin

SiO²Fumée de si l ice

Pouzzolanes naturelles

Cendres volantes

LaitierCendres de lignite

Clinker Ciments alumineux

Filler calcaire

CaO Al²O³ + Fe²O³

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Chapitre I I

La composition et la normalisation des ciments

1 Introduction 1.1 Origine et naissance spontanée de la normalisation Dès les premiers contacts avec ses semblables, l’homme primitif a fait des gestes, émis des cris, articulé des sons qui, à force d’être répétés dans le même contexte, ont acquis des significations compréhensibles pour ses interlocuteurs. Ceux-ci, par imitation, les ont répétés et utilisés à leur tour. De là est né le langage sous toutes ses formes, comme moyen collectif (normalisé) d’expression de la pensée. C’était un début de normalisation. Ensuite lorsque l’homme primitif a voulu déterminer une quantité d’objets similaires, il aura probablement commencé à les compter sur les doigts et à formuler les nombres. Puis, pour exprimer une dimension linéaire, il a probablement compté combien de fois la largeur de son pouce ou de sa main, la longueur de son pied, de sa coudée ou de son pas " allaient " dans la longueur à exprimer. Comme ces unités de mesure variaient d’un individu à l’autre, on peut imaginer que plus tard, pour éviter les contestations, les hommes ont matérialisé les unités adoptées. Ce furent les premiers étalons de mesure. C’était un pas de plus dans la voie de la normalisation. Le premier trafic entre hommes primitifs a dû se faire sous la forme de troc. Mais ce dernier devint une entrave lorsque les échanges se multiplièrent tout en se diversifiant et ce jusqu'à l'adoption de la monnaie. Par sa fonction de valeur d'échange intermédiaire universelle, la monnaie a grandement facilité les échanges répétitifs des choses les plus diverses. Au début, la monnaie avait une valeur intrinsèque par le métal précieux dont elle était faite. Mais cette valeur intrinsèque a évolué jusqu'à devenir quasi nulle dans le papier monnaie. L'on peut dire à présent que la monnaie est un symbole conventionnel (normalisé) de valeur. Tout au long des âges, on trouve des applications progressives de la normalisation. Les films, les enregistrements sonores sous forme de disque, bande magnétique sur bobine ou en cassette, ont des caractéristiques normalisées permettant de les utiliser sur des appareils d'origine différente. On pourrait encore citer une quantité d'autres exemples qui ne sont pas, en général, reconnus comme le résultat d'actions de normalisation. 1.2 Reconnaissance de la normalisation et création des organismes de normalisation Actuellement, tout progresse, tout se multiplie, tout foisonne, et nous nous trouvons devant tant de produits, que nous ne savons plus faire un choix. Il nous faut absolument établir des règles réduisant ce foisonnement et permettant un choix judicieux. Cette nécessité de simplification était déjà apparue au début du xxe siècle et c'est alors que la normalisation a été vraiment reconnue et que l'on a commencé à l'exploiter systématiquement. Au début, c'est par pays ou par secteur industriel (notamment aux U.S.A.) que le besoin de normaliser s'imposa. Certaines entreprises ont même commencé à faire de la normalisation pour simplifier leurs études et leur stock, avant même que l’on ne normalise les mêmes choses à une échelle plus vaste. C’est à la même époque que l'on commença à créer des organismes de normalisation. En 1926 fut créée la Fédération Internationale des Associations Nationales de Normalisation (ISA) qui deviendra plus tard après la seconde guerre mondiale l'Organisation Internationale de Normalisation (ISO). Elle a pour membres les institutions de normalisation de nombreux

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pays (actuellement plus de 90). Après 20 ans d'existence, l'ISO a créé plus de 1600 comités techniques de travail occupés à élaborer les normes internationales. . 1.3 Normalisation et normes Il est difficile de donner une définition satisfaisant de la normalisation. Sans doute cela vient-il de l'étendue du domaine qu'elle touche et de la diversité des normes qui en résultent. Pour un non-initié, une norme est l'ensemble des règles traitant d'un objet précis tel que :

? méthode d'analyse d'un produit chimique déterminé ? qualité à laquelle doit répondre tel matériau de construction ? dimensions de tel type de vis ? méthode de calcul de tel genre de réservoir soumis à pression ? dimensions des papiers à lettre commerciaux ? emplacement précis des textes à y imprimer ? méthodes d'essais auxquelles il faut soumettre les casques de motocyclistes ? exigences fondamentales assurant la sécurité des installations et appareils

électriques ? ....

La normalisation englobe l'élaboration des normes et leur application dans les domaines les plus divers. Une norme est un ensemble de règles, ou de principes servant de règles, pour la résolution rationnelle de problèmes répétitifs. Dans la rédaction d'une norme, on commence par définir l’objet précis de la norme et les limites de son emploi : domaine d'application. Puis viennent les définitions, la terminologie. Il est en effet extrêmement utile de fixer clairement ce que veulent dire les termes techniques utilisés dans le texte. Ceci évite toute confusion et sera utile ultérieurement pour l'extension de la norme sur le plan multinational ou international, car les traductions peuvent introduire des incertitudes ou des ambiguïtés qu'il faut à tout prix éviter. Enfin suivent des prescriptions diverses, variables avec le sujet traité. 1.4 Normes internationales de l'ISO Au sein de l'Organisation Internationale de Normalisation (ISO), les demandes de création de normes sont en général présentées par les comités membres (institutions nationales de normalisation) et parfois par des organisations extérieures. Si les projets sont adoptés par la majorité des membres du comité technique et approuvés par 75 % des comités membres de l'ISO ayant exprimé un vote, les textes, éventuellement révisés par le secrétariat du comité technique pour tenir compte des modifications proposées pendant l’enquête, sont envoyés au Secrétariat Central de l’ISO pour être soumis au Conseil de l’ISO, lequel décide si le projet peut être accepté ou non comme Norme internationale ISO. Si, pour une raison quelconque, un projet ne peut être accepté comme Norme internationale ISO, il peut être converti en projet de rapport technique a condition que la majorité des membres l’approuve. Avec l’accord du Conseil de l’ISO, ce projet devient un rapport technique. Les normes internationales ISO n’ont pas de caractère obligatoire. Elles sont essentiellement destinées aux organismes nationaux de normalisation pour servir de base à l’élaboration de leurs normes. 1.5 Marque de conformité aux normes nationales et internationales

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La qualité des produits portant une marque de conformité aux normes est constamment contrôlée par le fabricant, car il sait que l’organisme chargé de la surveillance de cette marque peut à tout moment faire des prélèvements dans sa fabrication ou sur le marché, pour contrôler si les produits restent conformes aux normes. Ceci garantit une constance de qualité, motive la confiance des acquéreurs et est favorable à la réputation du fabricant. Le consommateur des produits portant la marque de conformité aux normes peut être certain qu’ils répondent aux exigences d’une norme mise au point par les producteurs et les utilisateurs et que ces produits ont donc bien les caractéristiques nécessaires à leur utilisation. Cette assurance dispense d’effectuer des essais de contrôle parfois onéreux surtout si la commande ne porte que sur un petit nombre d’unités. Les grandes administrations d’état, utilisateurs importants, mettent de plus en plus en pratique le principe du renvoi aux normes homologuées dans leurs cahiers des charges, par simple référence à l'indicatif de ces normes. Contrairement à une marque de fabrique qui ne définit pas et qui ne garantit pas nécessairement la qualité, la marque de conformité est une garantie pour l'utilisateur d'une qualité dans la conception et dans la fabrication des produits porteurs de la marque. Elle constitue pour lui une raison déterminante d'arrêter son choix sur ces produits. L'apposition de la marque atteste le niveau exact de la qualité des produits. Elle assainit le marché en contribuant à la probité des transactions commerciales. 1.6 L’information du consommateur L'apparition du consumérisme a fait ressortir l'utilité des travaux de normalisation comme contribution indispensable à l'information objective du consommateur, notamment sur :

? les méthodes de mesure et d'analyse ? les méthodes d'échantillonnage et de statistique ? l'étiquetage informatif normalisé.

L’activité de la normalisation dans les questions de consommation a pris une grande extension depuis plusieurs années. On peut donc dire que la normalisation œuvre dans le but de fournir à l’information des consommateurs des données objectives indiscutables. Elle collabore donc à la satisfaction des consommateurs, à la protection de leurs intérêts. 1.7 La normalisation d’entreprise La normalisation d’entreprise est l’expression normalisée qui désigne toutes les activités de normalisation au sein des entreprises industrielles et commerciales. En plus de leur collaboration à l’élaboration des normes, par délégation de leurs spécialistes dans les commissions des organismes de normalisation, certaines entreprises ont des activités de normalisation interne, activités confiées en général à un normalisateur d’entreprise. 1.8 La normalisation des produits Toute entreprise a, en général, pour objectif de répondre aux besoins du marché dans un certain genre d’articles, de matières ou de services. Une entreprise qui veut répondre à toute demande du marché est amenée à une production disparate, multipliant études, outillages et autres moyens de production. Ceci nécessite un approvisionnement très diversifié, des stocks importants, beaucoup de surface et de personnel compétent. Le souci du

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normalisateur d’entreprise est alors d’amener tous les responsables de l’entreprise à concevoir la production d’une gamme réduite et rationnelle de produits. Cette gamme doit pouvoir couvrir au moins 90 % des besoins du marché avec un strict minimum de types différents et éventuellement une petite adaptation pour les autres cas très particuliers. Ceci permet de réduire en outre considérablement les investissements. La gestion de l’entreprise s’en trouve simplifiée et moins coûteuse. La normalisation apporte des économies considérables par un choix rationnel d'une gamme réduite d’éléments répétitifs. 1.9 Les avantages de la normalisation L'aspect fondamental de la normalisation, qui la rend avantageuse et en a assuré le succès, est qu'elle « facilite » les relations entre les hommes, c’est-à-dire leur communication et leurs échanges. Elle les facilite, en évitant les malentendus, les contestations et les litiges. Elle évite bien des difficultés et économise donc les efforts humains. De ce fait, elle est un facteur d'efficience. C'est l'avantage fondamental de la normalisation. , Un autre aspect fondamental et limitatif de la normalisation est qu'elle s'applique uniquement aux choses répétitives. Une chose ne peut être normale que par comparaison avec d'autres choses similaires préalables. Mais une chose peut se répéter dans le temps ou dans l'espace, c'est-à-dire successivement au même endroit ou bien en des endroits différents. Un homme peut très bien ne rencontrer qu'une seule fois un problème qui se répète chez d'autres. Il est fort possible qu'il n'entrevoie pas alors, ou qu'il ne veuille pas considérer les avantages d'adopter une solution qui aurait été, ou pourrait être normalisée pour l'ensemble de ceux qui sont confrontés avec le même problème. Il est même possible qu'une solution, normalisée pour cet ensemble, cette collectivité, ne lui apporte pas, dans son cas personnel unique, le maximum de satisfaction. Cette dernière considération est très importante, car elle peut expliquer beaucoup de cas de manque d'intérêt pour la normalisation, si pas d'opposition. Il faut d'ailleurs reconnaître qu'une solution normalisée, qui est souvent un compromis, très valable d'ailleurs, n'est pas d'office l'optimum économique pour chaque cas particulier d'application considéré isolément, c'est-à-dire en excluant son contexte collectif, son caractère répétitif. La normalisation a aussi l’aspect d’une discipline que certains ne peuvent pas supporter et que beaucoup ont tendance à rejeter. Lors de la conception de nouveaux articles à fabriquer en grande série, le créateur a souvent tendance à repousser toute normalisation sous prétexte qu’elle constitue une entrave à la créativité et ne lui permet pas de réaliser une vraie nouveauté. C’est une attitude qu’il faut combattre de la façon suivante : la normalisation ne peut s’appliquer qu'à des choses répétitives. A chaque nouvel article, il y a des options à prendre : choix des principes d’utilisation et de fonctionnement, choix de la forme, choix des matières et pièces constitutives, choix des procédés de réalisation et de production, etc... S'il est possible de normaliser certaines de ces options, le créateur n’a plus à étudier cette question lorsqu'elle se représente pour un autre article. Il gagne ainsi du temps qu'il peut consacrer à la vraie créativité, c'est-à-dire à rechercher pour d’autres options des solutions toutes nouvelles qui, lorsqu’elles se répéteront à leur tour, pourront peut-être aussi être normalisées, libérant ainsi petit à petit le créateur. Cette discipline s'oppose à un foisonnement désordonné de solutions, bien souvent pas assez mûries. On pourrait faire remarquer que la normalisation peut mener à la routine. C’est exact et il faut le reconnaître. Mais les solutions de routine sont des solutions de facilité. Nous y retrouvons le premier aspect de la normalisation qui est de faciliter les activités humaines. De plus, tant qu’un problème se répétera dans le même contexte, une solution normalisée routinière lui conviendra. Mais il est évident que l’évolution scientifique, technique et économique peut modifier les conditions dans lesquelles un problème se représente et alors, il faut

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naturellement en tenir compte, si l'on ne veut pas freiner le progrès et en perdre les avantages. La normalisation ne peut pas figer les objets auxquels elle s’applique, elle doit être progressiste. Et ceci est d’autant plus vrai qu’elle poursuit un but d’économie, non seulement des efforts humains, mais aussi des moyens matériels à mettre en œuvre. Un aspect regrettable de la normalisation est qu’elle peut être utilisée comme mesure de protection d'un marché. Plusieurs pays, et non des moindres, imposent, sous prétexte de protéger leurs habitants, que le matériel technique importé réponde à des normes de sécurité dont la sévérité est parfois poussée à un degré discutable, alors que la production nationale n'est pas toujours soumise à un contrôle aussi sévère. Ceci favorise l'industrie nationale d'une façon déguisée. On assiste d'ailleurs à l'heure actuelle à une action dans la Commission des Communautés Européennes (CCE), en vue d'éliminer ces entraves aux échanges dits « techniques » par l'harmonisation des normes nationales.

2 Les normes ASTM Le ciment va développer ses propriétés lors de la réaction de ses composés minéralogiques avec l’eau dans des mortiers et des bétons : réactions d’hydratation. En réagissant avec l’eau, il va produire un réseau d’hydrates qui vont constituer les propriétés du béton au niveau des résistances mécaniques ou de la durabilité. Pour juger ces performances les différents pays ont établi des normes de spécifications ou d’essais. Dans le domaine du ciment, il y a un grand nombre de normes nationales et internationales dont les résultats d’essais ne sont pas comparables entre-eux. En particulier, la mesure de la résistance mécanique se fait avec des dosages, des rapports eau / ciment, des méthodes de mélange et de moulage différents. Les normes ASTM sont les plus utilisées pour le commerce mondial du clinker et du ciment. Elles font une distinction entre les ciments Portland et les ciments composés. 2.1 Les ciments Portlands Les ciments Portland reposent principalement sur la norme « ASTM C150 Specification for Portland Cement » (tableau 1). Associée à différentes méthodes et spécifications de mesures (tableau 2), elle fixe pour les 5 types de ciments Portland les caractéristiques chimiques (tableaux 3 et 4) et physiques (tableau 5) à respecter.

Tableau 1 : ASTM C150 Spécifications pour le ciment Portland Type Utilisation Type I Usage général Type II Chaleur d’hydratation et résistance au sulfate modérées Type III Résistance initiale élevée Type IV Faible chaleur d’hydratation Type V Résistance au sulfate élevée

A Avec entraîneur d’air LA Avec faible teneur en alcalis

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Tableau 2 : Méthodes d’essais et spécifications

Standard ASTM Méthode ou spécification C109 Résistance à la compression C114 Analyse chimique C151 Expansion à l’autoclave C191 Temps de prise Vicat C204 Finesse par la perméabilité à l’air C266 Temps de prise Gilmore C359 Durcissement précoce, fausse prise et prise rapide sur

mortier C451 Durcissement précoce, fausse prise et prise rapide sur

pâte C465 Additions C563 Réglage de l’optimum sulfate C917 Evaluation de la régularité des résistances mécaniques

Tableau 3 : Spécifications chimiques pour les ciments Portland Eléments Type I Type II Type III Type IV Type V

SiO² % (minimum) 20.0 Al²O³ % (maximum) 6.0 Fe²O³ % (maximum) 6.0 6.5 MgO % (maximum) 6.0 6.0 6.0 6.0 6.0

SO³ % (maximum) C³A < 8 % 3.0 3.0 3.5 2.3 2.3 SO³ % (maximum) C³A > 8 % 3.5 4.5

Perte au feu % (maximum) 3.0 3.0 3.0 2.5 3.0 Résidu insoluble % (maximum) 0.75 0.75 0.75 0.75 0.75

C³A % (maximum) 8.0 15.0 7.0 5.0 C4AF + 2 C³A % 25.0

C³S + C3A % (maximum pour chaleur d’hydratation modérée)

58.0

Na²O + 0.658 K²O % (maximum pour ciment low alcalis)

0.60 0.60 0.60 0.60 0.60

Tableau 4 : Composition des ciments ASTM

Type C³S (%) C²S (%) C³A (%) C4AF (%) I 55.0 19.0 10.0 7.0 II 51.0 24.0 6.0 11.0 III 56.0 19.0 10.0 7.0 IV 28.0 49.0 4.0 12.0 V 48.0 30.0 4.0 10.0

Tableau 5 : Spécifications physiques pour les ciments Portland

Caractéristique Type I Type II Type III Type IV Type V Teneur en air % (maximum) 12.0 12.0 12.0 12.0 12.0

Avec air entraîné % (minimum) 16.0 16.0 16.0 Avec air entraîné % (maximum) 22.0 22.0 22.0

Finesse cm²/g (minimum) 2800 2800 2800 2800 2800 Expansion autoclave mm

(maximum) 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8

RC 1 jour MPa (minimum) 12.4 RC 3 jours MPa (minimum) 12.4 10.3 24.1 8.3 RC 7 jours MPa (minimum) 19.3 17.2 6.9 15.2 RC 28 jours MPa (minimum) 17.2 20.7

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Gilmore Dbt/fin minute (minimum)

60 / 600 60 / 600 60 / 600 60 / 600 60 / 600

Vicat Dbt/fin minute (minimum) 45 / 375 45 / 375 45 / 375 45 / 375 45 / 375 La norme ASTM ne tolère que des additions de sulfate de calcium et des agents entraîneur d’air dans les ciments. D’autres additifs peuvent être utilisés à conditions de rencontrer les spécifications de la norme C465 qui fixe les écarts de propriétés des ciments admissibles en cas d’addition :

? le besoin en eau pour la consistance normale ne doit pas être augmenté de plus de 1 %

? Le temps de début de prise mesuré selon la méthode Vicat, ne peut pas varier (diminuer ou augmenter) de plus de 1 heure ou de 50 %

? l’expansion autoclave ne peut pas augmenter de plus de 0.1 % ? la résistance à la compression ne peut pas diminuer de plus de 5 %.

2.2 Les ciments hydrauliques composés La norme américaine autorise l’utilisation de pouzzolane et de laitier dans les ciments composés (tableau 6) à condition de satisfaire aux spécifications de l’activité pouzzolanique. Notamment, la résistance à la compression du ciment composé doit atteindre au moins 75 % du ciment Portland de référence. La norme ASTM définit aussi les spécifications chimiques (tableau 7) et physiques (tableau 8) pour les ciments composés.

Tableau 6 : ASTM C595 Spécifications pour les ciments composés Type Composition

Type IS Ciment de haut fourneau avec 25 à 70 % de laitier Type IP Ciment à la pouzzolane avec 15 à 40 % de pouzzolane Type P Ciment à la pouzzolane avec 15 à 40 % de pouzzolane

mais avec un développement de résistance plus faible que le type IP

Type S Ciment au laitier avent minimum de 70 % de laitier utilisé avec de la chaux hydratée pour le mortier à

maçonner Type I (PM) Ciment Portland à la pouzzolane contenant moins de

15 % de pouzzolane Type I (SM) Ciment Portland au laitier contenant moins de 25 %

de laitier Tous ces types de ciment peuvent être conditionnés pour répondre aux critères :

? résistance modérée au sulfate (MS) ? air entraîné (A) ? chaleur d’hydratation modérée (MH)

Tableau 7 : Spécifications chimiques pour les ciments composés

Spécifications I (SM), I (S) S I (PM), P, IP MgO % (maximum) 5.0

S comme SO³ % (maximum)

3.0 4.0 4.0

S comme sulfure % (maximum)

2.0 2.0

Résidu Insoluble % (maximum)

1.0 1.0

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Perte au feu % (maximum)

3.0 4.0 5.0

Alcalis solubles % (maximum)

0.03

Tableau 8 : Spécifications physiques pour les ciments composés

Caractéristiques I (SM), IS, I (PM), IP

IS (MS), IP (MS)

S P

Expansion autoclave % (maximum)

0.50 0.50 0.50 0.50

Retrait % (maximum) 0.20 0.20 0.20 0.20 Début de prise Vicat min

(minimum) 45 45 45 45

fin de prise Vicat heure (maximum)

7 7 7 7

RC 3 jours MPa (minimum) 12.4 10.3 RC 7 jours MPa (minimum) 19.3 17.2 4.1 10.3 RC 28 jours MPa (minimum) 24.1 24.1 10.3 20.7 La norme ASTM C150 autorise le refus du ciment lorsqu’une spécification n’est pas respectée. Au contraire, la nouvelle norme européenne institue un autocontrôle de la part du producteur et autorise de légers dépassements des spécifications normalisées

3 Les nouvelles normes européennes La prénorme européenne ENV 197-1 « Ciment, spécifications et critères de conformité - Partie 1 : Ciments courants » a été adoptée le 15 avril 1993 par vote majoritaire des instituts nationaux de normalisation membres du CEN (Comité Européen de Normalisation). Cette première partie de prénorme sera complétée par d’autres parties relatives aux ciments spéciaux tels notamment les ciments à haute résistance aux sulfates et les ciments à faible chaleur d’hydratation. Dans le cadre de l’Europe, les normes relatives aux produits de construction des différents pays européens doivent s’harmoniser et s’uniformiser sous la forme d’une norme européenne définitive remplaçant obligatoirement les normes nationales existantes. Etant donné les nouveautés introduites dans la prénorme, les commissions compétentes des instituts de normalisation nationaux européens ont décidé de remplacer leurs normes nationales par la prénorme européenne dans l’attente d’une harmonisation complète des normes nationales au sein de la CEE sur base de la norme EN 197 définitive. Chaque pays européen a adapté la prénorme européenne aux conditions locales :

? matériaux disponibles ? habitudes locales de la construction ? …

Le tableau des compositions des ciments courants et l’inventaire des constituants possibles de ces derniers ont été réduits pour ne conserver que les ciments à base de constituants bien connus et éprouvés dans les pays. Par exemple, la non-disponibilité de pouzzolanes

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naturelles a conduit quelques pays à ne pas reprendre le ciment pouzzolanique de type IV dans leur éventail national. Le chapitre 9 « Critères de conformité » de la prénorme ENV 197 - 1 a souvent été totalement supprimé et remplacé par un règlement particulier d’usage et de contrôle de la marque basé sur les critères de ce chapitre de la prénorme européenne. 3.1 Types de ciments, composition et désignations normalisées Le ciment courant est fabriqué par mélange et cobroyage de clinker et d’autres constituants minéraux, avec une certaine quantité de sulfate de calcium, nécessaire pour réguler la prise. Les constituants minéraux susceptibles d’entrer dans la composition des ciments sont donnés dans le tableau 9.

Tableau 9 : Les constituants des ciments courants et leur notation conventionnelle Constituant Notation Constituant Notation

Clinker K Pouzzolanes industrielles Q Laitier granulé haut fourneau S Cendres volantes calciques W

Fumée de silice D Schistes calcinés T Pouzzolanes naturelles Z Calcaire L

Cendres volantes siliceuses V Filler (constituant secondaire) F Outre ces constituants, les ciments peuvent contenir des constituants secondaires et des additifs. Les constituants secondaires peuvent être soit l’un des constituants du tableau 9, soit une autre matière minérale, appelée filler, choisi et préparé pour améliorer les propriétés physiques du ciment. Leur teneur est inférieure à 5 % du total (sulfate de calcium et additifs exclus). Les additifs sont ajoutés pour faciliter la fabrication du ciment ou pour améliorer ses propriétés. Leur teneur est inférieure à 0.5 % en masse dans tous les ciments, à l’exception des ciments de type III pour lesquels il peut être ajouté jusqu’à 1 % de sels chlorés. La prénorme ENV 197 - 1 définit 5 types de ciment dont la composition doit être conforme au tableau 10 :

? Ciment Portland ? Ciment portland composé ? Ciment de haut fourneau ? Ciment pouzzolanique ? Ciment composé

Le tableau 10 reprend également les dénominations normalisées des ciments de même que les notations abrégées correspondantes. Les dénominations européennes sont constituées comme suit :

? CEM pour indiquer que le produit est un ciment ? un chiffre romain I, II, III, IV ou V pour indiquer le type de ciment ? pour les ciments II, III, IV et V une lettre A, B ou C pour indiquer la proportion des

constituants ? le nombre indiquant la classe de résistance 32.5, 42.5, 52.5, suivi, le cas échéant

de la lettre R pour signaler une résistance élevée au jeune âge (2 jours).

Tableau 10 : Les 5 types de ciments courants et leur composition Notation Clinker Autres Constituants

58

constituants secondaires Ciment Portland CEM I 95 - 100 -- 0 – 5 Ciment Portland

composé CEM II A 80 - 94 6 - 20 --

CEM II B 65 - 79 21 - 35 -- Ciment de haut fourneau CEM III A 35 - 64 36 - 65 0 – 5

CEM III B 20 - 34 66 - 80 0 – 5 CEM III C 5 - 19 81 - 95 0 – 5

Ciment pouzzolanique CEM IV A 65 - 90 10 - 35 0 – 5 CEM IV B 45 - 64 36 - 55 0 – 5

Ciment composé CEM V A 40 - 64 18 - 30 0 – 5 CEM V B 20 - 39 31 - 50 0 – 5

Les valeurs indiquées dans le tableau précédent se réfèrent au noyau du ciment à l’exclusion des sulfates de calcium et des additifs. On a par convention :

? Clinker + Autres constituants + Constituants secondaires = 100 Tous les ciments peuvent contenir entre 0 et 5 % de constituants secondaires, filler ou bien un ou plusieurs constituants principaux, sauf lorsque ceux-ci sont déjà présents dans le ciment en tant que constituants principaux. La norme définit aussi les constituants autres que le clinker admis dans les 5 types de ciment (tableau 11). La composition des ciments doit parfois être déclarée à l’organisme de certification par le producteur qui s’engage à ne pas faire varier les proportions de chacun des constituants au-delà d’une fourchette de +/- 5 points. C’est le cas des ciments français vis-à-vis de l’AFNOR. D’autres organismes de certification obligent le cimentier à déclarer les constituants principaux complémentaires, nature et pourcentage, sur simple demande de l’utilisateur.

Tableau 11 : Les constituants admis dans les 5 types de ciments courants S D Z V, W P, Q T L F

Ciment Portland oui Ciment Portland composé oui oui

(1) oui oui oui oui oui

Ciment de haut fourneau oui oui Ciment pouzzolanique oui

(1) oui oui

(2) oui

Ciment composé oui oui oui (2)

oui

(1) en proportion limitée à 10 % (2) W n’est pas admis dans cette famille 3.2 Exigences mécaniques, physiques et chimiques Les tableaux et figure 12 à 15 synthétisent les exigences de la norme.

59

3.2.1 Exigences mécaniques et physiques La norme classe les ciments suivant leur résistance normale à 2 et 28 jours. La résistance normale du ciment est la résistance à la compression mesurée sur mortier normalisé conservé à 20°c conformément à la norme EN 196 - 1. Elle s’exprime couramment en MPa ou N/mm². Les classes de résistance deviennent 32.5, 42.5 et 52.5 et une résistance maximale à 28 jours est instaurée pour les 2 classes inférieures. A noter aussi pour chaque classe de résistance, la définition de 2 sous-classes de résistance au jeune âge : résistance ordinaire et résistance élevée indiquée par R (tableau 12). Cette dernière se caractérise par des résistances initiales plus élevées, appréciées pour les opérations de décoffrage, démoulage, mise en précontrainte et manutention précoce. L’introduction dans la nouvelle norme d’une limite supérieure (Ls) de résistance pour les classes de résistance 32.5 et 42.5 constitue une exigence complémentaire particulièrement sévère pour les ciments certifiés faisant l’objet d’un contrôle statistique des performances mécaniques. La figure 13 montre les degrés de liberté du producteur en matière de résistance suivant le nouveau règlement de certification (voir paragraphe 3.3) pour les ciments de la classe 32.5 en Belgique. Où :

? RC moy est la moyenne arithmétique des résistances à 28 jours mesurées sur les N échantillons contrôlés pendant la période considérée (2 échantillons par semaine pendant un semestre dans le cas de la Belgique)

? S est l’écart type de production du ciment ? Li est le seuil inférieur normalisé des résistances ? Ls est le seuil maximum normalisé des résistances

60

Tableau 12 : Exigences mécaniques et physiques des ciments courants

Résistance à la compression (MPa) Temps de Classe Résistance au jeune

âge Résistance normale Début de

prise Expansion

(1) 2 jours 7 jours 28 jours Min mm

32.5 -- ? 16 ? 32.5 ? 52.5 32.5 R ? 10 -- ? 60 42.5 ? 10 -- ? 42.5 ? 62.5

42.5 R ? 20 -- ? 10 52.5 ? 20 -- ? 52.5 -- ? 45

52.5 R ? 30 -- (1) en complément à l’essai de stabilité, la norme limite également la teneur en oxyde de magnésium pour les clinkers destinés au CEM I (? 5 %).

Moyenne semestrielle de résistance à la compression d'un ciment de classe 32.5 en fonction de l'écart type de production

30

35

40

45

50

55

0 1 2 3 4 5 6

Ecart type de production (N/mm²)

RC

mo

yen

ne

(N/m

m²)

Limite inférieure Limite supérieure

Figure 13

Suivant le nouveau règlement de certification, les résistances moyennes des ciments certifiés doivent impérativement se trouver dans le diagramme triangulaire qui se rétrécit drastiquement lorsque l’écart type de fabrication augmente.

? Li + Ki x S < RC moy < Ls - Ks x S Où :

? Ki représente la constante d’acceptabilité qui dépend du pourcentage de dépassement de la limite inférieure (Li) admis pour la mesure, et du nombre de mesures (N) sur la période considérée

? Ks représente la constante d’acceptabilité qui dépend du pourcentage de dépassement de la limite supérieure (Ls) admis pour la mesure, et du nombre de mesures (N) sur la période considérée

61

Dans la plupart des pays européens, le pourcentage de dépassement admis est de 5 % pour la limite inférieure et de 10 % pour la limite supérieure des normes. La période de contrôle considérée varie d’un pays à l’autre : trimestrielle aux Pays-Bas, semestrielle en Allemagne et en Belgique, annuelle en France, ... De plus, certains pays, comme la France, ont modifié les niveaux normalisés inférieur et supérieur de résistance et ont introduit la notion de niveau minimum garanti qui ne peut pas être dépassé : Tableau 14 : Spécifications des résistances à la compression des ciments suivant leur

classe Résistance à la compression (MPa)

Classe Résistance au jeune âge (2 ou 7j)

Résistance normale (28 j)

L i g L i L i g L i L s 32.5 17.5 (1) -- 30 32.5 52.5

32.5 R 12 13.5 42.5 10 12.5 40 42.5 62.5

42.5 R 18 20 52.5 18 20 50 52.5 --

52.5 R 28 30 Où :

? Li et Ls sont les limites caractéristiques inférieure et supérieure ? Lig est la limite inférieure garantie

3.2.2 Exigences chimiques La norme européenne définit aussi un ensemble de critères chimiques à respecter.

Tableau 15 : Exigences chimiques des ciments courants Type et classe Sulfates SO³

(%) Chlorures

(%) Perte au feu

(%) Résidu

Insoluble (%) CEM I 32.5, 32.5 R, 42.5 ? 3.5 ? 0.1 ? 5.0 ? 5.0

CEM I 42.5 R, 52.5, 52.5 R ? 4.0 CEM II 32.5, 32.5 R, 42.5 ? 3.5 ? 0.1 -- --

CEM III A, B ? 4.0 ? 0.1 ? 5.0 ? 5.0 CEM III C ? 4.5 (1)

CEM V ? 3.5 ? 0.1 -- -- (1) Les ciments de type III A, B ou C peuvent contenir plus de 0.1 % de chlorures, mais dans ce cas la teneur réelle doit être déclarée. Pour les caractéristiques chimiques et les caractéristiques physiques autres que les résistances mécaniques, le contrôle statistique sera remplacé par un contrôle par attributs. Le ciment sera conforme lorsque le nombre de dépassement (Cd) de la caractéristique considérée sera inférieur à un nombre estimé (Ca), calculé à partir du nombre de mesures (N) effectuées pendant la période de contrôle et du pourcentage de dépassement autorisé.

? Cd ? Ca 3.2.3 Ciments à caractéristiques complémentaires normalisées

62

Dans l’attente de la norme européenne définitive EN 197 - 1, dont les parties complémentaires traiteront des ciments spéciaux, certains certificateurs nationaux ont défini des spécifications complémentaires :

? Ciment à haute résistance aux sulfates (HSR, ES) ? Ciment à teneur limitée en alcalis (LA) ? Ciment à faible chaleur d’hydratation (LH) ? Ciment pour travaux à la mer (PM) ? Ciment à teneur en sulfures limitée pour précontrainte (CP) ? Ciment blanc

La norme européenne EN 197 sur les ciments fait référence à une autre norme EN 196 décrivant les méthodes d’essais applicables à tous les ciments (tableau 16).

Tableau 16 : Méthodes d’essais des ciments normalisés en Europe Norme Méthode d’essais

EN 196 - 1 Méthode d’essais des ciments - Partie 1 : Détermination des résistances mécaniques

EN 196 - 2 Méthode d’essais des ciments - Partie 2 : Analyse chimique des ciments

EN 196 - 3 Méthode d’essais des ciments - Partie 3 : Détermination du temps de prise et de la stabilité

EN 196 - 4 Méthode d’essais des ciments - Partie 4 : Détermination quantitative des constituants

EN 196 - 5 Méthode d’essais des ciments - Partie 5 : Essai de pouzzolanicité des ciments pouzzolaniques

EN 196 - 6 Méthode d’essais des ciments : Détermination de la finesse EN 196 - 7 Méthode d’essais des ciments : Méthodes de prélèvements et

d’échantillonnage du ciment EN 196 - 21 Méthode d’essais des ciments : Détermination de la teneur en

chlorures, en dioxyde de carbone et en alcalis dans les ciments

3.2.4 Caractéristiques diverses du ciment A côté des caractéristiques normalisées, le ciment doit parfois répondre à certaines spécifications imposées par les utilisateurs. Les plus courantes sont :

? une fluidité du ciment minimale pour faciliter la manutention pneumatique ? une température maximale pour éviter le phénomène de fausse prise ? une teneur limitée en alcalis pour utiliser sans restriction des granulats siliceux

réactifs ? une teneur limitée en sulfate pour éviter la formation différée d’ettringite dans les

installations d‘étuvage à haute température en préfabrication ? …

3.3 Règlement particulier d’usage et de contrôle de la marque de conformité La nouvelle norme européenne EN 197 est subdivisée en trois rubriques :

? une première partie descriptive définit les constituants du ciment et délimite les différents types de ciments

? une deuxième partie fixe les classes de résistances, les spécifications mécaniques et physico-chimiques

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? une troisième partie est consacrée aux critères de conformité, aux procédures de leur vérification et aux seuils de garantie.

La référence à la norme pour un ciment implique obligatoirement que sa conformité à celle ci soit certifiée par un organisme officiel. Les procédures à suivre par les fabricants de ciments certifiés font l’objet d’un règlement particulier d’usage et de contrôle de la marque de conformité. Les règlements varient sur quelques détails d’un pays à l’autre. D’une manière générale, l’attestation de conformité d’un ciment à une norme nationale d’un pays européen comprend les éléments essentiels suivants :

? une période de stage probatoire comprenant des essais initiaux de conformité des produits et un audit initial de la capacité du producteur et de ses installations de fabriquer des produits conformes aux normes

? un autocontrôle permanent du producteur de la conformité de sa production à toutes les spécifications des normes correspondantes. L’avantage de cet autocontrôle est qu’il est réalisé sur un nombre important de prélèvements garantissant un niveau de fiabilité statistique des résultats qu’aucun essai ponctuel de réception ne peut donner

? un contrôle externe par un organisme de contrôle désigné, tierce partie indépendante, de la validité et de la fiabilité de l’autocontrôle du producteur. Ce contrôle externe comprend également le prélèvement impromptu périodique d’échantillons chez le producteur avec essais croisés dans un laboratoire agréé indépendant.

? l’obligation pour le producteur d’avoir un système de gestion de la qualité de production formalisé dans un manuel de qualité dont la bonne application fait l’objet d’audits réguliers tant internes par le producteur lui-même qu’externes par l’organisme de contrôle désigné.

La preuve de la certification est donnée par l’apposition de la marque de la marque délivrée par l’organisme certificateur sur les sacs de ciments dans le cas de ce conditionnement ou sur le bon de livraison en cas de livraison en vrac. Le système d’assurance de la qualité européen est basé sur les normes de la série ISO 9000. Adopté en 1987, il fixe les procédures pour toutes les étapes de production de manière à produire un produit de qualité. Au niveau de l’industrie cimentière, les normes ISO 9000 ne sont pas des normes de spécifications ou de performances et elles sont pratiquement adoptées par tous les pays. La certification européenne ciment fait référence à la norme ISO 9002 se rapportant à la production et à la maîtrise des procédés de fabrication 4 Conséquences de l’application des nouvelles normes européennes sur la variation de qualité du clinker Pour l’utilisateur de ciment, l’importance des textes normatifs vient de ce qu’ils sont repris dans les documents contractuels qui règlent les relations commerciales entre le fournisseur et son client ou entre l’entrepreneur et son client. Pour l’utilisateur, l’application du nouveau règlement de certification européen, représente un incitant supplémentaire majeur d’exiger des ciments certifiés dont la conformité aux normes est vérifiée de façon statistique par un triple contrôle de la production. En effet, alors que les livraisons successives de ciments non-certifiés contrôlés par lots peuvent présenter des résistances variables entre les limites Li et Ls de la classe (variations possibles de 20 Ma entre livraisons), les ciments certifiés présentent nécessairement des résistances beaucoup

64

plus constantes d’une livraison à l’autre. Avec des écarts types réduits de fabrication de l’ordre de 2 à 3 MPa, la fourchette autorisée pour les résistances moyennes à 28 jours est déjà réduite de moitié dans la plupart des pays, tandis que dès que les écarts types de fabrication dépassent 5 MPa, la production ne sait plus être conforme aux spécifications de la norme.

Tableau 18 : Contrôle de fabrication d’un CEM I 52.5 1998 (MPa) RC 1 jour RC 2 jours RC 28 jours

Moyenne 24.7 37.8 64.1 Ecart type 2.1 2.0 2.1 Minimum 19.8 33.0 60.1 maximum 28.3 40.4 67.8

La certification européenne constitue une garantie de conformité des produits aux normes et dès lors une meilleure protection des utilisateurs contre les défauts de qualité. Le producteur fabrique des ciments caractérisés par une très grande constance de qualité et par des niveaux de résistance dépassant largement les seuils minima normalisés. La certification offre un relèvement incontestable du niveau de qualité des produits au profit des utilisateurs. L’imposition dans les cahiers de charge d’emploi exclusif de ciment certifié présente de nombreux avantages pour l’utilisateur :

? une garantie optimale de conformité aux normes sur base de contrôles statistiques incomparablement plus significatifs que n’importe quels essais ponctuels occasionnels de réception

? une garantie de conformité à toutes les spécifications normalisées et pas seulement aux quelques spécifications principales auxquelles se limitent souvent les essais de réception

? une garantie de qualité assurée chez le producteur et rendant inutile tout essai de réception dont les résultats sont souvent connus trop tard, après la mise en œuvre du produit

? une uniformisation des contrôles de qualité plaçant tous les producteurs sur le même pied

? la transparence des procédures de certification basées sur des règlements (général, particulier et d’application) à la disposition de tous les intéressés (transparence assurée aussi par la publication régulière de listes des usagers de la marque et de leurs ciments certifiés)

? l’impartialité des attestations de conformité et de la gestion de la certification par des comités regroupant toutes les parties concernées (pouvoirs publics, utilisateurs, producteurs et experts indépendants)

? une possibilité de recours de l’utilisateur auprès de l’organisme de certification dans tout litige avec le producteur concernant la conformité aux normes du produit fourni.

5 Les économies d’énergie 5.1 Les adjuvants de broyage Les agents de broyage sont des matériaux qui facilitent le broyage dans les broyeurs à boulets en éliminant le collage (coating) sur les corps broyants et en dispersant les fines particules broyées. Ils sont surtout utilisés pour le broyage des ciments avec une haute

65

finesse (> 3500 cm²/g). Sous forme liquide ou solide, ces matériaux sont injectés dans le broyeur à des dosages très faibles (< 0.1 % de matières actives / ciment). D’une manière générale, les agents de broyage améliorent la productivité de l’installation de broyage (augmentation possible de la production jusque 50 % et réduction de la consommation électrique en conséquence). Ils éliminent les charges électrostatiques des particules et facilitent l’écoulement et le transport du ciment fini. Ils améliorent sensiblement la fluidité du ciment et limitent les effets d’autocompactage pendant le stockage dans les silos. Parfois utilisés pour améliorer une propriété du ciment, Il n’y a cependant pas de règle pour calculer à priori l’efficacité d’un agent de broyage. Un essai de convenance est toujours nécessaire pour apprécier le degré d’efficacité du produit. 5.2 Les ciments composés Le ciment est un liant hydraulique composé de plusieurs matériaux avec des propriétés spécifiques. Ce mélange se présente sous la forme de poudre finement moulue, qui gâchée avec de l’eau forme une pâte qui durcit par suite de réactions et processus d’hydratation, qui conserve après durcissement sa résistance et sa stabilité dans l’eau et dans l’air. Le ciment contient toujours du clinker Portland et un régulateur de prise. En plus de ces matériaux de base, il est possible (et permis) d’introduire d’autres matériaux avec des propriétés hydrauliques et pouzzolaniques qui diminueront le prix de revient du ciment tout en conservant sa qualité (tableau 18).

66

Tableau 18 : Composition chimique usuelle de quelques matériaux pour ciments

composés Clinker Laitier Cendres

volantes Pouzzolanes

SiO² 20.0 36.0 58.0 60.0 Al²O³ 5.0 12.0 26.0 15.0 Fe²O³ 3.5 1.0 2.0 5.0 CaO 66.0 42.0 4.0 5.0 MgO 2.0 6.0 2.0 2.0

Lors de l’hydratation, les composants du ciment vont se solubiliser progressivement et réagir ave l’eau ou entre eux avec l’eau.

? Pour le clinker :

Au démarrage, les aluminates de calcium forment les premiers cristaux hydratés responsables du durcissement initial et des premières résistances.

C³A + H + Cs ? C³ACs³H31 En régime les silicates de calcium constituent la vraie structure du ciment durci et le sulfoaluminate (ettringite) se stabilise.

C³S + C²S + H ? C³S²H³ + CH

C³ACs³H31 + C³A ? C³ACsH31 ? Pour les autres constituants hydrauliques :

En régime les silicoaluminates, activés éventuellement par la portlandite produite précédemment, renforcent la structure durcie.

CSA + H + ( CH ) ? C²AH7 + CnSmHp

? Pour les constituants pouzzolaniques :

A long terme, avec la portlandite résiduelle ils renforcent la structure

? SA + CH +H ? CnSmHp Clinker (K) Le clinker est une roche artificielle produite dans un four. C’est le seul constituant élaboré en cimenterie. Par le dosage précis des matières premières et le contrôle de la cuisson, il répond à des critères bien précis qui lui procurent la réactivité optimale (Voir chapitre 3). Le clinker répond aux caractéristiques suivantes :

? CaO / SiO² ? 2 ? MgO ? 5 %

Le clinker, très riche en chaux, s’hydrate rapidement au point de requérir un régulateur. Il libère pendant l’hydratation une quantité importante de chaux qui ne se combine pas toujours sous forme d’hydrate et reste disponible pour d’autres réactions avec d’autres

67

composants du ciment. La chaux résiduelle produite par les réactions d’hydratation constitue une réserve d’alcalinité dans le béton qui est une barrière efficace contre la corrosion des armatures. La chaux résiduelle peut aussi réagir avec des agents extérieurs comme l’anhydrite carbonique de l’air ou des sels dissous dans le milieu ambiant, qui auraient pu pénétrer à l’intérieur de la masse durcie par le réseau de pores ou de fissures, et détruire progressivement par attaque chimique ou dissolution des composants hydratés du béton. Régulateur de prise Le régulateur de prise est un sulfate de calcium (gypse, hémihydrate de calcium, anhydrite) ajouté en faible quantité aux autres constituants du ciment au cours de sa fabrication pour produire les ions sulfates nécessaire pour réguler la prise et influencer les performances finales. Une partie de ces ions sulfates sont produits par la libération des sulfates alcalins contenus dans le clinker et participent aux réactions d’hydratation. Beaucoup d’usines utilisent du gypse naturel ou synthétique comme régulateur de prise. Celui-ci évolue pendant le broyage. Sous l’effet de la température atteinte pendant le broyage et le stockage, le gypse va se déshydrater en plâtre, éventuellement en anhydrite et modifier le comportement rhéologique du ciment :

? CaSO4 2 H²O ? CaSO4 ½ H²O ? CaSO4 ½ H²O ? CaSO4

Le cimentier dispose à ce moment d’une palette importante de sources d’ions sulfate, de solubilité et de réactivité différentes, pour maîtriser les premières réactions d’hydratation. A côté des matériaux naturels exploités en carrière, de nombreux sulfates provenant de la désulfuration des fumées ou de l’industrie chimique sont maintenant utilisés pour la fabrication des ciments. A côté du ciment Portland fabriqué par le broyage d’un mélange de clinker Portland et de régulateur de prise, il existe différentes familles de ciments composés

? courants définis aussi dans les normes nationales ou internationales ? particuliers fabriqués localement ou pour une propriété spécifique.

Divers matériaux sont utilisés pour la fabrication des ciments composés. Ces matériaux suivant leurs propriétés se répartissent en 3 catégories :

? les matériaux hydrauliques forment par réaction avec l’eau des composés hydratés stables qui participent avec le clinker au développement des résistances de durcissement

? les matériaux pouzzolaniques forment en présence d’eau des composés hydratés stables avec la chaux produite par les réactions d’hydratation du clinker Portland

? les fillers améliorent certaines propriétés du ciment pendant la préparation du mortier ou du béton, ou la qualité des produits hydratés durcis.

5.2.1 Matériaux hydrauliques Laitier granulé de haut fourneau (S) Le laitier granulé de haut fourneau est le matériau hydraulique le plus souvent utilisé dans les ciments composés. Il est obtenu par refroidissement rapide de la scorie fondue produite

68

pendant la fabrication de la fonte dans le haut fourneau. Pour être utilisé en cimenterie, le laitier granulé de haut fourneau doit présenter des propriétés hydrauliques latentes.

? Masse vitreuse > 2 / 3 de la masse totale ? ( Ca0 + MgO + SiO² ) > 2 / 3 de la masse des constituants ? ( CaO + MgO ) / SiO² > 1

Le laitier est généralement moins réactif que le clinker. Il améliore les résistances finales et la durabilité du ciment. D’autres types de laitier autre que le laitier de haut fourneau sont admis dans les normes européennes pour la production de ciment composé avec une teneur maximale de 15 %. La composition chimique de ces laitiers, sous-produits de l’industrie des non-ferreux est variable et dépend de l’origine du laitier (tableau 19).

Tableau 19 : Caractéristiques de différents laitiers de l’industrie Laitier non-ferreux Laitier ferreux

Origine Plomb Zinc Nickel Cuivre Aciérie LD Haut fourneau

SiO² 18.0 29.0 34.0 41.0 13.0 34.0 Al²O³ 6.0 1.0 6.0 9.0 1.0 13.0

FeOx MnOx 38.0 53.0 41.0 1.0 31.0 1.0 CaO 20.0 4.0 9.0 44.0 47.0 41.0 MgO 1.0 2.0 4.0 1.0 1.0 7.0

CaO/SiO² 1.1 0.1 0.3 1.1 3.6 1.2 Cendres volantes calciques (W) Les cendres volantes sont des particules pulvérulentes obtenues par le dépoussiérage électrostatique ou mécanique des gaz de combustion des chaudières alimentées au charbon pulvérulent. Les cendres volantes silico-calcaire présentent des propriétés pouzzolaniques et hydrauliques. Elles contiennent essentiellement de la chaux réactive, de la silice réactive et de l’alumine.

? CaO réactif ? 5 % ? SiO² > 25 % si ( 15 % < Cao réactif < 25 % ) ? propriétés physico mécaniques suivant EN 196 1 (RC 28j > 10 MPa, Dilatation

< 10 mm) 5.2.2 Matériaux pouzzolaniques Les pouzzolanes ne durcissent pas par eux-mêmes lorsqu’elles sont mélangées avec de l’eau, mais réagissent, à température ambiante en présence d’eau, avec l’hydroxyde de calcium. Les matériaux pouzzolaniques réagissent lentement dans le ciment. Elles améliorent les résistances finales à long terme et la durabilité. Pouzzolanes naturelles (P) Les pouzzolanes naturelles sont des matériaux essentiellement composés de silice, d’alumine et d’oxyde de fer. Elles présentent naturellement ou après activation thermique des propriétés pouzzolaniques.

? CaO en proportion négligeable ? SiO² réactif > 25 % de la masse des constituants

69

La silice se trouve dans une phase amorphe (silice opaline) ou sous forme de silicate (zéolites). La Pouzzolane de Pozzuoli et le Trass de Bavière sont 2 roches volcaniques. Le kieselguhr, la gaize ou la terre de diatomée sont issus de dépôt sédimentaire. Pouzzolanes industrielles (Q) Les pouzzolanes industrielles sont des argiles ou des schistes traités et activés thermiquement, des laitiers de cuivre ou de plomb refroidis à l’air et d’autres produits de l’industrie des ferroalliages

? CaO en proportion négligeable ? SiO² réactif > 25 % de la masse des constituants

Cendres volantes siliceuses (V) Les cendres volantes sont des particules pulvérulentes obtenues par le dépoussiérage électrostatique ou mécanique des gaz de combustion des chaudières alimentées au charbon pulvérulent. Elles contiennent essentiellement de la silice réactive et de l’alumine.

? Perte au feu ? 5 % ? CaO ? 5 % ? SiO² réactif ? 25 % de la masse des constituants

Schistes calcinés (T) Les schistes calcinés, et en particulier les schistes bitumineux, sont produits dans un four spécial à 800°c. Du fait de la composition de la matière naturelle et du procédé de cuisson, les schistes calcinés contiennent des phases du clinker, principalement du silicate bicalcique et de l’aluminate monocalcique. Ils contiennent aussi de petites quantités de chaux libre et de sulfate de calcium, ainsi que des quantités plus importantes d’oxydes réagissant de manière pouzzolanique (SiO²). Finement broyés, ils présentent de fortes propriétés hydrauliques comme le clinker Portland en plus des propriétés pouzzolaniques

? RC 28j > 25 MPa suivant EN 196 1 ? Expansion ? 10 mm

Fumées de silice (D) Les fumées de silice sont des particules sphériques très fines (< 1 µm) présentant une forte teneur en silice amorphe. Elles proviennent de la réduction du quartz de grande pureté par du charbon dans les fours à arc électrique pour la production de silicium et d’alliages en ferrosilicium. L’action des cendres d’écorce de riz est comparable à l’action des fumées de silice. Utilisées comme constituant principal, elles doivent respecter les impositions suivantes :

? SiO² amorphe ? 85 % ? Perte au feu ? 4 % ? Aire massique (BET) ? 15 m²/g

5.2.3 Fillers Les fillers sont des matières minérales, naturelles ou artificielles spécialement sélectionnées, qui après préparation appropriée, en fonction de leur granulométrie, améliorent les propriétés

70

physiques des ciments (ouvrabilité, rétention d’eau, compacité, ...). Ils peuvent être inertes ou présenter des propriétés faiblement hydrauliques, hydrauliques latentes, pouzzolaniques. Ils ne doivent pas accroître sensiblement la demande en eau du ciment, ni diminuer en aucune manière la résistance mécanique du béton ou la protection des armatures contre la corrosion. Calcaire (L) Ce sont des produits obtenus par broyage fin de roches naturelles présentant une teneur en carbonate de calcium élevée. Ils respectent les critères suivants lorsqu’ils sont utilisés comme constituant principal.

? CaCO³ > 75 % ? Teneur en argile par absorption de bleu de méthylène ? 12 g/100g ? Matières organiques ? 0.2 % sans essais complémentaires ? Matières organiques ? 0.5 % si performances acceptables

5.2.4 Constituants secondaires Les constituants secondaires sont des constituants décrits dans les paragraphes précédents ou des fillers (F). Ils sont obtenus par broyage fin de matières minérales naturelles ou artificielles. 5.2.5 Additifs Les additifs sont des constituants ajoutés pour améliorer la fabrication ou les propriétés du ciment. Les plus couramment utilisés sont les agents de mouture décrits au paragraphe 5 1. La quantité de ces additifs ne dépassent pas 0.5 % en masse dans tous les ciments, à l’exception des composés chlorés pour quelques ciments composés au laitier. Ces additifs ne doivent pas favoriser la corrosion des armatures ou influencer les propriétés du ciment, du béton ou du mortier fabriqué avec ce ciment. 5.3 Le réglage de la composition des ciments La composition des ciments est réglée par les normes pour les éléments chimiques qui pourraient provoquer une dégradation des hydrates avec l’aide éventuelle d’un agent extérieur (sulfate, chlorure, alcalins, magnésie). A l’exception des sulfates, ces éléments ne sont pas introduits volontairement dans le ciment. Ils sont apportés par les matières du clinker ou les constituants du ciment et il est difficile de les doser dans le produit fini. Le sulfate, apporté pour réguler la prise, est limité pour éviter la formation d’ettringite différée gonflante dans le ciment durci. Le sulfate joue cependant une action importante sur la cinétique de durcissement du ciment et sur le niveau final des résistances mécaniques. Il est intéressant de rechercher, pour une composition donnée, la concentration optimale du ciment pour obtenir les performances optimales au niveau de la rhéologie ou du développement des résistances. La recherche de l’optimum sulfate consiste à faire évoluer la teneur en sulfate du ciment d’une valeur basse à une valeur élevée, tout en respectant les normes, et à étudier les effets de cette variation sur les propriétés du ciment. Pour déterminer l’optimum sulfate d’un CEM I 52.5, la SO³ est réglé de 0 à 5 % pendant une campagne de broyage, en conservant le débit d’alimentation du broyeur constant. Pendant l’essai, 9 échantillons sont prélevés et vont refléter la variation du SO³ (tableau 20).

71

Tableau 20 : Recherche de l’optimum sulfate d’un CEM I 52.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9

SO3 (%) 0.85 1.01 1.39 1.9 2.62 3.08 3.67 4.79 5.55 Blaine ( cm²/g ) 4338 4293 4362 4594 4493 4741 4446 4604 4822

RC 1j (MPa) 4.8 4.5 4.1 15.3 19.2 21.6 20.3 17.4 16.4 RC 2 j (MPa) 18.4 20.3 19.7 31.1 33.9 34.6 35 29.5 26.1 RC 28 j (MPa) 41.8 47.6 48.1 64.5 64.7 63.7 65.5 64.7 62.1

Consistance (%) 41 42 43 30 30 30 30 30 30 Dbt prise (min) 10 20 20 120 100 110 120 130 170 Fin prise (min) 70 100 100 270 240 260 260 270 300

Les résultats sont repris et commentés dans les graphiques suivants (figures 21 à 25).

0 1 2 3 4 5 64200

4400

4600

4800

5000

SO³ (%)

Bla

ine

(cm

²/g

r)

CEM I 52.5 : recherche de l'opt sulfateSurface spécifique Blaine

Figure 21 L’augmentation de la teneur en sulfate entraîne une augmentation apparente de la finesse du ciment. La matière sulfatée se broie plus facilement que le clinker.

0 1 2 3 4 5 625

30

35

40

45

SO³ (%)

Bes

oin

en

eau

(%

)

CEM I 52.5 : recherche de l'opt sulfateBesoin en eau

Figure 22

72

Le ciment a besoin d’un minimum de sulfate (> 2 %) pour pouvoir préparer une pâte de consistance normale avec une teneur minimale en eau.

0 1 2 3 4 5 60

50

100

150

200

SO³ (%)

Déb

ut

de

pri

se

(min

)

CEM I 52.5 : recherche de l'opt sulfateDébut de prise pâte pure

Figure 23 Pour pouvoir mettre en œuvre le béton ou le mortier, le ciment ne doit pas durcir trop rapidement. Un minimum de sulfate est nécessaire (> 2 %).

0 1 2 3 4 5 60

5

10

15

20

25

SO³ (%)

RC

1j

(N

/mm

²)

CEM I 52.5 : recherche de l'opt sulfateRésistance à la compression à 1 jour

Figure 24 Le ciment a besoin d’un minimum de sulfate pour développer les résistances mécaniques initiales dues à l’aluminate tricalcique. Un maximum de résistance à 1 jour est obtenu pour une valeur de sulfate comprise entre 3 et 4 %.

73

0 1 2 3 4 5 640

50

60

70

SO³ (%)

RC

28j

(N

/mm

²)

CEM I 52.5 : recherche de l'opt sulfateRésistance à la compression à 28 jours

Figure 25

Le ciment a aussi besoin d’un minimum de sulfate pour développer un niveau acceptable de résistance mécanique finale. L’optimum est situé entre 2 et 5 %. Pour le CEM I 52.5 étudié, l’optimum sulfate est

? 2 % pour le besoin en eau, le début de prise et la résistance finale ? 3 % < < 4 % pour la résistance initiale ? < 4.5 % pour respecter la norme

La cimenterie doit donner comme consigne de sulfate, dans les conditions de l’essai une valeur comprise entre 3 et 4 %. Cet essai permet de trouver une composition optimale pour fabriquer un ciment avec une bonne rhéologie, un développement rapide des résistances initiales et un niveau maximum de résistance finale. 5.4 Les matériaux de substitution Un grand nombre de matières diverses peuvent être introduites dans les ciments, en substitution à un constituant traditionnel, comme constituant secondaire ou comme agent de performance pour développer une propriété particulière du ciment. 5.4.1 Les poussières de four Les poussières de fours constituent la première source de matériaux de substitution. Elles sont récupérées dans les filtres en zone amont du four ou près des by-pass et ne peuvent pas toujours, pour le bon déroulement du processus de cuisson, être réintroduites dans le four. Elles sont chargées en chaux, en chlorure et sulfate alcalins qui sont de bons activateurs des matériaux traditionnels comme le clinker, le laitier ou la pouzzolane. La quantité utilisable est limitée par les normes ciments et par l’impact négatif sur la qualité lorsqu’elles sont introduites en grande quantité. D’une manière générale, les poussières de fours augmentent les risques de :

? corrosion des armatures

74

? réaction alcalis granulat ? efflorescence ? .....

5.4.2 Autres matériaux de substitution De nombreux matériaux, résidus industriels, peuvent aussi servir de constituants pour la fabrication des ciments. Si ces matériaux ne peuvent être classés dans une des catégories évoquées dans les paragraphes précédents, il est indispensable d’effectuer en laboratoire et sur chantiers choisis, des essais de performance au niveau rhéologique, mécanique et durabilité :

? gypse de récupération de l’industrie chimique ou de la désulfuration des fumées ? boues de papeterie ? argile calcinée ? microfiller

6 Performances du ciment Portland et du ciment composé Dans beaucoup de cas, l’avantage des matériaux pouzzolaniques est évident après quelques essais de laboratoire. Lors de la mise en œuvre du béton sur chantier ou dans les unités de préfabrication des problèmes de manutention, de rhéologie, de durcissement, apparaissent et nécessitent des corrections dans la formulation ou dans le processus de fabrication du ciment. Des essais industriels doivent être organisés pour solutionner ces défauts avant le lancement commercial du nouveau ciment composé. Les ciments Portlands et composés vont se différencier au niveau des performances. D’une manière générale, le ciment Portland est toujours plus réactif, à finesse égale, pendant les premières heures (figures 26 et 27) tandis que le ciment composé atteint des performances à long terme (> 6mois) plus élevées pour les résistances mécaniques et pour la durabilité (tableau 28).

Tableau 28 : Avantages des ciments composés sur le ciment Portland Laitier de

haut fourneau

Cendres volantes

Pouzzolanes naturelles

Besoin en eau ? ? Temps de prise ? ? ? ? ?

Chaleur d’hydratation ? ? ? ? ? Résistances initiales ? ? ? ? ? Résistances finales ? ? ?

Résistance au sulfate ? ? ? ? ? Perméabilité au chlorure ? ? ? ? ? Réactivité alcalis silice ? ? ? ? ?

Retrait ? Pour des finesses grossières, le ciment Portland est supérieur aux jeunes ages mais le ciment au laitier le dépasse vers 28 jours (figure 26). Pour des finesses élevées, la différence s’accentue en faveur du ciment Portland aux jeunes ages et pour le ciment composé après

75

quelques mois de durcissement. Le ciment Portland ne progresse plus beaucoup après 28 jours au contraire du ciment composé au laitier ou aux cendres volantes.

7 Choix d’un ciment pour une application donnée Un ciment pour une utilisation particulière est choisi généralement suivant 3 critères :

? la résistance à la compression à 28 jours ? la résistance à court terme ? la durabilité

7.1 Résistance finale Le ciment, au même titre que les sables et granulats ou l’eau, est une matière première pour le béton ou le mortier fabriqué. Le choix du ciment est en conséquence fixé par les besoins ou les performances définies dans les cahiers de charge. On parle de résistance caractéristique à atteindre. Cette notion tient compte de la résistance minimale à atteindre pour le béton et de la dispersion ou de la régularité de la fabrication de l’utilisateur. Les normes françaises et allemandes donnent des tables qui permettent le calcul des dosages et des classes de ciment en fonction des performances recherchées. Le tableau 29 donne par exemple, l’estimation du dosage en ciment en fonction de la résistance souhaitée pour le béton à 28 jours et de la résistance normale du ciment à la même échéance. Le calcul est basé sur la formule de Bolomey :

? RCbéton = Kb x RCciment x [ ( C / (E + V) - 0.5 ] Où : Rcbéton = résistance du béton en MPa Kb = coefficient relatif au squelette granulaire (entre 0.5 et 0.6 suivant les régions) Rcciment = résistance normale du ciment à 28 jours en MPa C = dosage en ciment en kg/m³ E = quantité d’eau efficace en kg/m³ V = quantité d’air occlus dans le béton en l/m³ (0.1 x E pour un béton plastique)

Tableau 29 : Estimation du dosage en ciment en fonction de la résistance souhaitée pour le béton à 28 jours et de la résistance normale du ciment à la même échéance. Classe

de résistance

Résistance normale du ciment à 28

jours (MPa)

20

25

25

30

30

35

35

40

40

45 32.5 45 320 360 400 440 490 42.5 55 280 310 350 380 420 52.5 65 250 280 310 340 370

Le calcul du tableau 29 est effectué pour un granulat de dimension maximale de 20 mm. Toute variation de ce diamètre maximal entraîne une variation du dosage en ciment de manière à conserver la quantité optimale de fines particules (ciment + filler éventuel) dans le béton. Les normes recommandent en conséquence une fourchette de ciment en fonction du diamètre maximal du granulat (tableau 30).

76

Tableau 30 : Dosage en fines recommandé en fonction du diamètre maximal du plus gros granulat

Diamètre maximal (mm) 8 16 20 25 35 40 Valeur inférieure (kg/m³) 390 340 320 310 290 280 Valeur supérieure (kg/m³) 510 440 420 400 380 370

7.2 Résistance initiale Les applications en béton sont généralement coulées en fin de journée et démoulées le lendemain matin. Pour ce faire, le béton doit atteindre un niveau minimal de résistance. Le choix du ciment est naturellement important mais les performances à court terme du béton seront aussi influencées par :

? la composition du béton (E/C, ouvrabilité recherchée, squelette granulométrique, dosage en ciment, ...)

? la température durant les premières heures. Le bétonnier choisit un ciment rapide en période hivernale pour des performances à court terme élevées. Il choisit une classe inférieure en fonction de l’élévation de température et/ou de la diminution des exigences. Par exemple pour la France :

? 52.5 R ? 52.5 ou 42.5 R ? 42.5 ou 32.5 R -? 32.5 7.3 Environnement Les normes béton nationales, basées sur le futur projet de norme européenne, imposent aussi un choix et un dosage en ciment en fonction des conditions du milieu dans lequel sera placé le béton. Elles couvrent l’ensemble des environnements auxquels les constructions sont exposées et définiront :

? la formulation du béton ? la cure nécessaire ? le ciment adapté

pour chaque type d’environnement :

? sec ? humide sans ou avec gel ? en milieu marin, avec ou sans marnage, avec ou sans gel ? en présence d’agent agressif (acide, sulfate, marin, produits chimiques, ...)

77

Chapitre I I I

La composition chimique des clinkers

?

1 Introduction Le clinker est une roche artificielle utilisée comme matière première dans la fabrication des :

? ciment Portland et des ciments composés répondant à des normes nationales ou internationales

? des ciments particuliers répondant à des spécifications particulières. Ce clinker est acheté localement ou sur le marché mondial. Il est souvent élaboré directement dans la cimenterie dans un atelier appelé clinkérie, situé en amont de l’atelier de broyage. Un mélange de roches calcaires dures ou tendres et d’autres silico-alumineuses sont introduites sous forme de poudre, de pâte ou sous une forme intermédiaire dans une installation de cuisson. Le mélange progressivement déshydraté, décarbonaté et calciné, entre enfin, entre 1200 et 1500°c, en fusion partielle. Cette phase s’appelle clinkérisation. La matière produite, le clinker Portland, est refroidie rapidement tandis que les fumées sont épurées par les électrofiltres. Par le dosage précis de matières premières et le contrôle de la cuisson, le clinker Portland répond à des critères précis qui lui procurent la réactivité optimale dans un domaine choisi. L’objectif du processus de cuisson est de transmettre à la matière à cuire, pour une qualité donnée du cru, la quantité de chaleur qui assure la qualité désirée du produit cuit en vue de fabriquer des ciments hydrauliques suivant les spécifications des normes et de la clientèle en :

? minimisant les coûts de production ? optimalisant le débit du produit de cuisson ? minimisant la dépense d’énergie ? minimisant les variations de qualité.

2 Critères chimiques et minéralogiques du clinker Dans le four, le mélange cru après séchage et décarbonatation arrive sous la forme de poudre ou de petites granules dans la zone de cuisson. Les réactions chimiques commencent sous l’effet de la température. L’oxyde de fer se combine à l’oxyde d’aluminium et à l’oxyde de calcium pour former l’aluminoferrite tétracalcique (C4AF). L’alumine restante réagit avec de l’oxyde de calcium pour former l’aluminate tricalcique (C3A). Ces 2 composants forment la phase liquide. Les oxydes de silicium et de calcium réagissent ensemble pour former le silicate bicalcique (C²S) qui, lui-même, se transforme en silicate tricalcique tant qu’il reste de l’oxyde de calcium non combiné. A la sortie du four, l’oxyde de calcium non combiné s’appelle chaux libre.

?

74

La magnésie ne réagit pas avec les autres constituants. Elle cristallise sous forme de périclase ou reste en solution solide dans la phase liquide. Les alcalis et les sulfates forment des sulfates alcalins ou réagissent avec l’aluminate tricalcique pour donner des cristaux d’alcali aluminate. Les métaux lourds peuvent remplacer le fer dans certains cristaux. Une variation des constituants principaux (oxydes de calcium, de silicium, de fer et d’aluminium) ou des éléments mineurs et secondaires (alcalis, sulfate, titane, phosphate, fluor, ...) modifie d’une part l’aptitude à la cuisson du mélange cru et d’autre part les caractéristiques hydrauliques du clinker produit. De nombreux savants ont étudié la chimie du clinker Portland et la composition chimique est maintenant bien connue (tableau 1). Par contre, la minéralogie du clinker n’a pas encore livré tous ses secrets (tableau 2). Des travaux de Le Chatelier, Michaelis, Lea et Parker, Rankin et Wright, Kühl, Bogue, ..., il est établi que le clinker est principalement constitué en proportions variables de :

? Silicate tricalcique 3 CaO SiO² ou C³S ? Silicate bicalcique 2 CaO SiO² ou C²S ? Aluminate tricalcique 3 CaO Al²O³ ou C³A ? Aluminoferrite tétracalcique 4 Ca0 Al²O³ Fe²O³ ou C4AF

Tableau 1 : Composition chimique de clinker

Minimum Maximum Perte au feu 0.2 1.1

SiO² 20.0 24.3 Al²O³ 3.7 7.1 Fe²O³ 1.7 5.7 CaO 61.0 68.1 MgO 1.7 4 SO³ 0.05 1.3 K²O 0.05 1.4 Na²O 0.05 0.7 TiO² 0.15 0.4

Mn²O³ 0.05 1.2 P²O5 0.05 0.6

Cl 0 0.1 F 0.01 0.3

CaO libre 0.6 2.8 Module silicique 1.8 3.9

Module aluminoferrique 0.7 2.8 Indice de saturation 84.8 100.8

Lors de la formation du clinker, les oxydes principaux apportés par les matières premières se combinent entre eux pour former d’autres minéraux :

Entre 600 et 1100°c

? Al²O³ 2 SiO² 2 H²O + 5 CaCO³ ? CA + 2 C²S + 2H²O ? + 5 CO² ? ? Fe²O³ + 2 CaCO³ ? C²F + 2 CO² ? ? SiO² + 2 CaCO³ ? C²S + 2 CO² ? ? CaCO³ ? C + CO² ?

?

75

Entre 1200 et 1450°c

? C²F + CA + C ? C4AF ? CA + 2 C ? C³A ? 2C + S ? C²S ? C²S + C ? C³S

Tableau 2 : Composition minéralogique de clinker

Minimum Maximum

Alite C³S 45.0 79.7 Bélite C²S 5.7 29.8

Aluminate C³A 1.1 14.9 Aluminoferrite C4AF 2.0 16.5

Périclase MgO 0 5.8 Chaux libre CaO 0.6 2.8

Ces composants minéralogiques sont accompagnés d’éléments mineurs tels que chaux libre (CaO libre), périclase (MgO), alcalis, métaux lourds, ..., qui influencent la qualité du clinker produit. Sur mortier ISO la composition du clinker modifie la rhéologie, les résistances initiales et finales, et la durabilité (tableau 3). Les formules de Bogue sont utilisées mondialement pour calculer la composition minéralogique d’un clinker ou d’un ciment Portland. Ce calcul fait l’hypothèse de la formation de réseaux cristallins bien définis, sans aucune inclusion étrangère, et ne tient pas compte des oxydes secondaires apportés par les matières premières. Pour un clinker Portland ordinaire, la composition minéralogique est définie par les formules suivantes et calculée à partir de la composition chimique. Clinker ordinaire :

? C³S = 4.07 x CaO - 7.6 x SiO² - 6.72 x Al²O³ - 1.43 x Fe²O³ ? C²S = 2.87 SiO² - 0.75 x C³S ? C³A = 2.65 x Al²O³ - 1.69 x Fe²O³ ? C4AF = 3.04 x Fe²O³

Clinker sans C³A :

? C³S = 4.07 x CaO - 7.6 x SiO² - 4.48 x Al²O³ - 2.86 x Fe²O³ ? C²S = 2.87 SiO² - 0.75 x C³S ? C4AF = 4.77 x Al²O³ ? C²F = 1.70 x Fe²O³ - 2.67 x Al²O³

Lorsque les valeurs calculées pour C²S sont négatives, le clinker contient du C³S associé à de la chaux libre :

? C³S = 3.80 x SiO² ? CaO libre = CaO - 2.80 x SiO² - 1.65 x Al²O³ - 0.35 x Fe²O³

?

76

Dans le cas d’un ciment Portland les formules sont intégralement appliquées en tenant compte de la chaux non-combinée ou présente dans le régulateur de prise ou de la silice non combinée (résidu insoluble) :

? CaO = CaO totale - CaO libre – 0.7 x SO³ ? SiO² = SiO² totale – Résidu Insoluble

Tableau 3 : Influence de la composition minéralogique du clinker sur les

propriétés du ciment Portland en mortier ISO Besoin en

eau Temps de

prise Résistance

initiale Résistance

finale Durabilité

C³S - - ? ? ? ? C²S - - ? ? ? ? C³A ? ? ? ? ? ? ?

C4AF - - ? ? - K²O, Na²O ? - ? ? ?

SO³ - ? ? ? - P²O5 - ? ? - -

3 Performances des ciments et composition chimique du clinker En pratique, la proportion des principaux constituants du clinker se calcule sous la forme de rapports, de modules ou d’indices chimiques, résultats des études de nombreux savants sur les mécanismes de formation et de réaction du clinker Portland. 3.1 Module hydraulique de Michaelis

? HM = CaO / ( SiO² + Al²O³ + Fe²O³ ) Le Module hydraulique de Michaelis est compris entre 1.7 et 2.3 3.2 Module silicique de Kühl

? SM = SiO² / (Al²O³ + Fe²O³) Le module silicique de Kühl est compris entre 1.5 et 5. Une valeur élevée correspond à une valeur élevée de silice au détriment des agents fondants. Une valeur faible provoque un croutage excessif dans la zone de clinkérisation et nuit à la bonne marche du four. 3.3 Module aluminoferrique de Kühl

? TM = Al²O³ / Fe²O³ Le module aluminoférrique de Kühl est compris entre 1.5 et 2.5.

?

77

3.4 Indice d’hydraulicité de Vicat

? HI = ( [SiO²] + [Al²O³] ) / ( [CaO] + [MgO] ) Les composants sont exprimés en moles et non en pour-cent. L’indice d‘hydraulicité de Vicat est compris entre 0.4 et 0.5. 3.5 Indice de saturation de Kühl

? LSI = CaO / (2.8 x SiO² + 1.1 x Al²O³ + 0.7 x Fe²O3) L’indice de saturation de Kühl est compris entre 0.85 et 1. 3.6 Facteur de saturation de Lea Parker

? LSF = CaO / (2.8 x SiO² + 1.18 x Al²O³ + 0.65 x Fe²O³ ) Le facteur de saturation de Lea et Parker est compris entre 0.85 et 1.0. Il se présente aussi sous la forme

? LSF = 100 x CaO / (2.8 x SiO² + 1.18 x Al²O³ + 0.65 x Fe²O³ ) Il est alors compris entre 85 et 100. Ce module exprime le rapport entre la chaux présente dans le mélange et la quantité de chaux qui peut être liée dans le clinker. Le standard de chaux permet de connaître le comportement du mélange à la cuisson et de prévoir la qualité du ciment. Plus le standard de chaux est élevé, plus les résistances du ciment le seront aussi, et plus la cuisson sera difficile et nécessitera un accroissement de la consommation calorifique nécessaire à la cuisson. Par ailleurs, un standard en chaux élevé influe négativement sur la stabilité de volume du ciment hydraté (teneur en chaux libre).

Tableau 4 : Critères chimiques de composition du clinker Inférieur ou égal Plage de variation acceptable Supérieur ou égal

? Résistances initiales faibles

1.5

Module hydraulique

2.5

? Stabilité de volume, gonflement

? Diminution de la température de clinkérisation

? Prise et durcissement rapide

? Favorise le croûtage

1.5

Module silicique

3.5

? Cuisson difficile par manque de fondant

? Prise durcissement lent

? Diminution du croûtage dans le four

? Faible chaleur d’hydratation

? Ciment sans C³A

1.5

Module

aluminoferrique

2.5

? Prise rapide ? Ciment alumineux

? Faible dégagement de chaleur

0.85

Indice de saturation

0.95

? Résistances initiales élevées

? Hautes résistances finales

?

78

La longue pratique industrielle de fabrication du clinker Portland a fixé les limites de variation des différents indices (tableau 4). Ces indices sont en règle générale préférés aux critères de composition chimique car ils offrent l’avantage d’exprimer les plus importants critères chimiques sous la forme d’un ratio. Il n’y a pas de formule idéale ou de formule universelle pour le clinker. La composition du ciment Portland varie d’une cimenterie à l’autre principalement à cause des spécifications locales du ciment et de la composition chimique et minéralogique des matières premières de l’usine. Chaque fabrication est un cas particulier et produit un clinker unique.

4 Performances des ciments et éléments mineurs du clinker A côté de ces indices ou modules qui dépendent uniquement des éléments principaux, la teneur du clinker en éléments mineurs est aussi importante :

? une teneur en magnésie trop élevée entraîne des gonflements importants plusieurs années après la mise en place du béton

? une teneur en phosphate trop élevée retarde le temps de prise du mortier ? les sulfates alcalins influencent parfois favorablement, parfois défavorablement le

niveau des résistances à la compression ? les oxydes de manganèse et de chrome doivent être évités pour la fabrication du

ciment blanc ou pour les possibilités d’eczéma du ciment. 4.1 Chaux libre Lorsque le facteur de saturation en chaux est supérieur à 100 %, il y a déséquilibre entre les constituants. Toute la chaux ne peut être saturée et reste sous la forme de chaux non combinée ou chaux libre. La chaux libre est un paramètre essentiel pour juger de la qualité et du degré de cuisson du clinker. Des clinkers bien cuits résultants d’un cru bien dosé et de bonne granulométrie présentent des teneurs inférieures à 2 %. Des augmentations de la teneur en chaux libre peuvent provenir d’un dérèglement du processus de cuisson ou d’un manquement dans la préparation du cru :

? facteur de saturation en chaux (LSF) trop élevé ? broyage grossier ou hétérogénéité de la farine ? assimilation insuffisante des cendres injectées à la tuyère ? température de cuisson insuffisante ? décomposition de l’alite provoquée par une surcuisson ou un refroidissement trop

lent du clinker ? conditions réductrices dans la zone de cuisson

4.2 Eléments mineurs Les éléments mineurs influencent le processus de cuisson et les performances du clinker fabriqué.

?

79

Tableau 5 : Principales sources des éléments mineurs, effets sur le clinker

Sources Effet sur clinker Effet sur ciment As Cendres volantes, huiles

usées, charbon Volatile, se retrouve dans les poussières, réduit la formation

du C³S

En traces, effet non mesurable

B Matières premières, minerais de fer

Décompose C³S en C²S et CaO libre

B²O³ est retardateur

Ba Matières premières Réduit la température de clinkérisation

Active l’hydraulicité, augmente les résistances

Br Cendres volantes Volatile se retrouve dans les émissions

Accélérateur du C³S

Cd Cendres volantes, schiste, peintures

Améliore l’aptitude à la cuisson, volatile

Agent retardateur sous forme d’oxyde

Cl Laitier, charbon, fuel Volatiles, cycles Cl et anneaux

Corrosion des armatures, accélère l’hydratation

Co Cendres volantes, résidus d’huile

Augmente la dureté Augmente la demande en eau, réduit l’hydraulicité et

les résistances Cr Bauxite, laitier, pneus,

charbon, réfractaires Améliore la broyabilité, effet

sur la teinte Augmente les résistances initiales, effet sur la teinte

Cu Cendres volantes, schiste, huiles lubrifiantes, pneus

Réduit la température de fusion, formation de CaO l

Effet retardateur, réduit l’expansion due au sulfate

F Calcaire, fuel Minéralisateur, favorise la formation du C³S

Augmente les résistances initiales

I Charbon Volatile, se retrouve dans les émissions

Accélérateur du C³S

Li Inhibe la conversion du C²S en C³S, minéralisation

intensive

Réduit la réaction alcali-silice dans les bétons

Mn

Calcaire, argile, bauxite, cendres volantes, laitier

Effet sur la teinte Réduit les résistances initiales

Ni Cendres volantes, coke de pétrole, schistes, pneus,

charbons

Volatile se retrouve dans les poussières, stabilise la forme

monoclinique de l’alite

Accélérateur, améliore les résistances

P Matières premières, craie calcaire

Décompose le C³S Ralentit la prise

Pb Matières premières, cendres volantes, schiste,

pneus

Volatile se retrouve dans les poussières

Retarde l’hydratation mais n’influence pas les résistances finales

S Pyrite, laitier, charbon, pneus, coke de pétrole,

huiles lubrifiantes

Volatiles, concrétions, cycles dans le four, émissions de

SO², sulfates alcalins

Régulateur de prise, expansion

Sr Calcaire, laitier Favorise l’alite en petite quantité ou la décompose en

grande quantité

Expansion, faible hydraulicité, le chlorure est

un accélérateur Ti Bauxite, laitier, minerais de

fer Décompose l’alite, réduit la

température de cuisson Ralentit la prise initiale,

augmente les résistances V Cendres volantes, coke de

pétrole, charbon, huiles Augmente la taille des alites,

broyabilité et teinte Augmente l’hydraulicité

Zn Laitier, pneus, huile usée Améliore la clinkérisation Adjuvant retardateur

?

80

4.2.1 Influence sur le processus Les alcalis, les sulfates et les halogènes contenus dans les matières premières introduits avec les matériaux argileux ou avec les fondants, sont expulsés dans les gaz du four pendant la calcination et la clinkérisation. Ils se condensent par la suite dans les zones plus froides en amont du four et dans les poussières récupérées dans les filtres chargés de purifier les fumées avant d’être rejetées dans l’atmosphère. Une partie de ces éléments volatils s’échappent malgré tout du four par les fumées et polluent l’atmosphère. Les éléments volatils (alcalins, sulfate et chlorure) provoquent des collages dans le système de cuisson et entraînent des dépôts. Ils contrarient les écoulements de matières et de gaz et nécessitent parfois des arrêts des installations. Pour les farines riches en éléments volatils, un by-pass est nécessaire pour éviter ces perturbations en prélevant une partie des gaz chauds chargés des éléments volatils. 4.2.2 Influence sur la qualité du clinker Les éléments volatils, alcalis et soufre, sont parfois piégés et évacués du four avec le clinker. Ils se condensent alors dans les minéraux du clinker, principalement dans l’aluminate tricalcique, et améliorent les propriétés et performances des ciments fabriqués. Dans les éléments mineurs, les alcalins sont très importants pour leur influence sur les propriétés du ciment (chapitre II, chapitre III fig 21 et 22). Ils augmentent les résistances initiales du ciment. En forte concentration, ils peuvent, par leurs réactions avec des granulats contenant une silice mal cristallisée, diminuer fortement la durabilité des ouvrages en béton. Les alcalis sont souvent exprimés sous la forme alcalis équivalents ou Na²Oeq pour prendre en considération la différence de poids moléculaire du sodium et du potassium :

? Na²Oeq = Na²0 + 0.658 x K²O Les oxydes secondaires récupérés dans les poussières de fours influencent le processus de cuisson lorsqu’elles sont réintroduites dans le four via la tuyère, ou la qualité du ciment lorsqu’elles sont utilisées comme constituants secondaires (chapitre II 3). De nombreux autres constituants chimiques sont introduits dans le processus du four et se retrouvent finalement en grande partie dans le clinker. Leur concentration varie du ppm au dixième de pour cent. Ils sont connus sous l’appellation d’éléments mineurs (tableau 5).

5 Impositions chimiques des normes Les normes et contraintes techniques de fabrication limitent le pourcentage de certains éléments dans le ciment fini et dans le mélange cru. Tout ciment fabriqué doit se conformer aux impositions nationales et internationales en vigueur dans le pays. Le ciment doit aussi respecter certaines caractéristiques exigées par le futur utilisateur qui induisent normalement des spécifications chimiques pour le clinker. Quelques exemples de choix de matières premières sont donnés dans le tableau 6.

?

81

Tableau 6 : Choix des matières premières en fonction des impositions chimiques pour ciments normalisés ou particuliers

Critère du ciment Portland Concentration usuelle dans le clinker (%)

Influence sur les matières premières

MgO < 5 % suivant spécifications locales

? Réduire la proportion de calcaire dolomitique dans la farine du four

Ciment Portland à faible

teneur en alcalis

Na²Oeq = Na²O+0.658xK²O

< 0.6 %

? Choisir des matériaux avec des teneurs en alcalis très faibles pour la fabrication du ciment Low Alcali

Ciment à faible teneur en

C³A < 8 %

< 3 %

? Choisir matériaux avec faible concentration en alumine

? Compenser alumine par un apport en fer

? Surveiller l’apport de sulfate dans le clinker

Chlore < 0.1 % ? Surveiller l’apport de

chlore dans le clinker

Ciment blanc Fe²O³ et autres oxydes

métalliques

< 0.3 % ? Utilisation de calcaire de très haute pureté

? Eliminer toutes les sources de fer

Il ne faut pas non plus oublier que la chimie joue un rôle important sur les équipements de préparation du cru et de cuisson :

? l’aragonite (CaCO³) sur l’élévation de la consommation énergétique lors du broyage séchage

? le quartz sur le broyage et la stabilité du collage dans le four ? l’argile sur la rhéologie de la pâte, l’aptitude à la cuisson, le dégagement de

poussières ? les matières premières cristallisées sur la dégradation de la réactivité de la farine

6 Contrôle des procédés de fabrication et d’homogénéisation du clinker Il n’y a pas de mode opératoire universel pour évaluer la qualité du clinker. Il existe cependant de nombreuses techniques mises au point par les cimentiers du début du siècle. Ces méthodes sont maintenant perfectionnées avec la mise au point d’analyseurs modernes et l’utilisation de l’outil informatique. La fréquence des contrôles décrits dans les paragraphes suivants est différente dans les usines. L’exploitation de ces analyses dépend des conditions locales au niveau des matières premières et du procédé. Par exemple :

?

82

? une analyse de la teneur en sulfate dans la farine au bas de la tour avec une

fréquence de 2 heures est parfois nécessaire pour la surveillance d’un procédé en voie sèche

? l’analyse chimique du clinker n’apporte aucun renseignement complémentaire lorsque la cimenterie n’utilise pas de combustibles cendreux à la tuyère

? la détermination du K²O permet dans certaines conditions d’anticiper les variations de la teneur en chaux libre du clinker

? … A ce stade la collaboration du laboratoire et des services de production doit être totale car la qualité du clinker dépend de la chimie et de la cuisson de la farine. 6.1 Densité apparente du clinker Cette méthode connue généralement sous le nom de poids du litre consiste à mesurer le poids d’un litre d’une fraction granulométrique du clinker. Pour chaque four, il existe une corrélation particulière entre le poids du litre et la teneur en chaux libre du clinker. Par exemple la corrélation entre le poids du litre du clinker et la teneur en chaux libre est différente pour les 2 fours de l’usine d’Obourg, en Belgique, alimentés par le même cru (figure 7).

6.2 Analyse chimique L’analyse chimique consiste à déterminer la proportion des oxydes principaux (SiO², Al²O³, Fe²O³, CaO) et secondaires (CaO libre, Alcalis, ....). Elle est exprimée sur matières sèches ou matières calcinées et doit être complétée par la détermination de la perte au feu. Les méthodes volumétriques et gravimétriques sont maintenant remplacées par des techniques analytiques qui utilisent les derniers perfectionnements de la technique (conductimètre, fluorescence et diffraction des rayons X, spectrométrie d’absorption atomique ou infra rouge, torche plasma, ...). La détermination de la chaux libre est particulièrement importante pour juger le degré de cuisson et la qualité du clinker. 6.3 Analyse minéralogique Les modules chimiques et la composition minéralogique sont généralement calculés à partir de l’analyse chimique du clinker. La composition minéralogique (C³S, C²S, C4AF, C³A, CaO libre) peut être déterminée d’une manière semi-quantitative par diffraction des rayons X ou par une analyse modale microscopique. 6.4 Propriétés physico-chimiques du clinker Les propriétés physico-chimiques du clinker sont évaluées sur un ciment de laboratoire composé de 95 % du clinker à tester et de 5 % de gypse de référence. Ce ciment de laboratoire est broyé à temps ou à finesse constante pour évaluer aussi sa broyabilité. 6.5 Choix de la méthode de contrôle Le chimiste choisit les grandeurs chimiques et physiques nécessaires pour un suivi de la production en fonction des objectifs fixés et des performances obtenues. Il établit des tableaux de données reprenant les résultats représentant la production à un moment donné (échantillon instantané ou ponctuel) ou une période de production (échantillon moyen). A partir des résultats individuels, il calcule pour sur des périodes fixes (journalière,

?

83

hebdomadaire, mensuelle, annuelle) les caractéristiques de la production avec les paramètres de :

? valeur moyenne X m = ( 1 / N ) x ? ni ( X i )

? dispersion ? ² = [1 / (N - 1 )] x ? n

i ( X i - X m )²

? écart type ? = ? ( ? ² ) 6.6 Interprétation des résultats d’un contrôle journalier d’un four Il est intéressant pour une cimenterie d’instaurer un contrôle journalier de la production du four. Le contrôle chimique n’est pas suffisant : une composition chimique correcte n’est pas une certitude absolue de qualité du clinker car elle peut simplement signifier que la composition de la farine est correcte.

Tableau 8 : Caractéristiques chimiques annuelles du four (308 mesures)

LSF (%)

C³S (%)

C²S (%)

C³A (%)

C4AF (%)

CaO L (%)

K²O (%)

SO³ (%)

P²O5 (%)

Moyenne 97.5 66.1 10.2 9.1 11.1 2.0 0.49 0.38 0.40 Maximum 101.5 76.8 21.9 13.2 13.2 4.8 0.67 0.85 0.50 Minimum 93.1 51.9 1.4 7.32 9.1 0.3 0.30 0.22 0.33

E type 1.3 3.3 3.0 0.8 0.7 0.7 0.06 0.10 0.03 Coeff var 1.3 5.0 29.4 8,7 6.2 34.2 12.7 23.9 6.8

Pour juger de la marche du four, le contrôle chimique doit être accompagné de mesures sur ciment de laboratoire toujours préparé dans les mêmes conditions (composition et conditions de broyage). Les tableaux 8 et 9 résument les résultats les plus importants que l’on peut obtenir à partir de ce contrôle journalier et les corrélations significatives qui existent entre les différents paramètres mesurés (figures 10 à 24).

Tableau 9 : caractéristiques rhéologiques et mécaniques annuelles du four (308 mesures)

Blaine (cm²/g

Stab (mm)

Dbt prise (min)

Fin prise (min)

Eau (%)

RC 2j (MPa)

RC 28 j (MPa)

Moyenne 3485 3.7 105 184 22.7 22.6 62.0 Maximum 3841 56 150 310 23.8 30.9 68.4 Minimum 3338 0 70 120 22.0 15.1 45.7

E type 78 7.8 15.8 33 0.25 2.5 3.8 Coeff var 2.2 210 14.9 18.3 1.1 11.2 6.1

Corrélation entre les résistances initiales et finales (tableau 10)

?

84

Contrôles de fabrication du clinker

40

50

60

70

80

15 20 25 30 35RC 2j (MPa)

RC

28j

(MP

a)

Tableau 10

Pour ce four, il y a une bonne corrélation entre les résistances initiales et finales. Il s’agit d’un four en voie humide (résistances initiales réduites, résistances finales élevées).

?

85

Influence du LSF sur les résistances à la compression d’un ciment de laboratoire

(figures 11 et 12)


15

20

25

30

35

90 95 100 105LSF (%)

RC

2j (

MP

a)

Figure 11


40

50

60

70

80

90 95 100 105LSF (%)

RC

28j

(MP

a)

Figure 12

Dans la plage de variation observée, le LSF influence favorablement la résistance initiale et reste sans grand effet sur la résistance finale.

?

86

Influence du C³S sur les résistances à la compression d’un ciment de laboratoire (figures 13 et 14)


15

20

25

30

35

50 55 60 65 70 75C³S (%)

RC

2j (

MP

a)

Figure 13


40

50

60

70

80

50 55 60 65 70 75C³S (%)

RC

28j

(MP

a)

Figure 14

Le C³S est favorable au développement des résistances initiales et n’influence pratiquement pas les résistances finales. En fait, le C³S est parfaitement corrélé avec le facteur de saturation.

?

87

Influence du C²S sur les résistances à la compression d’un ciment de laboratoire (figures 15 et 16)

Une augmentation du C²S (ou une réduction du C³S) est défavorable au développement initial des résistances. Par contre à 28 jours, l’augmentation du C²S compense la diminution du C³S.

?

88

Influence du C³A sur les résistances à la compression d’un ciment de laboratoire (figures 17 et 18)


15

20

25

30

35

6 8 10 12 14C³A (%)

RC

2j (

MP

a)

Figure 17


40

50

60

70

80

6 8 10 12 14C³A (%)

RC

28j

(MP

a)

Figure 18 Dans les conditions d’essais, l’influence du C³A sur les résistances n’est pas mis en évidence. Les résistances à 24 heures ne sont pas mesurées.

?

89

Influence de la chaux libre sur les résistances à la compression d’un ciment de laboratoire (figures 19 et 20)


15

20

25

30

35

0 2 4CaO libre (%)

RC

2j (

MP

a)

Figure 19


40

50

60

70

80

0 1 2 3 4 5CaO libre (%)

RC

28j

(MP

a)

Figure 20

La chaux libre est un facteur défavorable pour le développement des résistances. Une augmentation de la chaux libre est le signe d’une dégradation de la qualité de la cuisson.

?

90

Influence des alcalis sur les résistances à la compression d’un ciment de laboratoire (figures 21 et 22)


15

20

25

30

35

0,2 0,4 0,6 0,8K²O (%)

RC

2j (

MP

a)

Figure 21


40

50

60

70

80

0,2 0,4 0,6 0,8K²O (%)

RC

28j

(MP

a)

Figure 22 Les alcalis sont favorables au développement des résistances initiales et contrarient les résistances finales.

?

91

Influence des sulfates du clinker sur les résistances à la compression d’un ciment de laboratoire (figures 23 et 24)


15

20

25

30

35

0,2 0,4 0,6 0,8SO³ (%)

RC

2j (

MP

a)

Figure 23


40

50

60

70

80

0,2 0,4 0,6 0,8SO³ (%)

RC

28j

(MP

a)

Figure 24 Le comportement du sulfate apporté par le clinker est identique au comportement des alcalis.

7 Les économies d’énergie L’industrie mondiale du ciment met l’accent de façon croissante sur une amélioration de la productivité par la réduction des coûts de fabrication du clinker et du ciment tout en maintenant la qualité du produit fini par l’utilisation de moyens de production de plus en plus performants et par le suivi de la qualité des produits à l’aide de systèmes de contrôle informatisés et automatiques. Une autre approche consiste à travailler sur les matières premières 7.1 Les minéralisateurs et les fondants L’obtention d’une bonne aptitude à la cuisson (voir chapitre 4) à cause d’une saturation en chaux élevée ou de matières premières peu réactives, a conduit à l’utilisation de composés

?

92

dits minéralisateurs. Dès 1882, l’utilisation de fluorure de calcium est signalée comme agent fondant facilitant la cuisson du clinker Portland. L’utilisation de minéralisateurs pour obtenir une meilleure réactivité du mélange cru a été appliquée, ces derniers temps, par de nombreuses usines au Mexique et en Inde. Le minéralisateur réduit la consommation calorifique et/ou augmente le débit du four et/ou améliore la qualité du clinker. Il est particulièrement indiqué pour la production de clinker Portland avec un facteur de saturation et un module silicique élevés. Le processus complexe de réaction du minéralisateur qui dépend des caractéristiques chimiques de la farine, n’est pas encore parfaitement connu. En présence de spath fluor, la silice et le carbonate de calcium forment une combinaison silicocarbonatée, 2[2CaO.SiO²]CaCO³ la spurrite, qui favoriserait la transition entre le silicate bicalcique et le silicate tricalcique à des températures inférieures à la normale. D’une manière générale, le minéralisateur accélère une ou plusieurs étapes du processus de fabrication du clinker :

? accélération de la décomposition du CaCO³ ? accélération des réactions à l’état solide ? augmentation de la quantité de phase fondue ? diminution de la température de formation du clinker fondu ? influence sur l’activité hydraulique des phases du clinker.

Ces minéralisateurs sont généralement des sels de fluor (spath fluor). Une teneur de 0.2 % sur clinker augmente la production du four de l’ordre de 5 % tout en maintenant la chaux libre sous le pour cent. Le ciment produit avec ce clinker est caractérisé par un niveau de résistance à la compression plus élevé que celui du ciment ordinaire. Il est donc possible de produire un clinker à une température de cuisson plus basse avec des résistances à la compression comparables à celles du ciment ordinaire. Le gypse, l’anhydrite, les matières phosphatées ou les laitiers métallurgiques sont d’autres types de minéralisateur. Les scories d’aciérie LD jouent aussi un rôle intéressant dans ce domaine. Elles apportent par la tuyère du fer et du C²S. Elles modifient la phase liquide dans le four et abaisse la consommation calorifique (10 calories par pour cent de scories). 7.2 Les matériaux de substitution Le recyclage des déchets d’autres industries est facilité par les réactions chimiques qui se produisent entre les composants minéraux de ces déchets et les composants minéraux de la farine. Le clinker retient les éléments nocifs sous une forme combinée et solide (tableau 25). Lors de l’utilisation de matériaux de substitution, des précautions particulières doivent être prises pour la protection de l’environnement au niveau des fumées. Une attention particulière doit aussi être portée à la qualité du clinker qui se charge en métaux lourds. L’utilisation de matériaux de substitution nécessite la mise en place d’un procédé de contrôle particulier pour gérer l’introduction des métaux lourds avec les matières premières et leur distribution dans les fumées, les poussières et le clinker produit par le four. Le four de cimenterie est un incinérateur performant des déchets organiques tandis que les métaux lourds sont englobés dans les minéraux du clinker et encapsulés dans les hydrates produits dans les bétons.

?

93

Tableau 25 : Les matériaux de substitution Matériaux cendreux Combustibles

cendreux Combustibles

liquides Combustibles

gazeux ? Laitier ? Cendres

volantes ? Boue de sciage

? Boue de papeterie

? Coke de pétrole ? Résidus de

plastic ? Ordure

ménagère ? Pneus ? Sciures

imprégnées

? Déchets organiques

? Solvants ? Huile usagée ? Résidus de

peinture ? Déchet

d’asphalte

? Gaz de décharge ? Gaz de pyrolyse

?

94

Chapitre I V

La composition chimique du cru

1 Introduction Le clinker est obtenu par cuisson à 1450°c d’un mélange homogène, bien défini, de calcaire et d’argile. Cette définition théorique se rencontre rarement dans les cimenteries modernes. Le calcaire ou la craie est le matériau commun à toutes les unités modernes de production. L’argile est remplacée ou complétée par un ensemble de matières premières apportant silice, alumine et fer : laitier de haut fourneau, cendres volantes, schiste, sable, résidu de pyrite, bauxite .... Les processus de fabrication diffèrent sans doute au niveau du procédé mais les réactions chimiques de calcination et de clinkérisation sont identiques. Toutes les unités de fabrication comportent des équipements de

? de préhomogénéisation des matériaux en carrière ? de dosage et de broyage des constituants ? d’homogénéisation de la farine broyée pour alimenter le four.

Ces opérations sont automatisées au niveau de la technique de fabrication et du contrôle de laboratoire. Le cimentier mélange plusieurs matériaux de composition chimique (tableau 1) ou de composition minéralogique (tableau 2) différentes pour préparer le cru destiné à la fabrication du clinker.

Tableau 1 : Composition chimique de mélanges « cru » Moyenne Ecart-type Minimum Maximum Exemple

Perte au feu 35.85 0.81 33.80 39.10 39.10 SiO² 14.04 1.00 9.10 16.00 9.10 Al²O³ 3.05 0.59 2.00 4.50 2.60 Fe²O³ 1.81 0.58 1.00 3.80 2.20 CaO 42.75 1.05 39.00 45.20 45.20 MgO 1.25 0.64 0.50 4.00 0.50 SO³ 0.34 0.25 0.06 1.06 0.46 K²O 0.59 0.26 0.07 1.40 0.45 Na²O 0.16 0.10 0.04 0.60 0.10 TiO² 0.16 0.04 0.10 0.83 0.12

Mn²O³ 0.12 0.10 0.07 0.50 0.10 P²O5 0.11 0.08 0.03 0.50 0.22

Cl 0.03 0.04 0.01 0.20 0.02 F 0.06 0.04 0.01 0.24 0.07

Cr²O³ 0.02 0.01 0.01 0.03 0.03 SrO 0.07 0.06 0.01 0.33 0.03

C 9.63 0.53 9.04 12.27 12.27 CaCO³ 76.84 1.53 72.30 81.50 79.80

114

Tableau 2 : Composition minéralogique de mélanges « cru »

Formule Minimum Maximum Calcite CaCO³ 4 80

Aragonite CaCO³ orthorhombique 0 74 Dolomie CaCO³ MgCO³ 0 5 Ankerite 2CaCO³ MgCO³ FeCO³ 0 8 Quartz Si(SiO4) rhombique 1 12

Tridymite SiO² orthorhombique 0 1 Cristobalite SiO² cubique 0 5

Pyrite FeS² 0 1 Hématite 3Fe²O³ 3H²O 0 3 Magnétite Fe³O4 0 2 Goethite Fe²O³ H²O 0 1 Boehmite Al²O³ H²O 0 2 Bayerite Al(OH)³ 0 1 Sidérite FeCO³ 0 1 Fluorine CaF² 0 1

Microcline (K,Na)²Al²Si6O16 0 2 K feldspath K²OAl²O³6SiO² 0 4

Albite Na²OAl²O³6SiO² 0 4 Na feldspath (Na²,Ca)O2Al²O³10SiO² 0 6

Amorthite Al²Ca(SiO4)² 0 5 Actinolite Ca²(MgFe)5(OH)²(Si4O11)² 0 1

Hédenbergite FeCa(SiO³)² 0 2 Riebeckite FeSiO³2FeNa(SiO³)² 0 1

Méta halloysite Al²Si²O5(OH)4 0 1 Kaolinite Al²O³2SiO²2H²O 0 8

Mica (K,Mg)0, Al²O³2SiO² 0 8 Pyrophyllite Al²H²(SiO³)4 0 1

Montmorillonite Al²Si4O12H²H²O 0 10 Chlorure Cl 0 6

Heulandite 6SiO²Al²O³(CaN²)05H²0 0 2 Anhydrite CaSO4 0 1

2 Calcul de la composition du cru à partir des caractéristiques du clinker 2.1 Les consignes de fabrication Avant de débuter une nouvelle fabrication ou de modifier la proportion d’un composant du mélange cru dans un processus établi, le chimiste doit définir des consignes de fabrication en fonction de la qualité et du type de ciment à produire. Généralement, les clinkers destinés à la fabrication d’un ciment à haute résistance initiale ou finale, à prise rapide, à faible chaleur d’hydratation, à faible concentration en C³A, …., n’ont pas les mêmes compositions et les mêmes indices chimiques. Ces différences de qualité et de composition de clinker se répercutent sur les caractéristiques à viser lors de la préparation de la farine en voie sèche ou de la pâte en voie humide. Les consignes de fabrication du mélange cru sont définies à partir des caractéristiques visées pour le clinker et dépendent aussi des paramètres de fonctionnement du four :

115

? les matières injectées à la tuyère du four qui apportent des calories, peuvent aussi introduire dans le four des cendres de combustibles qui modifient la composition finale du clinker

? les poussières, dégagées dans le four et récupérées dans les électrofiltres, peuvent être réinjectées via le cru ou la tuyère, être déviées vers les installations de broyage du ciment, être utilisées dans une application étrangère à la cimenterie (en agriculture par exemple) et influencer la chimie du clinker.

2.2 Consignes chimiques du cru identiques au consignes du clinker Lorsque toutes les matières premières cendreuses sont introduites dans le mélange cru et que toutes les poussières récupérées dans les électrofiltres sont réinjectées dans le four via la farine ou la tuyère, les consignes de fabrication du cru sont identiques aux consignes de fabrication du clinker. Toutes les matières introduites sous forme de farine ou de pâte se retrouvent intégralement dans le clinker. Le cimentier, dans ce cas, n’injecte que des calories à la tuyère du four. 2.3 Consignes chimiques du cru différentes des consignes clinker Il arrive bien souvent que les consignes imposées par la fabrication du cru ne permettent pas d’obtenir un clinker convenable sans addition supplémentaire (cendres de charbon, poussières d’électrofiltres, ...), ou retrait (poussières d’électrofiltres) de matières pendant la cuisson dans le four. Dans bien des cas, le chimiste calcule la composition du cru en fonction

? des consignes visées pour le clinker ? du mouvement des matières dans le four.

Quel que soit le procédé, la quantité de matières injectées dans le four, sous la forme de pâte ou de farine, est égale à la quantité de matières produites sous la forme de clinker et dégagées du four sous la forme de poussières ou de fumées. Il est évident que cette égalité ne se vérifie que pour un état uniforme des matériaux (brut, sec ou calciné). Ces matières, en fonction de leur tonnage et de leur composition chimique peuvent avoir un impact très important sur la chimie du clinker (tableau 3).

Tableau 3 : Mouvements des matières dans le four

Cendres de charbon, additions diverses Pâte, farine Four

Poussières injectées Poussières dégagées

Sur matières calcinées, le bilan de matières dans le four s’exprime suivant l’égalité :

116

Farine + Combustibles cendreux + Poussières de four injectées + Additions diverses =

Clinker + Poussières dégagées

3 Choix des matières premières en fonction des caractéristiques recherchées pour le clinker Avant de fabriquer, le chimiste étudie les possibilités de combiner les matières premières disponibles pour obtenir le clinker désiré. Si l’on se fixe par exemple une consigne de module silicique, la fabrication du clinker ne sera réalisable que lorsque au moins un module silicique d’un des constituants sera inférieur à la consigne, et lorsque au moins un module silicique d’un des constituants sera supérieur à la consigne. Quelle que soit la caractéristique utilisée pour calculer un mélange cru à partir de 2 composants ou plus, la caractéristique d’au moins un composant doit être égale ou inférieure à la consigne et la caractéristique d’au moins un autre composant doit être supérieure à la consigne. Dans le cas contraire, la production du mélange cru à la consigne visée, n’est pas réalisable. Une nouvelle matière première doit être recherchée pour répondre à l’objectif de fabrication.

Mélange cru réalisable Matériau 1 Consigne Matériau 2

< <

Mélange irréalisable Consigne Matériau 1 Matériau 2

< < Matériau 1 Matériau 2 Consigne

< < Pendant certaines périodes, la cimenterie est parfois amenée à utiliser des matières premières particulières :

? de l’argile de découverte d’une carrière ? un minerai reçu qui ne peut pas être stocké dans de bonnes conditions

Le choix des matières d’appoint doit alors être fait en conséquence. Pour des motifs économiques, le chimiste peut modifier les consignes de fabrication pour utiliser un matériau d’appoint particulièrement intéressant pour diminuer le prix de revient de fabrication par exemple.

117

4 Les analyses de caractérisation et de réception des matières premières La caractérisation et les contrôles de réception des matières premières jouent un rôle important dans le choix des matières premières et dans le calcul du mélange cru à fabriquer. 4.1 Caractérisation d’une nouvelle matière première pour la préparation du cru Le laboratoire doit être vigilant lors de l’introduction d’une nouvelle matière première dans le procédé de cuisson. Ce nouveau matériau peut perturber les phases de préparation du cru et de cuisson du clinker. Le nouveau matériau peut aussi détériorer la qualité du produit final. Des analyses granulométrique, chimique (majeurs et mineurs) et minéralogique sont nécessaires pour caractériser le nouveau matériau. Des essais d’aptitude à la cuisson complètent utilement les données recueillies par le laboratoire (voir paragraphe 7.1 de ce chapitre) pour mettre en évidence par exemple, les propriétés de broyabilité de ce nouveau matériau et sa réactivité (silice sous la forme de quartz, de silicate, de silice colloïdale, …). 4.2 Contrôles de réception des matières premières Les contrôles de réception des matières premières acceptées dans le processus sont plus légers. Ils sont souvent limités à la détermination d’une ou plusieurs caractéristiques de base du matériau (titre en carbonate d’un calcaire, titre en fer des minerais de fer). Ils sont destinés à mettre en évidence les valeurs moyennes et les variations des caractéristiques granulométrique, chimique et minéralogique du matériau pouvant influencer le procédé. Généralement, ces contrôles de réception servent aussi à établir la facturation des matériaux achetés à l’extérieur de l’entreprise. Lorsque les matériaux proviennent de régions éloignées, les coûts de transport sont importants et il est intéressant de fixer des limites (maximales ou minimales), et de contrôler leur respect par le producteur. Voici une liste non exhaustive de contrôles réalisés dans différentes situations :

? l’humidité d’une argile ou d’un matériau correcteur : pourquoi payer pour transporter de l’eau ?

? le titre en carbonate d’un sable argileux : pourquoi payer le transport de carbonate de calcium disponible à proximité de la cimenterie lorsque l’usine manque de matières siliceuses ?

? le titre en fer ou en alumine d’une matière de correction : c’est le fer ou l’alumine qui intéresse l’usine

? la teneur en soufre et le pouvoir calorifique d’un combustible dont le prix est fixé à la thermie

? …. 5 Méthodes de calcul du mélange cru Il n’existe pas une procédure universelle de calcul de la composition d’un cru. Toutes les fabrications sont des cas particuliers. Elles doivent cependant respecter quelques principes de base.

118

Dans tous les cas, le calcul de composition consiste à définir et à résoudre un système de n équations ou inéquations à m inconnues. Equations ou inéquations :

? bilan pondéral du cru

la somme des matériaux utilisés pour la fabrication

? consignes de fabrication viser une valeur précise, une valeur supérieure (ou inférieure), une plage pour le module silicique, un titre en carbonate, une teneur en fer, ....

Inconnues :

? Tonnage des différentes matières premières La quantité des différents matériaux qui constituent le cru. Ce système est résolu lorsque le nombre d’équations n est égal au nombre d’inconnues m et que les tonnages proposés par la solution sont positifs ou nuls. Dans toutes les autres situations, le chimiste ne peut résoudre le problème posé sans adapter une consigne ou introduire (ou supprimer) une matière première. 5.1 Détermination rapide d’un mélange à 2 composants On calcule rapidement la proportion de deux constituants d’un mélange grâce au titre en carbonate de calcium des 2 composants. Le rapport des deux différences entre la teneur en carbonate de calcium d’un constituant et la teneur en carbonate de calcium visée donne la proportion des deux constituants. Cette méthode rapide ne nécessite que la connaissance du titre en carbonate des constituants. Elle est utilisée pour un contrôle horaire ou journalier. Par contre la méthode n’est pas suffisante pour la mise au point d’une composition de cru pour la fabrication d’un clinker particulier sans autre connaissance des caractéristiques des constituants. Le calcul de ce mélange peut naturellement être effectué par la résolution d’un système de 2 équations (le bilan pondéral et la détermination du titre en carbonate dans le cru) à 2 inconnues (la proportion des 2 constituants).

Bilan pondéral de matière ? T 1 + T 2 = T cru

Titre en carbonate ? T 1 x CaCO³ 1 + T 2 x CaCO³ 2 = T cru x CaCO³ cru

5.2 Détermination d’un mélange cru à l’aide d’un module ou d’un indice

119

Le calcul à l’aide d’un indice est identique pour toutes les situations de mise au point d’un mélange cru à partir de 2 composants. Dans ce paragraphe, nous utilisons l’indice de Michaelis comme exemple. A partir de ses expériences, Michaelis a défini un module chimique pour le calcul du cru.

? CaO / ( SiO² + Al²O³ + Fe²O³ ) compris entre 1.7 et 2.3. Le calcul des constituants par le module de Michaelis, ou par tout autre module, nécessite la connaissance de la composition chimique des constituants. Le calcul de ce mélange est effectué par la résolution d’un système de 2 équations (le bilan pondéral et la détermination de l’indice de Michaelis dans le cru) à 2 inconnues (la proportion des 2 constituants).

Bilan pondéral de matière ? T 1 + T 2 = T cru

lndice de Michaelis ? ( T 1 x CaO 1 + T 2 x CaO 2 ) / (T 1 x SiO² 1 + T 2 x SiO² 2 )+(T 1 x Al²O³ 1 + T 2 x Al²O³ 2 )+( T 1 x Fe²O³ 1 + T 2 x Fe²O³ 2 )

Ce calcul est réalisé sur matières sèches ou matières calcinées. Il peut être répété pour toute mise au point à partir d’un autre indice ou d’un autre module. 5.3 Détermination d’un mélange à 3 composants et plus Le calcul d’un mélange à 3 composants ou plus est une extension du calcul du mélange à 2 composants. Pour réaliser ce calcul de composition, il faut définir au préalable les équations du système à résoudre en prenant dans tous les cas le bilan pondéral comme première équation. Ces équations sont définies à partir des caractéristiques fixées pour le mélange cru par des objectifs de qualité du clinker ou du ciment, et par des impératifs de fabrication (disponibilité du matériel, …) :

? indice de saturation, de Michaelis, Aluminoferrique, ... ? teneur du cru en fer, en aluminium, ... ? proportion d’un constituant dans le cru ou proportion d’un constituant par rapport à

un autre. Par exemple, le calcul d’un mélange cru à partir de 3 composants (T 1 , T 2 ,T 3) sur base du module de saturation LSF = S et en fixant la proportion du matériau T 1 = K 1 % dans le mélange cru, est défini par le système d’équations.

Bilan pondéral ? T 1 + T 2 + T 3 = T cru

Indice de Saturation LSF ? S = ( T 1 x CaO 1 + T 2 x CaO 2 + T 3 x CaO 3 ) x 100 /

(T 1 x SiO² 1 + T 2 x SiO² 2 + T 3 x SiO² 3 ) + (T 1 x Al²O³ 1 + T 2 x Al²O³ 2 + T 3 x Al²O³ 3 ) + ( T 1 x Fe²O³ 1 + T 2 x Fe²O³ 2 + T 3 x Fe²O³ 3 )

Proportion fixe du matériau T 1 ? T 1 = K 1

120

6 Contrôle des procédés de fabrication, de préhomogénéisation et d’homogénéisation du cru L’alimentation des fours requiert une matière sous forme de farine ou de pâte, ayant la finesse et la composition chimique désirées. Avant d’arriver à ce stade d’élaboration, le cru alimentant le four subit en général des traitements préalables :

? extraction ? préstockage ? concassage ? préhomogénéisation ? dosage ? séchage ? broyage ? homogénéisation.

Ces opérations de préparation des matières premières sont suivies avec grand soin par le laboratoire de la cimenterie. Les opérations d’homogénéisation sont essentielles pour la réussite du procédé de cuisson en cimenterie et pour assurer une qualité constante de clinker et de ciment. Il est impératif de stabiliser le plus possible en amont de la chaîne de production, la composition chimique (et minéralogique) des matières premières utilisées pour la fabrication du cru. 6.1 Préhomogénéisation en carrière Lorsque la carrière de calcaire ou d’argile est hétérogène, lorsque le site d’exploitation est éloigné, il est intéressant de préparer un préstock, près du concasseur primaire, pour atténuer les variations de débit et de qualité. A partir des sondages préliminaires, le chimiste commande l’exploitation des plusieurs niveaux en carrière de manière à mélanger des strates riches et des strates pauvres. Il est évident que la mise sur le même préstock de calcaire ou d’argile extraits de strates de compositions différentes atténue, dans tous les cas, la variation de qualité de l’alimentation du concasseur primaire. Cette manière de travailler est intéressante pour compenser les variations de débits provoquées par des difficultés d’extraction ou de transport des matériaux en cas de mauvaises conditions climatiques. Supposons l’exploitation d’une carrière composée de 3 bancs de calcaire de titre en carbonate différent :

? Niveau 1 92 % de CaCO³ en moyenne ? Niveau 2 70 % de CaCO³ en moyenne ? Niveau 3 80 % de CaCO³ en moyenne

Le calcaire est amené à proximité du concasseur à l’aide de camions de 30 tonnes et l’analyse des chargements est repris dans le tableau 4. L’usine a besoin d’un volume de 450 tonnes de calcaire, à exploiter

? successivement sur les 3 niveaux disponibles en carrière (150 t du niveau 1, suivi de 150 t du niveau 2, suivi de 150 t du niveau 3), introduit directement dans le concasseur le calcaire

121

? en parallèle sur les 3 niveaux ; elle constitue un préstock à proximité du concasseur primaire avant d’alimenter ce dernier.

Tableau 4 : Caractéristiques des camions des 3 niveaux (CaCO³ %)

Camion Niveau 1 Niveau 2 Niveau 3 1 90 70 80 2 92 70 85 3 95 75 75 4 90 65 80 5 92 70 80

En supposant une homogénéisation de 3 camions successifs pendant l’opération de concassage, on calcule les variations du titre en carbonate du calcaire à la sortie du concasseur avec ou sans préstock (tableau 5).

Tableau 5 : Simulation d’exploitation avec et sans préstock en carrière (CaCO³ %) Sans préstock Avec préstock

Niveau 1

Niveau 2

Niveau 3

Sortie Niveau 1

Niveau 2

Niveau 3

Sortie

1 90 90.0 1 90 90.0 2 92 91.0 2 70 80.0 3 95 92.3 3 80 80.0 4 90 92.3 4 92 80.7 5 92 92.3 5 70 80.7 6 70 84.0 6 85 82.3 7 70 77.3 7 95 83.3 8 75 71.7 8 75 85.0 9 65 70.0 9 75 81.7 10 70 70.0 10 90 80.0 11 80 71.7 11 65 76.7 12 85 78.3 12 80 78.3 13 75 80.0 13 92 79.0 14 80 80.0 14 70 80.7 15 80 78.3 15 80 80.7

Moyenne 81.3 Moyenne 81.3 Ec type 8.5 Ec type 3.1

Par cette simple opération de constitution d’un préstock en carrière, la dispersion du titre en carbonate est diminuée de plus de la moitié pour la sortie du concasseur primaire (figures 6 et 7)..

122

Variation du titre en carbonate du calcaire sans préstock

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Camion

Tit

re e

n c

arb

on

ate

(%)

Camion

Sortie

Figure 6

Variation du titre en carbonate du calcaire avec préstock

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Camion

Tit

re e

n c

arb

on

ate

(%)

Camion

Sortie

Figure 7 6.2 Préhomogénéisation en tas Parmi les composants du cru, le calcaire présente les fluctuations de caractéristiques les plus importantes. Auparavant on évitait cet inconvénient en pratiquant une extraction sélective en carrière pour réduire les fluctuations du titre en carbonate de calcium. Actuellement, vu l’accroissement des capacités de production des cimenteries modernes et l’accroissement subséquent de la taille des engins en carrière, la technique d’extraction sélective, équivalente à la technique du préstock, n’est plus suffisante et il est nécessaire d’installer d’autres méthodes d’homogénéisation. Lorsque la composition des matières premières présente des fluctuations importantes, le stockage s’effectue avec préhomogénéisation simultanée des composants calcaire et siliceux en fonction des proportions déterminées lors de l’échantillonnage en carrière. Suivant les variations de composition, le cimentier introduit de 50 à 80 % des additions siliceuses lors de la constitution du tas de préhomogénéisation. Le solde est introduit lors du broyage final de la farine en fonction des analyses obtenues à la sortie de l’installation de broyage. La méthode adoptée est celle du parc de préhomogénéisation utilisée depuis de nombreuses années dans les industries de traitement des minerais et charbons. La

123

préhomogénéisation d’une ou plusieurs matières consiste à déposer cette ou ces matières en couches successives de façon à former un stock généralement longitudinal (mise en tas) et de reprendre ensuite ce stock en tranches perpendiculaires à l’axe longitudinal (reprise du tas) de façon à réduire les fluctuations de composition et opérer ainsi une préhomogénéisation. Le parc de préhomogénéisation est constitué de deux stocks :

? un premier stock en cours de constitution ? un second en cours de reprise

Il existe plusieurs techniques de constitution des stockpiles. La cimenterie choisit en principe une technique particulière pour commander l’installation de remplissage et d’extraction auprès des fournisseurs spécialisés. 6.2.1 Méthodes de mise en tas Le parc de préhomogénéisation est généralement constitué en stock longitudinal ou circulaire. Méthode en chevron (figure 8) La méthode consiste à déposer la matière en couches successives, à partir d’un seul point de déversement au faîte du toit, constituant ainsi un stock en forme de toit. L’inconvénient de cette méthode est lié à la distribution granulométrique du matériau. La granulométrie de la matière est plus grossière au bas du stock et plus fine au sommet du stock.

Figure 8

Méthode Windrow (figure 9) Cette méthode permet d’éviter l’inconvénient dû à la ségrégation granulométrique par mise au tas de la matière selon des lignes juxtaposées et superposées. Cette méthode est plus raffinée en raison du choix possible du nombre de lignes et de la distance entre ces lignes. Toutefois, elle requiert un système de mise au tas plus élaboré en raison de la multiplicité des points de déversement.

Figure 9 Méthode par couches horizontales (figure 10) Le stock est constitué par une mise en couches horizontales en un seul ou en plusieurs points de déversement. Cette méthode permet d’obtenir une répartition homogène de la matière, même en cas de distribution granulaire peu serrée.

Figure 10

Méthode par les côtés longs (figure 11)

124

Cette méthode permet une répartition homogène de la matière, toutefois avec le désavantage de la ségrégation granulométrique. Les points de déversement sont multiples et situés du même côté de l’axe longitudinal.

Figure 11

Méthode continue et méthode alternée (figures 12 et 13) La méthode continue de mise au tas consiste à construire le stock à partir d’un cône de départ dont on s’éloigne progressivement par tranches successives. La méthode alternée de mise en tas consiste à construire le stock à partir de 2 cônes de départ chacun à une des extrémités longitudinales du stock et ensuite à déposer la matière par tranches alternées (une fois d’un côté puis une fois de l’autre) tous en se rapprochant du point médium de l’axe longitudinal.

Figure 12

Figure 13 6.2.2 Effets de la préhomogénéisation Le parc de préhomogénéisation à pour but d’homogénéiser les matières premières. Ces matières premières ont des caractéristiques chimiques qui présentent des fluctuations dans le temps. Les diagrammes ci-après représentent les fluctuations mesurées par analyse chimique de la teneur en carbonate d’un calcaire à l’entrée d’une préhomogénéisation et les trois premières harmoniques de ces fluctuations (Figures 14 à 17).

Evolution du titre en carbonate des échantillons prélevés toutes les 10 minutes par une chaîne d ‘échantillonnage

Evolution de la composition chimique d'une carrière

60

65

70

75

80

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Heures

CaC

O³

Figure 14

125

Harmonique court terme T = quelques minutes

126

Harmonique long terme T = plusieurs heures à plusieurs jours

L’efficacité du parc de préhomogénéisation est jugée par le rapport de l’écart type à l’entrée du tas en constitution et de l’écart type à la sortie lors de la reprise de ce tas.

? E = ? entrée / ? sortie L’efficacité du mélange est corrélée au nombre de couches (N) de la préhomogénéisation suivant la relation

? E = ? ( N / 2) L’efficacité E d’un stock constitué de 100 à 400 couches de matière, est généralement comprise entre 3 et 6 s’il n’y a pas d’homogénéisation des fluctuations à court terme dans une tranche de reprise, et entre 6 et 15 s’il y a une homogénéisation des fluctuations à court terme dans une tranche reprise. Si la matière au départ est très hétérogène, on obtient des valeurs de E élevées, tandis que si la matière est déjà relativement homogène au départ, on obtient des valeurs de E moins élevée, bien que la matière soit plus homogène à la sortie. Suivant le système de constitution du stock (par le long ou le petit côté), la reprise présente des ségrégations importantes si elle est réalisée de la même manière que la constitution. 6.3 Homogénéisation en silos L’homogénéisation en silos est opérée sur le mélange cru à la sortie du broyeur sécheur. L’installation de mélange et d’homogénéisation a deux tâches à remplir :

? offrir une possibilité de procéder à une correction de la composition chimique du cru à envoyer au four

? rendre ce cru suffisamment homogène pour en assurer une bonne cuisson. Historiquement, le procédé par voie humide a permis de réaliser d’excellentes homogénéisations car le mélange et l’homogénéisation de diverses matières premières sous forme de pâte sont très aisées. Les progrès réalisés dans la connaissance de l’aérodynamique ont permis à diverses industries, et à la cimenterie en particulier, de réaliser en voie sèche le mélange et l’homogénéisation des matières premières. La possibilité d’obtenir un cru sec sous la forme d’une farine aussi homogène qu’un cru humide ainsi que le renchérissement du coût des combustibles expliquent l’abandon progressif du procédé cimentier par voie humide. 6.3.1 Méthodes diverses d’homogénéisation (Figures 18 et 19) Il existe différents procédés d’homogénéisation en fonction du nombre et du mode de fonctionnement des silos

127

Figure 18 : Série de silos d’homogénéisation par charge et silo de stockage

Silo

d'homogénéisation n° 1

Silo d'homogénéisation

n° 2

Silo

d'homogénéisation n° 3

Silo de stockage

Les silos d’homogénéisation sont placés en parallèle ou en série (procédé en cascade).

Figure 19 : Silos à étages pour l’homogénéisation et le stockage

Homogénéisation Homogénéisation

Stockage Stockage L’homogénéisation peut se faire par batch ou en continu avec la vidange dans la partie stockage. Le silo est équipé éventuellement à sa base d’une chambre de mélange, d’un écoulement en entonnoir. L’installation d’homogénéisation pneumatique fonctionne suivant un procédé continu ou un procédé discontinu. Procédé discontinu Le procédé discontinu comprend au moins 2 silos pour l’homogénéisation de la farine qui se déroule en une phase de remplissage, de correction et d’homogénéisation et une phase de vidange. Ces 2 phases se déroulent alternativement dans les 2 silos.

? Remplissage et homogénéisation Pendant le remplissage, des échantillons sont prélevés et analysés pour calculer la correction nécessaire de manière à respecter les objectifs de fabrication. Après le remplissage et la correction de la farine, le silo est homogénéisé.

128

? Vidange

A la fin de l’étape d’homogénéisation, la farine est envoyée vers les silos de stockage et d’alimentation du four.

Procédé continu En général, les installations d’homogénéisation en continu n’exigent qu’un seul silo. Le cru sec est alimenté en continu et soutiré de la même manière et en quantité correspondante. D’une façon analogue à ce qui se passe pour l’homogénéisation par charges, une turbulence provoquée par l’air insufflé engendre l’effet de mélange et d’homogénéisation dans le silo. Les grands producteurs de matériels cimentiers proposent des systèmes originaux d’homogénéisation pneumatique grâce à des unités d’aération placées dans les fonds des silos selon différentes variantes. La caractéristique commune à toutes les méthodes d’homogénéisation consiste à amener de l’air aux unités d’aération concernées de façon que la matière soit d’abord aérée et ensuite homogénéisée par un violent courant de turbulence sur une partie du fond de silo. Pour les opérations d’aération et d’homogénéisation, le fond de silo est divisé en

? 4 quadrants chez Fuller ? 9 quartiers chez Polysius ? 5 bandes chez VEB ? 5 couronnes chez Geyser

6.3.2 Comparaison entre l’homogénéisation pneumatique discontinue et l’homogénéisation continue. La principale différence entre les 2 procédés réside dans le fait que les écarts de la matière crue par rapport à la valeur prescrite se situent à l’intérieur de très larges limites et peuvent avoir des durées relativement importantes lorsqu’on a à faire à l’homogénéisation par charges. Au contraire, dans le cas de l’homogénéisation continue, les écarts doivent être de courte durée et se maintenir dans d’étroites limites d’amplitude. D’une matière générale, l’investissement pour une homogénéisation continue avec chambre de mélange est moins lourd. 6.3.3 Effets de l’homogénéisation pneumatique Pour estimer le rendement des installations d’homogénéisation pneumatique, on prend généralement en considération la teneur en carbonate ou le facteur de saturation. Si l’on prélève dans le cru n échantillons sur lesquels on mesure la valeur du paramètre chimique, ces valeurs se distribuent selon une loi statistique que par hypothèse on identifie à la loi de Gauss. Dès lors, la dispersion du cru s’estime à partir de l’écart type des valeurs mesurées :

? ? = ? ( ? ( Xi - Xm ) ² / ( N - 1) ) avec :

? ? = l’écart type des mesures ? N = nombre d’échantillons analysés

129

? Xm = moyenne arithmétique des résultats Lorsque le cru arrive dans le silo d’homogénéisation, il est plus ou moins hétérogène et son hétérogénéité est estimée par la valeur de son écart type (? entrée) de titre en carbonate ou de facteur de saturation. Au cours du processus d’homogénéisation, l’écart type diminue et la décroissance est exponentielle. La loi de décroissance de l’écart type est la suivante :

? ? T = ? entrée x e - A T avec :

? ? T = écart type au temps T ? ? entrée = écart type avant préhomogénéisation ? T = temps de mélange ? A = coefficient de mélange.

Dès lors, on peut calculer les 2 paramètres caractéristiques de la préhomogénéisation.

? valeur du coefficient de mélange

? A = - Ln (? T / ? entrée ) / T

? durée T de demi mélange

? T = Ln 2 / A

Toutefois, l’étude de l’atténuation de l’écart type des fluctuations du cru depuis l’entrée jusqu’à la sortie, ne suffit pas pour caractériser une installation d’homogénéisation. En fait les fluctuations du cru suivent une loi périodique dont la transformée de Fourrier permet de connaître le fondamental ainsi que les diverses harmoniques d’où la possibilité d’étudier le spectre de fréquences (les atténuations sont fonction des fréquences des fluctuations). Ces principes sont valables pour la préhomogénéisation par lits ou par tas, et pour l’homogénéisation pneumatique. Pour un stock de préhomogénéisation, on a pu démontrer l’évolution du rapport de la variance de sortie et de la variance d’entrée en fonction de la capacité ou du temps de remplissage du parc et ce, pour différentes valeurs du nombre de couches N :

? ? sortie² = ( 1 / N ) x ? entrée² + .........

? l’existence d’un minimum (optimum) pour le rapport ? sortie² / ? entrée² ? la variance de sortie tend à la limite vers le Néme de la variance d’entrée.

Pour un silo d’homogénéisation pneumatique, on a pu démontrer l’évolution de l’écart type de la matière à la sortie en fonction de l’écart type de la matière à l’entrée et de la fréquence moyenne des oscillations de cette dernière :

? ? sortie = ? entrée x e - k T

? l’absence d’homogénéisation lorsque la période d’oscillation lors du remplissage du silo est nettement plus grande que la durée de remplissage du silo

130

? la diminution du rapport ? sortie / ? entrée avec la diminution de la période d’oscillation, toute autre chose restant égale

? l’absence d’homogénéisation, quelle que soit la valeur des fréquences d’oscillation à l’entrée du silo, lorsque la durée d’oscillation est nulle

? la diminution du rapport ? sortie / ? entrée, pour un type d’oscillation donné, avec l’augmentation de la durée de mélange

Lorsque l’homogénéisation est assurée par un soutirage simultané de N silos statistiquement indépendants, l’effet d’homogénéisation est donné par la formule :

? ? sortie / entrée = ? (N) Lorsque l’homogénéisation est assurée par proportion des divers composants du cru, l’effet d’homogénéisation, bien que limité par le temps mort du système, est d’autant meilleur que l’intervalle unitaire est faible (en pratique entre 2 et 4). 6.4 Projet et tendances Chaque procédé cimentier constitue un cas particulier et il n’est donc pas possible de tirer des règles universelles d’homogénéisation. Quelques règles essentielles définissent cependant le processus à installer :

? les caractéristiques du gisement à exploiter et ce, couche par couche, notamment en ce qui concerne la moyenne, l’écart type et les fluctuations du titre en carbonate

? le compromis entre le coût d’investissement et la sécurité d’exploitation (12 heures d’alimentation four)

? la robustesse et la simplicité des installations. On observe dans toutes les nouvelles installations la présence d’un parc de préhomogénéisation équipé d’un concassage en carrière et d’une installation imposante d’échantillonnage. Le régime de travail de la carrière est indépendant de celui à feu continu des fours avec la constitution d’une capacité de stockage de 5 à 10 jours au minimum. Les grandes fluctuations (amplitude et fréquence) sont amorties par les préstocks en carrière. La cimenterie travaille avec une installation d’homogénéisation pneumatique continue avec chambre de mélange d’une capacité d’alimentation du four de plus de 24 heures. Le ratio d’homogénéisation oscille entre 3 et 5 dans les installations performantes. 6.5 Contrôle du cru Pendant longtemps, la composition du cru a été réalisée à partir du titre en carbonate des matières premières. La mise au point des analyseurs modernes permet de réaliser rapidement des analyses complètes dans des laboratoires automatisés intégrés dans les lignes de production. Toutes les opérations de production sont analysées en permanence dans le but d’augmenter la production de l’usine, de réduire les coûts de production et d’améliorer la qualité. D’énormes efforts sont entrepris pour développer des systèmes automatiques d’échantillonnage et remplacer les prélèvements manuels dans tous les départements de production. 6.5.1 Contrôle du ciment Grâce aux essais prévus par les normes pour le ciment, le broyage est suivi pour produire un ciment conforme aux spécifications du marché.

131

6.5.2 Contrôle du clinker Le four est conduit pour produire un clinker régulier au niveau de la chimie et de la minéralogie, avec le moins de chaux libre. 6.5.3 Contrôle de la farine : Le cru est préparé avec une composition chimique et une granulométrie convenables et constantes pour assurer la régularité de la manutention, la broyabilité et l’aptitude à la cuisson de la farine. Le laboratoire contrôle principalement la chimie et la granulométrie au niveau :

? de la carrière pour anticiper les variations du calcaire et des constituants principaux (contrôle à partir des sciures de carottage) et préparer ainsi la constitution du tas de préhomogénéisation

? du broyage séchage pour le dosage des différents constituants de la farine et la régulation des installations de broyage (contrôle en continu)

? de l’alimentation du four pour une vérification finale (contrôle horaire). L’objectif du contrôle est de limiter la variation de l’alimentation du four (écart type de composition de 0.2 % en carbonate de calcium ou de 3 % en C³S). Par calcul, il est aisé de démontrer qu’une variation de titre en carbonate de 1 % sur la farine, entraîne une variation de 10 à 15 % de C³S dans le clinker 6.5.4 La chaîne d’échantillonnage Les chaînes d’échantillonnage sont chargées de sécher et de réduire le volume initial d’échantillon prélevé dans le circuit de production, en une poudre fine analysée en automatique par un analyseur par fluorescence X ou par des méthodes traditionnelles en laboratoire. Il n’y a pas de règles strictes de standardisation des stations d’échantillonnage et des procédures de contrôle du cru. Dans la plupart des cas, l’échantillonnage est établi en fonction des particularités locales de l’usine, des propriétés physiques (granulométrie, dureté, humidité) et chimiques (dispersion de la composition des matériaux en fonction de leur granulométrie) des matériaux à échantillonner et à analyser. L’objectif des stations de prélèvement installées près des systèmes de préparation et d’homogénéisation de la farine ou de la pâte est de prélever un échantillon représentatif des matériaux utilisés. Il est généralement admis que l’échantillon prélevé représente entre 0.2 et 2 % du débit de matières. La quantité prélevée augmente avec la dispersion de qualité des matériaux, leur granulométrie, la précision recherchée dans la mesure.

7 Les économies d’énergie 7.1 L’aptitude à la cuisson La clinkérisation met en jeu des réactions entre des phases solides en présence d’une phase liquide. La rapidité avec laquelle le système physico-chimique, constitué par la farine ou la pâte portée à une certaine température, évolue vers son état final, définit son aptitude à la clinkérisation. La connaissance de cette aptitude permet au cimentier de préciser les conditions techniques et économiques nécessaires à l’élaboration d’un clinker de qualité :

132

? préparation du cru ? choix des combustibles ? température de cuisson ? nature du revêtement réfractaire ? …

L’étude des réactions à l’état solide fait intervenir de nombreux facteurs qu’il n’est pas toujours possible d’étudier dans un laboratoire cimentier :

? homogénéité du cru ? dimensions des particules ? énergie de surface de contact ? nature minéralogique des constituants ? défauts de structure cristalline facilitant le réarrangement à l’échelle moléculaire ? défauts de structure réticulaire facilitant les migrations ioniques ou électroniques ? apparition d’une phase liquide ? vitesse de diffusion dans la couche réactionnelle liquide ? ….

La considération quantitative de chaque facteur n’est pas possible et seule une méthode d’étude groupant un certain nombre de paramètres peuvent être mis en œuvre dans les laboratoires d’usines pour comparer ou apprécier des aptitudes à la cuisson de différents crus. Les premières méthodes de mesure de l’aptitude à la cuisson d’un cru s’inspiraient fortement des techniques d’analyses thermogravimétriques et mesuraient la réactivité du mélange cru à 880°c en atmosphère de CO². Le constituant essentiel du clinker obtenu par cuisson à haute température d’un mélange de matières premières constituées principalement de silice et de chaux, est le silicate tricalcique. La présence d’alumine et d’oxyde de fer facilite énormément la formation de la phase liquide. Les réactions se faisant en partie à l’état solide, le degré de facilité de cuisson dépend principalement des paramètres suivants :

? la composition chimique quantité des 4 oxydes principaux présence d’oxydes mineurs

? la nature minéralogique des matières premières qui influe directement sur la réactivité de ses éléments

la chaux apportée par du calcaire ou de la craie la silice apportée par de l’argile ou du quartz

? la finesse de mélange la finesse des différents oxydes la courbe granulométrique du mélange

? la présence ou l’absence de minéralisateur ? l’homogénéité du mélange

L’aptitude à la cuisson intervient sur le débit du four, la consommation calorifique, la bonne tenue des réfractaires. Elle influence par la suite la broyabilité du clinker. L’aptitude intervient donc sur le prix de revient de la cuisson du clinker et de la mouture du ciment. Actuellement, l’avancement de la réaction est mesuré par l’évolution de la perte au feu (cinétique de décarbonatation) et de la teneur en chaux libre (cinétique de cuisson) du cru finement broyé en fonction de l’élévation de température jusque plus de 1400°c sur une

133

pastille de cru de porosité constante. A partir d’une température donnée, un cru est d’autant plus facile :

? à décarbonater qu’il reste moins de CO² à dégager ? à cuire qu’il reste moins de chaux libre à combiner.

Il s’agit de méthodes comparatives qui permettent d’apprécier l’importance d’un paramètre que l’on modifie sur un cru donné. L’utilisation de la méthode permet de faire rapidement un calcul de rentabilité d’un changement de matières premières dans un procédé et d’éviter ainsi de longs essais industriels. 7.2 Les matériaux de substitution Au niveau de la préparation de la farine ou de la pâte, tout matériau contenant principalement les 4 oxydes principaux du clinker, peuvent être utilisés comme matières premières dans le cru à conditions de respecter quelques principes de base :

? ne pas détériorer le cycle de production en modifiant fondamentalement la broyabilité des constituants en voie sèche ou la rhéologie de la pâte en voie humide

? ne pas introduire avec les matières premières des éléments volatils perturbateurs du cycle de cuisson

? ne pas introduire d’éléments chimiques en trop forte concentration qui pourraient dégrader la qualité du clinker et du ciment

? ne pas introduire de matières organiques dans le cru qui pourraient se dégager dans les zones amont du four et polluer dangereusement l’atmosphère.

Une mesure comparative de l’aptitude à la cuisson donnera des indications qualitatives pour juger de l’opportunité d’introduire ou de refuser une nouvelle matière première dans un cru.

134

Chapitre V

Exercices pratiques

135

Exercice n° 1

Enoncé : Une cimenterie exploite une carrière de craie dont la composition chimique est donnée sur matière brute dans le tableau suivant.

Craie SiO² % 1,00 Al²O3 % 0,50 Fe²O³ % 0,40 CaO % 42,00 Na²0 % 0,05 K²0 % 0,10 Indosés % 2,35 PF % 33,60 Humidité % 20,00 Somme % 100,00 Tonne T 1,00

On demande la production théorique de clinker que l’on pourra obtenir à partir d’une tonne de craie extraite en carrière. Solution : L’énoncé du problème nous donne une quantité d’informations qui ne sont pas nécessaires pour la résolution du problème. Nous utiliserons uniquement les valeurs d’humidité et de perte au feu pour calculer le tonnage théorique de clinker obtenu à partir de cette craie. A partir des caractéristiques sur matières brutes, on calculera le tonnage de matière sèche et la perte au feu de cette craie exprimée sous matière sèche suivant les formules :

? Tonne sèche = 1 x ( 100 - 20,00 ) / 100 = 0,800 T de craie sèche ? PF sur sec = 33,60 x 100 / ( 100 - 20,00 ) = 42,00 %

Reste maintenant à calculer les matières calcinées qui seront produites par les 800 kg de craie sèche avec une perte au feu de 42 % :

? Tonne matières calcinées = 0,80 x ( 100 - 42,00 ) / 100 = 0,464 T

136

Exercice n° 2

Enoncé : Quelles sont la production et la composition chimique d’un clinker d’un four alimenté à partir d’un mélange de 90 % de calcaire et 10 % d’argile. Les humidités de ces matériaux sont respectivement de 5 et de 10 %. La composition sur matières sèches est donnée dans le tableau suivant.

Caractéristiques chimiques des matériaux sur matières sèches P F (%) SiO² (%) Al²O³ (%) Fe²O³ (%) CaO (%)

Calcaire 40 3 2 1 52 Argile 10 70 10 5 5

Solution : Production de clinker : La production de clinker est calculée à partir de la composition du mélange et des caractéristiques des 2 matériaux (perte au feu et humidité). Un mélange de 100 kg de farine sera composé de 90 kg de calcaire et de 10 kg d’argile. Les 90 kg de calcaire apporteront

? ( 90 / 100 ) x [ (100 - 5 ) / 100 ] x [ (100 - 40 ) / 100 ] = 51.3 kg de matières calcinées

Les 10 kg d’argile apporteront

? ( 10 / 100 ) x [ (100 - 10 ) / 100 ] x [ (100 - 10 ) / 100 ] = 8.1 kg de matières calcinées

La production de clinker sera de

? 51.3 + 8.1 = 59.4 kg de matières calcinées Caractéristiques chimiques du clinker : La composition chimique sur matières calcinées est calculée à partir de la composition sur matières sèches suivant la formule :

? Elément calciné = Elément sec x 100 / (100 - PF )

137

Composition sur matières sèches

Calcaire Argile SiO² % 3,00 70,00 Al²O3 % 2,00 10,00 Fe²O³ % 1,00 5,00 CaO % 52,00 5,00 PF % 40,00 10,00 Somme % 98,00 100,00

ce qui donne :

Composition sur matières calcinées Calcaire Argile SiO² % 5,00 77,78 Al²O3 % 3,33 11,11 Fe²O³ % 1,67 5,56 CaO % 86,67 5,56 Somme % 96,67 100,00

La composition du clinker sera calculée à partir des tonnages et de la composition sur matières calcinées des 2 composants suivant la formule :

? Elém clinker = ( T cal Calc x Elém cal Calc + T cal Arg x Elém cal Arg ) / (T cal Calc + T cal Arg )

Composition du clinker Clinker Tonnage T/h 59,40 SiO² % 14,92 Al²O3 % 4,39 Fe²O³ % 2,20 CaO % 75,61 Somme % 97,12

138

Exercice n° 3

Enoncé : Une farine d’alimentation d’un four contient 78.5 % de CaCO³, 1.2 % de MgCO³ et 0.4 % combiné comme eau de cristallisation et matières organiques. Quelle est la perte au feu de cette farine ? Solution : La perte au feu de cette farine est composée du CO² qui se dégage des carbonates (CaCO³ et MgCO³), de l’eau combinée et des matières organiques. CO² :

CaCO³ ? CaO + CO² CO² du CaCO³ = 78.5 x 44 / 100 = 34.54 % MgCO³ ? MgO + CO² CO² du MgCO³ = 1.2 x 44 / 84 = 0.63 %

Eau combinée, matières organiques

0.4 %

Perte au feu = 34.54 + 0.63 + 0.4 = 35.57 %

139

Exercice n° 4

Enoncé : La composition de 3 matériaux est donnée dans le tableau suivant. Les analyses sont exprimées sur matières brutes pour le matériau 1, sur matières sèches pour le matériau 2, sur matières calcinées pour le matériau 3.

1 2 3 SiO² 1,60 2,00 3,45 Al²O3 0,80 1,00 1,72 Fe²O³ 0,40 0,50 0,86 CaO 41,60 52,00 89,66 Na²0 0,05 0,06 0,11 K²0 0,10 0,13 0,22 Indosés 1,85 2,31 3,99 PF 33,60 42,00 Humidité 20,00 Somme 100,00 100,00 100,00

Le titre en carbonate de ces 3 matériaux peut être calculé sur matières sèches à partir des compositions chimiques. Quel est le matériau qui a le titre en carbonate le plus élevé sur matières sèches ? Solution : Il faut d’abord remarquer que les compositions chimiques ne sont pas exprimées de la même manière. Il est nécessaire de choisir une unité : les matières brutes, les matières sèches ou les matières calcinées. Dans ce cas, il faut choisir les matières sèches en fonction de l’énoncé et de la question posée. En réalité, les 3 matériaux ont la même composition chimique et par conséquent le même titre en carbonate théorique sur matières sèches. Matériau 1

? CaO sur sec = 41.60 x 100 / (100 - 20.00) = 52 % ? Titre en carbonate = 52 x 100 / 56 = 92.86 %

Matériau 2

? CaO sur sec = 52 % ? Titre en carbonate = 52 x 100 / 56 = 92.86 %

Matériau 3

140

Théoriquement, il n’est pas possible de calculer le titre en carbonate à partir des indications contenues dans l ’analyse chimique du matériau 3. En examinant les données de l’exercice, on voit que le matériau 3, avec son analyse sur matières calcinées, correspond au matériau 2 avec son analyse sur matières sèches.

? CaO sur calciné du matériau 2 = 52 x 100 / (100 - 42.00) = 89.66 % = CaO sur calciné du matériau 3.

? Titre en carbonate du matériau 3 = Titre en carbonate du matériau 2

141

Exercice n° 5

Enoncé : Une usine remet les résultats de l’autocontrôle annuel d’un ciment CEM I 52.5 sous la forme de 2 tableaux reproduits ci-dessous.

Caractéristiques physiques annuelles du CEM I 52.5 Rhéologie Résistances mécaniques Blain Stab Eau Dbt Fin 1 j 2 j 7 j 28 j 56 j 90 j Cm2/g mm % Min Min MPa MPa MPa MPa MPa MPa

Nombre 113 65 113 113 113 101 113 12 113 4 4 Moyenne 4423 0 28,3 133 263 22,5 35,8 56,0 64,6 65,6 69,0

Max 5108 2 30 200 380 28,3 40,4 66 67,8 67 70,7 % > Max 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Minimum 3934 0 24,4 90 190 18,4 31,7 49,4 55,0 64,4 67,2 % < min 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0

S² 84334 0 0,4 601 1351 4,4 4,0 26,2 4,4 1,5 3,1 ? 290 0 0,6 25 37 2,1 2,0 5,1 2,1 1,2 1,8

V % 6,56 2,12 18,8 14,07 9,33 5,59 9,11 3,25 1,83 2,61 M+1.28? 4794 0 29,1 165 310 25,2 38,4 62,5 67,3 67,1 71,3 M-2.33? 3747 0 26,9 75 177 17,6 31,1 44,1 59,7 62,8 64,8 M-1.70? 3930 0 27,3 90 200 18,9 32,4 47,3 61 63,6 65,9 M+1.70? 4916 0 29,3 176 326 26,1 39,2 64,7 68,2 67,6 72,1 M-2.13? 3805 0 27 80 184 18 31,5 45,1 60,1 63 65,2 M-1.93? 3863 0 27,1 85 192 18,4 31,9 46,2 60,5 63,3 65,5 M+1.53? 4867 0 29,2 171 320 25,7 38,9 63,8 67,8 67,4 71,8 M-1.28? 4052 0 27,5 101 216 19,8 33,2 49,5 61,9 64,1 66,7

142

Caractéristiques chimiques annuelles du CEM I 52.5

Composition chimique Alcalis PF R.I SiO² Al²O³ MgO CO² Cl SO³ Na²O K²O T % % % % % % % % % % %

Nombre 62 63 113 113 113 12 36 113 113 113 113 Moyenne 2,08 0,48 19,56 4,89 0,9 1,56 0,03 3,3 0,31 0,69 0,77

Max 2,79 0,78 20,21 5,19 1,06 2,08 0,11 3,71 0,37 0,91 0,94 % > Max 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 Minimum 1,08 0,1 18,56 4,56 0,72 1,33 0,01 2,84 0,27 0,54 0,65 % < min 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

S² 0,07 0,02 0,08 0,01 0 0,06 0 0,03 0 0 0 ? 0,26 0,14 0,27 0,11 0,06 0,25 0,01 0,16 0,02 0,06 0,06

V % 12,5 29,17 1,38 2,25 6,67 16,03 33,33 4,85 6,45 8,7 7,79 M+1.28? 2,41 0,66 19,91 5,03 0,98 1,88 0,04 3,5 0,34 0,77 0,85 M-2.33? 1,47 0,15 18,93 4,63 0,76 0,98 0,01 2,93 0,26 0,55 0,63 M-1.70? 1,64 0,24 19,1 4,7 0,8 1,13 0,01 3,03 0,28 0,59 0,67 M+1.70? 2,52 0,72 20,02 5,08 1 1,99 0,05 3,57 0,34 0,79 0,87 M-2.13? 1,53 0,18 18,98 4,66 0,77 1,03 0,01 2,96 0,27 0,56 0,64 M-1.93? 1,58 0,21 19,04 4,68 0,78 1,08 0,01 2,99 0,27 0,57 0,65 M+1.53? 2,48 0,69 19,97 5,06 0,99 1,94 0,05 3,54 0,34 0,78 0,86 M-1.28? 1,75 0,3 19,21 4,75 0,82 1,24 0,02 3,1 0,28 0,61 0,69

Quelles sont les remarques que l’on peut formuler sur ces tableaux ? Solution : Composition du ciment :

? Il s’agit d’un CEM I qui ne peut contenir que du clinker et du régulateur de prise avec éventuellement 5 % de constituants secondaires.

? Ce ciment contient sans doute un filler calcaire (CO² élevé) comme constituant

secondaire qui pourrait être de la poussière de four (Cl, RI). ? Il n’est pas à faible teneur en alcalis (Na²Oeq= 0.77) et n’a pas de résistance

particulière au sulfate.

143

Nombre d’essais :

? Le nombre des essais imposés par la norme est respecté pour toutes les caractéristiques normalisées (2 par semaine de livraison). Le laboratoire de l’usine effectue quelques déterminations complémentaires pour l’assistance de la clientèle par exemple.

? Le nombre d’essais est compris entre 100 et 149. Pour les résistances mécaniques,

la constante d’acceptabilité pour un risque consommateur de 5 % est de1.93 et de 1.53 pour un risque consommateur de 10 %.

? Pour un contrôle par attribut, le nombre acceptable de défauts est de 5 pour un

nombre d’essais de plus 100 avec un risque consommateur de 10%. Caractéristiques physiques : Classe de résistance

? Le ciment répond aux spécifications des classes 52.5 et 52.5 R pour les limites inférieures caractéristiques et limites inférieures garanties des 2 classes (tableau 12 et 14). Il dépasse la limite supérieure de la classe 42.5.

Prise :

? La vitesse de prise est conforme aux spécifications de la norme européenne Caractéristiques chimiques

? La teneur en sulfate est conforme pour la classe de ciment. ? On enregistre un dépassement du maximum autorisé pour le chlore (max = 0.11 %).

Il s’agit pour la composition chimique d’un contrôle par attribut. Le nombre acceptable de défauts est de 5 pour un nombre d’essais de plus 100 avec un risque consommateur de 10%. Le ciment est par conséquent conforme.

? Malgré la présence éventuelle de poussière de four, la perte au feu et le résidu

insoluble sont conformes.

144

Exercice n° 6

Enoncé : Un atelier de broyage dispose de 3 clinkers et de différents matériaux hydrauliques et pouzzolaniques pour sa production de ciments. Un client important lui demande un « ciment spécial » avec des résistances initiales élevées Caractéristiques chimiques des matériaux disponibles dans l’atelier de broyage

Clinker A

Clinker B

Clinker C

Laitier Cendres volantes

Filler calcaire

Gypse Anhydrite

PF 0.1 0.1 0.1 -0.3 2.0 43.0 20.0 1.0 SiO² 21.5 20.6 20.6 36.0 58.0 1.0 1.0 0.1 Al²O³ 3.7 6.5 5.0 12.0 25.0 0.5 0.5 0.1 Fe²O³ 4.5 3.5 3.5 1.0 2.0 0.1 0.1 0.1 CaO 67.1 64.0 64.0 44.0 4.0 55.0 32.0 40.0 SO³ 0.4 0.4 0.4 1.0 2.0 0.1 45.0 57.0 Na²0 0.08 0.5 2.0 0.0 0.0 0.0 K²O 0.40 1.0 4.0 0.2 0.1 0.1

A partir des composants du tableau précédent

? que peut-on proposer au client comme formulation de ciment ? ? quels sont les essais préliminaires à effectuer avant de mettre ce nouveau ciment

sur le marché ? Solution : Choix du type et de la classe de ciment : Il faut en premier lieu choisir le type de ciment. Pour répondre à la demande du ciment (ciment avec résistance initiale élevée), l’atelier de broyage doit préparer un ciment Portland avec une finesse élevée qui devra éventuellement répondre aux spécifications du CEM I 52.5 R. Dans cet exercice, il ne faut plus tenir compte des autres constituants hydrauliques ou pouzzolaniques comme constituants principaux. Ils pourront peut-être, suivant les performances obtenues, être utilisés comme constituants secondaires (< 5 %). Choix du clinker : En principe, il est possible de répondre à la demande du client à partir des 3 clinkers. Il est cependant nécessaire de demander des précisions complémentaires au client sur la dénomination « ciment spécial ». Les 3 clinkers n’ont pas la même composition chimique et minéralogique et ne peuvent être utilisés indifféremment dans toutes les formulations de béton ou dans tous les environnements.

145

Il est important de visualiser la composition minéralogique avant de choisir le clinker qui servira à la nouvelle fabrication. Caractéristiques chimiques des matériaux disponibles dans l’atelier de broyage

Clinker A

Clinker B

Clinker C

Laitier Cendres volantes

Filler calcaire

Gypse Anhydrite

PF 0.1 0.1 0.1 - 0.3 2.0 43.0 20.0 1.0 SiO² 21.5 20.6 20.6 36.0 58.0 1.0 1.0 0.1 Al²O³ 3.7 6.5 5.0 12.0 25.0 0.5 0.5 0.1 Fe²O³ 4.5 3.5 3.5 1.0 2.0 0.1 0.1 0.1 CaO 67.1 64.0 64.0 44.0 4.0 55.0 32.0 40.0 SO³ 0.4 0.4 0.4 1.0 2.0 0.1 45.0 57.0 Na²0 0.2 0.1 0.2 0.5 2.0 0.0 0.0 0.0 K²O 0.9 0.2 0.4 1.0 4.0 0.2 0.1 0.1

Na²Oeq 0,8 0.3 0.5 C³S 78.4 55.2 65.32 C²S 2.9 17.7 10.1 C³A 2.2 11.3 7.3

C4AF 13.6 10.6 10.6 LSF 99.4 94.6 99.5

A partir de la composition minéralogique, il est possible de choisir le clinker en fonction du milieu :

? Pas de précaution particulière ? pas de restriction ? Présence d’agents agressifs dans le milieu (sulfate) ? limiter la teneur en C³A ? Utilisation de granulat réactif ? choisir un ciment à faible teneur en alcalis

Choix du ciment en fonction de l’environnement

Ordinaire Présence de sulfate Granulats réactifs Clinker A + + + + - Clinker B + - + + Clinker C + + +

Choix du régulateur de prise Pour répondre aux spécifications du client, il est nécessaire de broyer le ciment à une finesse élevée. La réactivité initiale du ciment nécessite une certaine quantité de sulfate soluble pour la mise en œuvre du béton dans des conditions acceptables. Cette quantité doit être recherchée par la détermination d’un l’optimum sulfate. La nécessité d’utiliser un mélange de gypse et d’anhydrite ne doit pas être rejetée. L’optimum sulfate apportera aussi une réponse.

146

Exercice n° 7

Enoncé : Une cimenterie produit un ciment Portland CEM I 42.5 utilisé pendant la période estivale pour la réalisation de grands travaux routiers dans une zone désertique. L’entrepreneur rencontre de grosses difficultés pour réaliser des dalles en béton de bonne qualité. De l’eau doit toujours être ajoutée sur le chantier pour pomper le béton et des fissures apparaissent moins de 24 heures après la mise en place du béton. Quelles sont les démarches à entreprendre par la cimenterie pour fabriquer un ciment répondant aux spécifications de l’entrepreneur ? Données complémentaires : La cimenterie produit le CEM I 42.5 avec un clinker très réactif dans un moulin en circuit ouvert avec comme consignes de fabrication :

? Blaine : 3000 à 3200 cm²/g ? Clinker : 95 % ? Gypse : 5 %

Le ciment sort du broyeur à une température de plus de 80°c et est stocké dans un grand silo en moyenne pendant 1 semaine en attendant le chargement d’un train de wagons destiné au chantier routier. Le laboratoire prélève des échantillons instantanés à la sortie des ateliers de broyage et à la sortie des stations d’expédition une fois par jour. On ne remarque pas d'anomalie dans la composition chimique, la vitesse de durcissement ou l’évolution des résistances mécaniques pour les 2 familles de ciment prélevées à la sortie de l’atelier de broyage ou à la sortie des silos.

147

CEM I 42.5 juillet 1998 Sortie broyeur Sortie Silo Blaine Perte

au feu RC 2 jours

RC 28 jours

Blaine Perte au feu

RC 2 jours

RC 28 jours

1 3109 2,7 10,3 40,9 3049 1,3 10,2 40,6 2 3151 1,9 14,1 42,2 3112 2,3 11,3 42,9 3 3021 1,9 14,3 49,7 3176 2,7 12,5 42,5 4 3007 2,8 14,8 46,9 3167 2,5 8,9 40,0 5 3159 2,6 14,2 40,2 3095 2,3 11,0 43,0 6 3028 2,1 10,0 49,1 3065 1,1 12,7 42,7 7 3113 1,7 10,5 45,9 3189 2,4 12,8 43,3 8 3095 2,7 14,6 48,9 3062 2,0 10,2 40,3 9 3162 2,1 14,3 41,3 3078 1,7 9,4 47,2 10 3049 1,7 11,8 46,3 3000 1,5 8,2 47,2 11 3102 1,8 11,6 47,3 3095 2,4 13,0 41,8 12 3196 1,6 10,3 44,4 3056 2,9 11,9 39,3 13 3072 2,7 14,6 45,7 3009 2,6 11,1 41,3 14 3045 1,9 10,1 47,3 3115 1,8 11,0 41,0 15 3187 3,2 11,1 41,4 3121 1,9 8,3 44,8 16 3023 2,6 12,9 45,1 3165 2,1 11,0 38,1 17 3073 2,9 12,1 42,8 3099 3,0 8,7 42,7 18 3155 2,1 13,8 45,0 3112 2,0 12,0 46,3 19 3063 2,0 10,4 46,3 3137 1,4 11,3 40,8 20 3182 3,0 10,3 49,1 3067 1,4 10,5 38,8 21 3023 2,0 12,7 43,1 3038 1,7 10,0 38,2 22 3195 2,0 12,8 44,9 3140 1,3 11,0 43,5 23 3099 1,7 11,2 42,3 3177 1,2 8,1 43,1 24 3073 2,7 14,1 45,1 3093 2,3 10,0 42,4 25 3131 3,2 10,3 43,8 3084 1,9 11,6 47,8 26 3139 2,9 12,0 49,0 3048 2,7 11,3 46,4 27 3012 2,9 10,2 46,8 3158 2,9 11,8 44,2 28 3056 2,4 13,6 40,5 3153 1,8 12,4 40,6 29 3132 1,3 14,0 45,6 3136 2,7 12,7 39,9 30 3119 2,7 11,2 44,6 3011 2,5 8,9 39,0 31 3051 3,1 14,3 40,0 3159 1,9 10,9 47,1 Moy 3097 2,3 12,3 44,9 3102 2,1 10,8 42,5 E type 59 0,5 1,7 2,9 53 0,5 1,4 2,8

Solution : Pour comprendre le problème rencontré, nous devons examiner les résultats de fabrication de l’usine. Entre la sortie de la mouture et la sortie du silo, on constate :

? Un maintien du Blaine ? Une diminution de la perte au feu ? Une diminution des résistances à la compression à 2 et 28 jours.

Sortie Mouture + modifications (délais, propriétés) liées au stockage =

Sortie Silo Cette évolution est provoquée par un changement de qualité du ciment pendant le stockage.

148

Sur chantier, cela se traduit par une augmentation du besoin en eau du ciment pour compenser une perte d’ouvrabilité du ciment qui peut être imputée à un raidissement précoce ou au phénomène de fausse prise. Dans ce cas, le raidissement est provoqué par la fausse prise car :

? Il n’y a pas d’anomalie signalée dans le contrôle de la prise en laboratoire sur les échantillons prélevés à la sortie de la mouture et du silo

? La diminution de perte au feu entre les échantillons sortie mouture et sortie silo est provoquée par une déshydratation du gypse en plâtre pendant le stockage du ciment à une température de plus de 60°c

? L’eau dégagée par le gypse hydrate en partie le ciment et entraîne une réduction des résistances à la compression à 2 et 28 jours.

La fausse prise nécessite une addition d’eau dans le camion mixer qui a une répercussion négative sur la qualité du béton. Cet excès d’eau est responsable de la fissuration précoce du béton. Pour résoudre ce problème, le cimentier doit investiguer dans plusieurs directions : Vérifier l’optimum en sulfate du ciment L’important n’est pas de fabriquer un ciment avec une teneur donnée en soufre exprimée sous la forme de sulfate mais de disposer d’une quantité suffisante de sulfate soluble (gypse, plâtre, anhydrite, sulfate alcalin du clinker) pour maîtriser le clinker sans entraîner la fausse prise plâtre Choisir les matières sulfatées Un remplacement partiel du gypse par de l’anhydrite peut solutionner le problème. Constituant secondaire Ajouter un constituant secondaire (calcaire par exemple) dans le ciment pour diminuer la réactivité du ciment. Il y a une réserve suffisante de résistance dans le ciment. Choisir autre ciment Proposer un ciment composé qui développera rapidement son potentiel hydraulique ou pouzzolanique dans les conditions du chantier.

149

Exercice n° 8

Enoncé : Quelle est la production d’un four rotatif sachant qu’il est alimenté par 6000 tonnes de pâte avec une humidité de 30 %, 38 % de perte au feu sur matières sèches. On injecte chaque heure 30 tonnes de charbon sec à 60 % de cendres. Le four dégage 400 tonnes de poussières par jour entier de production. Ces poussières sont recueillies dans des électrofiltres et réinjectées dans le four (90 %) ou utilisées comme filler pour la production de ciment (10 %). La perte au feu de ces poussières est de 20 %. Solution : Pour réaliser le calcul de production, il faut dresser un schéma du four avec les matières entrantes et sortantes, et veiller au préalable à transformer tous les matériaux sur matières calcinées. Quantités de matières : Pâte clinkérisée : [ 6000 x (100 - 30) / 100 ] x [ (100 - 38) / 100 ] = 2604 t Cendres de charbon : 30 x 24 x 60 / 100 = 432 t Poussières dégagées : 400 x (100 - 20 ) / 100 = 320 t Poussières injectées : 320 x 90 / 100 = 288 t Production du four : 2604 + 432 - 320 + 288 = 3004 t de clinker

Mouvements des matières dans le four Cendres de charbon = 432 t Pâte = 2604 t

Four

Poussières injectées = 288 t

Poussières dégagées = 320 t

150

Exercice n° 9

Enoncé : Calculer les indices principaux et la composition minéralogique du clinker suivant

SiO² % 22,47 Al²O3 % 5,51 Fe²O³ % 2,99 CaO % 67,06 Na²0 % 0,25 K²0 % 0,74 Indosés % 0,98 Somme % 100,00

Solution : Le calcul est réalisé suivant les formules du chapitre III énoncées dans les paragraphes 2 et 3 du chapitre III, ce qui donne :

Facteur saturation en chaux

(LSF) % 93,98

Module hydraulique (HM) 2,17 Module silicique (SM) 2,04 Module aluminoferrique (TM) 1,85 C³S % 60,86 C³S % 18,84 C³A % 9,57 C4AF % 9,08

151

Exercice n° 10

Enoncé : Une cimenterie fabrique un clinker ordinaire à partir du mélange de calcaire, d’argile et d’un matériau de correction suivant les données du tableau ci-dessous exprimées sur matières sèches :

Calcaire Argile Correctif Tonnage T/h 98,50 20,70 2,48 SiO² % 1,12 80,00 10,10 Al²O3 % 0,81 15,56 15,15 Fe²O³ % 0,41 1,11 70,71 CaO % 54,01 1,11 1,01 Na²0 % 0,15 0,22 0,20 K²0 % 0,30 1,33 0,51 Indosés % 0,76 0,11 0,30 PF % 42,44 0,56 2,02 Somme % 100,00 100,00 100,00

Quelle est la teneur en alcalis équivalents du clinker fabriqué ? Solution : Pour répondre à la question, il faut d’abord calculer la composition chimique et le tonnage des 3 matières premières sur matières calcinées en fonction des tonnages et de la composition chimique des 3 matériaux de base donnés sur matières sèches dans le tableau de l’énoncé :

Calcaire Argile Correctif Tonnage T/h 56,70 20,59 2,43 SiO² % 1,94 80,45 10,31 Al²O3 % 1,41 15,64 15,46 Fe²O³ % 0,71 1,12 72,16 CaO % 93,83 1,12 1,03 Na²0 % 0,26 0,22 0,21 K²0 % 0,53 1,34 0,52 Indosés % 1,32 0,11 0,31 Somme % 100,00 100,00 100,00

A partir de ces caractéristiques sur matières calcinées, il est possible de déterminer le tonnage et la composition du clinker :

Clinker Tonnage T/h 79,71

152

SiO² % 22,47 Al²O3 % 5,51 Fe²O³ % 2,99 CaO % 67,06 Na²0 % 0,25 K²0 % 0,74 Indosés % 0,98 Somme % 100,00

Les alcalis équivalents se calculent suivant la formule : Na²Oeq = Na²O + 0.658 x K²O Na²Oeq = 0.25 + ( 0.658 x0.74 ) = 0.74 %

153

Exercice n° 11

Enoncé : Un clinker répond à la composition suivante :

Clinker Tonnage T/h 79,71 SiO² % 22,47 Al²O3 % 4,51 Fe²O³ % 3,99 CaO % 67,06 Na²0 % 0,25 K²0 % 0,74 Indosés % 0,98 Somme % 100,00

Pour cette concentration en Al²O³, quelle devrait être la teneur en Fe²O³ du clinker pour obtenir une teneur en C³A de 5 % ? Solution : La teneur en C³A est donnée suivant la formule :

C³A = 2.65 x Al²O³ - 1,69 x Fe²O³ Pour répondre à la question, il suffit de résoudre l’équation :

5 = 2,65 X 4.51 – 1.69 X Fe²O³ = 4.11 % de Fe²O³

154

Exercice n° 12

Enoncé : Une cimenterie fabrique un clinker à haute résistance à partir d’un calcaire (Calc A), d’une argile (Arg 1) et d’un matériau de correction (Corr 1). Elle dispose à proximité de 3 anciennes carrières de calcaire (Calc B, Calc C, Calc D) et d’argile (Arg 2) exploitées anciennement par d’autres cimenteries qui ont cessé leurs activités. Le calcaire utilisé est exploité dans une carrière avec une découverte importante (Découv) qui est évacuée. Le tableau suivant résume les caractéristiques chimiques du mélange actuel utilisé pour fabriquer la farine sur matières sèches.

Calc A Calc B Calc C Calc D Arg 1 Arg 2 Découv Corr 1 T T/h 99,00 22,00 2,48

SiO² % 1,12 4,00 1,00 1,00 75,00 80,00 62,00 10,10 Al²O3 % 0,81 4,00 2,00 1,00 15,00 9,00 23,00 15,15 Fe²O³ % 0,41 3,00 0,10 0,20 4,00 5,00 5,00 70,00 CaO % 53,50 44,60 52,00 52,00 2,00 2,00 5,00 1,01 Na²0 % 0,15 0,10 2,00 0,10 0,22 0,20 0,00 0,20 K²0 % 0,30 1,00 0,60 0,10 1,33 0,51 0,00 0,51

P²O5 % 0,10 0,30 0,10 0,70 0,10 0,00 0,10 0,50 Cl % 0,10 0,20 1,00 0,10 0,00 0,00 0,00 0,00

MgO % 1,00 4,00 0,10 0,20 0,10 1,00 0,10 0,20 Indos % 0,07 0,76 0,24 0,74 0,68 0,72 0,87 1,54

PF % 42,44 38,04 40,86 43,86 1,57 1,57 3,93 0,79 ? % 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00

Existe-t-il une formulation plus économique pour fabriquer un clinker équivalent à partir de ces matériaux ? Est-il possible de fabriquer un clinker avec moins de 3 % de C³A ? Solution : Caractéristiques du clinker actuel : Avant de commencer à rechercher une réponse aux questions posées, il est nécessaire de caractériser le clinker fabriqué actuellement. A partir du tableau des caractéristiques des matériaux, il est possible de calculer les caractéristiques du mélange actuel sur matières calcinées et du clinker fabriqué.

155

Calc A Calc B Calc C Calc D Arg 1 Arg 2 Découv Corr 1

T T/h 60,00 21,65 2,46 SiO² % 1,95 6,46 1,69 1,78 76,20 81,28 64,54 10,18 Al²O3 % 1,41 6,46 3,38 1,78 15,24 9,14 23,94 15,27 Fe²O³ % 0,71 4,84 0,17 0,36 4,06 5,08 5,20 70,56 CaO % 92,95 71,99 87,92 92,62 2,03 2,03 5,20 1,02 Na²0 % 0,26 0,16 3,38 0,18 0,22 0,20 0,00 0,20 K²0 % 0,52 1,61 1,01 0,18 1,35 0,52 0,00 0,51

P²O5 % 0,17 0,48 0,17 1,25 0,10 0,00 0,10 0,50 Cl % 0,17 0,32 1,69 0,18 0,00 0,00 0,00 0,00

MgO % 1,74 6,46 0,17 0,36 0,10 1,02 0,10 0,20 Indos % 0,12 1,22 0,41 1,32 0,69 0,73 0,91 1,55

? % 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00

Clinker T T/h 84,12

SiO² % 21,30 Al²O3 % 5,37 Fe²O³ % 3,62 CaO % 66,85 Na²0 % 0,25 K²0 % 0,73 P²O5 % 0,16 Cl % 0,12 MgO % 1,27 Ind % 0,31 ? % 100,00

Saturation en chaux (LSF) % 97,83 Module hydraulique (HM) 2,21 Module silicique (SM) 1,98 Module aluminoferrique (TM) 1,49 C³S % 68,91 C³S % 9,45 C³A % 8,13 C4AF % 11,00

La production théorique du four est de 84.12 x 24 = 2019 T/j

156

1. Critique des matériaux disponibles : Matériaux calcaires

? Calcaire A : Le calcaire est exploité dans la carrière de l’usine pour la fabrication du clinker actuel. Il peur être pris comme référence pour évaluer les autres matériaux.

? Calcaire B :

Le calcaire B est un calcaire pauvre. Il a le gros désavantage d’apporter une quantité importante de magnésie. Il ne peut certainement pas être utilisé seul mais éventuellement en faible quantité. Les teneurs en alumine et fer sont aussi élevées

? Calcaire C

Il s’agit d’un calcaire d’une haute pureté. L’utilisation du calcaire C doit être limitée car il contient des quantités importantes de chlore et d’alcalis qui perturberont le bon fonctionnement du four avant de modifier, si ces éléments se retrouvent dans le clinker, la qualité du produit final. Ce matériau ne pourra être utilisé qu’en faible proportion dans la farine.

? Calcaire D :

Il s’agit d’un calcaire de haute pureté. Son utilisation sera limitée par sa teneur en phosphate qui aura une répercussion sur la vitesse de durcissement du ciment.

Matériaux siliceux :

? Argile 1 : Ce matériau peut être pris comme matériau de référence pour les apports de silice. Il s’agit sans doute d’un sable argileux au vu du rapport silice et alumine.

? Argile 2 :

La deuxième argile est aussi un sable argileux qui ne contient pas d’élément chimique indésirable par rapport au matériau siliceux de référence. L’énoncé ne donne aucune indication sur les finesses ou la broyabilité de ces matériaux. A priori, Arg 2 peut remplacer Arg 1.

? Découverte : Ce matériau constitue la découverte de la carrière de calcaire actuellement en exploitation. Pour cette raison, son utilisation est certainement avantageuse sur un plan économique. Au niveau chimique il s’agit aussi d’un sable argileux avec une quantité plus importante en alumine que les 2 autres matériaux siliceux (rapport silice/alumine plus faible). L’introduction de la découverte dans la farine modifiera fondamentalement l’apport d’alumine et par conséquent la qualité du clinker.

157

2. Mélange destiné à la fabrication d’un clinker de qualité équivalente : La solution économique consiste à introduire une certaine quantité de découverte dans le mélange pour constituer la farine. Cette action a comme avantage de réduire la quantité de matière de correction. Elle ne modifie pas fondamentalement la composition et les caractéristiques du clinker :

? Légère diminution du module silicique ? Légère augmentation de la magnésie ? Diminution des alcalis équivalents

Caractéristiques sur matières sèches

Calc A Calc B Calc C Cal D Arg 1 Arg 2 Découv Corr 2

T T/h 104,00 12,00 11,00 2,35 SiO² % 1,12 4,00 1,00 1,00 75,00 80,00 62,00 10,10 Al²O3 % 0,81 4,00 2,00 1,00 15,00 9,00 23,00 15,15 Fe²O³ % 0,41 3,00 0,10 0,20 4,00 5,00 5,00 70,00 CaO % 53,50 44,60 52,00 52,00 2,00 2,00 5,00 1,01 Na²0 % 0,15 0,10 2,00 0,10 0,22 0,20 0,00 0,20 K²0 % 0,30 1,00 0,60 0,10 1,33 0,51 0,00 0,51

P²O5 % 0,10 0,30 0,10 0,70 0,10 0,00 0,10 0,50 Cl % 0,10 0,20 1,00 0,10 0,00 0,00 0,00 0,00

MgO % 1,00 4,00 0,10 0,20 0,10 1,00 0,10 0,20 Ind % 0,07 0,76 0,24 0,74 0,68 0,72 0,87 1,54 PF % 42,44 38,04 40,86 43,86 1,57 1,57 3,93 0,79 ? % 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00

Caractéristiques sur matières calcinées Calc A Calc B Calc C Cal D Arg 1 Arg 2 Découv Corr 2

T T/h 59,86 0,00 0,00 0,00 0,00 11,81 10,57 2,33 SiO² % 1,95 6,46 1,69 1,78 76,20 81,28 64,54 10,18 Al²O3 % 1,41 6,46 3,38 1,78 15,24 9,14 23,94 15,27 Fe²O³ % 0,71 4,84 0,17 0,36 4,06 5,08 5,20 70,56 CaO % 92,95 71,99 87,92 92,62 2,03 2,03 5,20 1,02 Na²0 % 0,26 0,16 3,38 0,18 0,22 0,20 0,00 0,20 K²0 % 0,52 1,61 1,01 0,18 1,35 0,52 0,00 0,51

P²O5 % 0,17 0,48 0,17 1,25 0,10 0,00 0,10 0,50 Cl % 0,17 0,32 1,69 0,18 0,00 0,00 0,00 0,00

MgO % 1,74 6,46 0,17 0,36 0,10 1,02 0,10 0,20 Ind % 0,12 1,22 0,41 1,32 0,69 0,73 0,91 1,55 ? % 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00

158

Caractéristiques du clinker

Clinker

T T/h 84,57 SiO² % 21,07 Al²O3 % 5,69 Fe²O³ % 3,81 CaO % 66,75 Na²0 % 0,22 K²0 % 0,46

P²O5 % 0,15 Cl % 0,12

MgO % 1,39 Ind % 0,34 ? % 100,00

Facteur saturation en chaux (LSF) % 97,89 Module hydraulique (HM) 2,18

Module silicique (SM) 1,85 Module aluminoferrique (TM) 1,49

C³S % 67,87 C³S % 9,58 C³A % 8,63 C4AF % 11,58

Comparaison des 2 formulations

Référence Proposition

T T/h 84,12 84,57 SiO² % 21,30 21,07 Al²O3 % 5,37 5,69 Fe²O³ % 3,62 3,81 CaO % 66,85 66,75 Na²0 % 0,25 0,22 K²0 % 0,73 0,46 P²O5 % 0,16 0,15 Cl % 0,12 0,12 MgO % 1,27 1,39 Ind % 0,31 0,34 ? % 100,00 100,00 Saturation en chaux (LSF) % 97,83 97,89 Module hydraulique (HM) 2,21 2,18 Module silicique (SM) 1,98 1,85 Mod aluminoferrique (TM) 1,49 1,49 C³S % 68,91 67,87 C³S % 9,45 9,58 C³A % 8,13 8,63 C4AF % 11,00 11,58

159

3. Mélange destiné à la fabrication d’un clinker avec une teneur en C³A < 3 % : La réduction de la teneur en C³A peut être obtenue de 2manières utilisées conjointement ou séparément en choisissant les matières premières pour :

? Augmenter la teneur en fer ? Réduire la teneur en alumine

Par exemple une solution peut être obtenue à partir du calcaire A, de l’argile 2 et du matériau de correction.

Caractéristiques sur matières sèches Calc A Calc B Calc C Cal D Arg 1 Arg 2 Découv Corr 2

T T/h 104,00 21,00 3,70 SiO² % 1,12 4,00 1,00 1,00 75,00 80,00 62,00 10,10 Al²O3 % 0,81 4,00 2,00 1,00 15,00 9,00 23,00 15,15 Fe²O³ % 0,41 3,00 0,10 0,20 4,00 5,00 5,00 70,00 CaO % 53,50 44,60 52,00 52,00 2,00 2,00 5,00 1,01 Na²0 % 0,15 0,10 2,00 0,10 0,22 0,20 0,00 0,20 K²0 % 0,30 1,00 0,60 0,10 1,33 0,51 0,00 0,51

P²O5 % 0,10 0,30 0,10 0,70 0,10 0,00 0,10 0,50 Cl % 0,10 0,20 1,00 0,10 0,00 0,00 0,00 0,00

MgO % 1,00 4,00 0,10 0,20 0,10 1,00 0,10 0,20 Ind % 0,07 0,76 0,24 0,74 0,68 0,72 0,87 1,54 PF % 42,44 38,04 40,86 43,86 1,57 1,57 3,93 0,79 ? % 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00

Caractéristiques sur matières calcinées Calc A Calc B Calc C Cal D Arg 1 Arg 2 Découv Corr 2

T T/h 59,86 0,00 0,00 0,00 0,00 20,67 0,00 3,67 SiO² % 1,95 6,46 1,69 1,78 76,20 81,28 64,54 10,18 Al²O3 % 1,41 6,46 3,38 1,78 15,24 9,14 23,94 15,27 Fe²O³ % 0,71 4,84 0,17 0,36 4,06 5,08 5,20 70,56 CaO % 92,95 71,99 87,92 92,62 2,03 2,03 5,20 1,02 Na²0 % 0,26 0,16 3,38 0,18 0,22 0,20 0,00 0,20 K²0 % 0,52 1,61 1,01 0,18 1,35 0,52 0,00 0,51

P²O5 % 0,17 0,48 0,17 1,25 0,10 0,00 0,10 0,50 Cl % 0,17 0,32 1,69 0,18 0,00 0,00 0,00 0,00

MgO % 1,74 6,46 0,17 0,36 0,10 1,02 0,10 0,20 Ind % 0,12 1,22 0,41 1,32 0,69 0,73 0,91 1,55 ? % 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00

160

Caractéristiques du clinker

Clinker

T T/h 84,20 SiO² % 21,78 Al²O3 % 3,91 Fe²O³ % 4,83 CaO % 66,62 Na²0 % 0,24 K²0 % 0,52

P²O5 % 0,15 Cl % 0,12

MgO % 1,49 Ind % 0,33 ? % 100,00

Facteur saturation en chaux (LSF) % 96,93 Module hydraulique (HM) 2,18

Module silicique (SM) 2,78 Module aluminoferrique (TM) 0,81

C³S % 72,44 C³S % 8,17 C³A % 2,20 C4AF % 14,68

Comparaison des 2 formulations

Référence Proposition

T T/h 84,12 84,20 SiO² % 21,30 21,78 Al²O3 % 5,37 3,91 Fe²O³ % 3,62 4,83 CaO % 66,85 66,62 Na²0 % 0,25 0,24 K²0 % 0,73 0,52 P²O5 % 0,16 0,15 Cl % 0,12 0,12 MgO % 1,27 1,49 Ind % 0,31 0,33 ? % 100,00 100,00 Saturation en chaux (LSF) % 97,83 96,93 Module hydraulique (HM) 2,21 2,18 Module silicique (SM) 1,98 2,78 Mod aluminoferrique (TM) 1,49 0,81 C³S % 68,91 72,44 C³S % 9,45 8,17 C³A % 8,13 2,20 C4AF % 11,00 14,68

161

Exercice 13

Enoncé : Une cimenterie désire fabriquer un clinker pour puits de pétrole à partir de 4 matières premières disponibles à proximité de l’usine :

? Calcaire (10 % d’humidité) ? Découverte de la carrière (10 % d’humidité) ? Argile (10 % d’humidité) ? Minerai de fer (3 % d’humidité)

Le clinker doit avoir un facteur de saturation compris entre 97 et 100 % et une teneur en C³A < 3 %. La production du four est de 100 t par heure de marche en régime. La cuisson est menée au gaz naturel et la marche du four ne nécessite pas de by pass de poussières. Les compositions sur matières sèches de ces matériaux sont données dans le tableau suivant.

Calcaire Découverte Argile Minerai fer SiO² % 1,12 80,00 62,00 10,10

Al²O3 % 0,81 9,00 23,00 15,15 Fe²O³ % 0,41 5,00 5,00 70,00 CaO % 53,50 2,00 5,00 1,01 Na²0 % 0,15 0,20 0,00 0,20 K²0 % 0,30 0,51 0,00 0,51

P²O5 % 0,10 0,00 0,10 0,50 Cl % 0,10 0,00 0,00 0,00

MgO % 1,00 1,00 0,10 0,20 Indosés % 0,07 0,72 0,87 1,54

PF % 42,44 1,57 3,93 0,79 Somme % 100,00 100,00 100,00 100,00

On demande de proposer une composition de farine pour répondre à cet objectif Et de calculer le tonnage horaire des matières premières à préparer. Solution : On demande de fabriquer un clinker avec 3 caractéristiques :

? le tonnage de clinker à produire (100t/h ) ? la saturation de ce clinker doit être comprise entre 97 et 100 % ? la teneur en C³A du clinker doit être en dessous de 3 %

Ce système de 3 équations sera résolu avec 3 inconnues :

162

? la quantité de calcaire (matière de base) ? la quantité de minerai de fer (nécessaire pour réduire la teneur en C³A) ? la découverte, matière argileuse à déplacer pour l’exploitation du calcaire, qui

contient le moins d’alumine par rapport à la concentration de silice. L’argile est éliminée dans le calcul si les disponibilités en matières argileuses dans la découverte sont suffisantes. Bilan matières : Tc calciné + Td calciné + Tf calciné = 100 Avec :

? Tc brut = Tc calciné / ( ( 100 – 10 ) / 100 ) x ( ( 100 – 42.44) / 100)

? Td brut = Td calciné / ( ( 100 – 10 ) / 100 ) x ( ( 100 – 1.57) / 100)

? Tf brut = Tf calciné / ( ( 100 – 3 ) / 100 ) x ( ( 100 – 0.79) / 100) Facteur de saturation :

100((Tccalciné x CaOccalciné) + (Tdcalciné x CaOdcalciné) + (Tfcalciné x CaOfcalciné)) /

2.8((Tccalciné x SiO²ccalciné) + (Tdcalciné x SiO²dcalciné) + (Tfcalciné x SiO²fcalciné))

1.18((Tccalciné x Al²O³ccalciné) + (Tdcalciné x Al²O³dcalciné) + (Tfcalciné x Al²O³fcalciné))

0.65((Tccalciné x fe²O³ccalciné) + (Tdcalciné x Fe²O³dcalciné) + (Tfcalciné x Fe²O³fcalciné))

= 99 Teneur en C³A : 2.65((Tccalciné x Al²O³ccalciné) + (Tdcalciné x Al²O³dcalciné) + (Tfcalciné x Al²O³fcalciné))

-

1.69((Tccalciné x fe²O³ccalciné) + (Tdcalciné x Fe²O³dcalciné) + (Tfcalciné x Fe²O³fcalciné))

= 2,6 La résolution de ce système de 3 équations à 3 inconnues à comme solution :

? Calcaire : 139 t/h ? Découverte : 27.5 t/h ? Minerai de fer :4 t/h

Les diverses transformations de matières brutes en matières sèches et matières calcinées sont résumées dans les tableaux suivants.

Brut Calcaire Découverte Argile Minerai fer

163

Tonnage T/h 139,00 27,50 4,00 Humidité % 10,00 10,00 5,00 3,00

Sec Calcaire Découverte Argile Minerai fer

Tonnage T/h 125,10 24,75 0,00 3,88 SiO² % 1,12 80,00 62,00 10,10

Al²O3 % 0,81 9,00 23,00 15,15 Fe²O³ % 0,41 5,00 5,00 70,00 CaO % 53,50 2,00 5,00 1,01 Na²0 % 0,15 0,20 0,00 0,20 K²0 % 0,30 0,51 0,00 0,51

P²O5 % 0,10 0,00 0,10 0,50 Cl % 0,10 0,00 0,00 0,00

MgO % 1,00 1,00 0,10 0,20 Indosés % 0,07 0,72 0,87 1,54

PF % 42,44 1,57 3,93 0,79 Somme % 100,00 100,00 100,00 100,00

Calciné Calcaire Découverte Argile Minerai fer

Tonnage T/h 72,01 24,36 0,00 3,85 SiO² % 1,95 81,28 64,54 10,18

Al²O3 % 1,41 9,14 23,94 15,27 Fe²O³ % 0,71 5,08 5,20 70,56 CaO % 92,95 2,03 5,20 1,02 Na²0 % 0,26 0,20 0,00 0,20 K²0 % 0,52 0,52 0,00 0,51

P²O5 % 0,17 0,00 0,10 0,50 Cl % 0,17 0,00 0,00 0,00

MgO % 1,74 1,02 0,10 0,20 Indosés % 0,12 0,73 0,91 1,55 Somme % 100,00 100,00 100,00 100,00

164

Clinker

Tonnage T/h 100,22 SiO² % 21,55

Al²O3 % 3,82 Fe²O³ % 4,46 CaO % 67,32 Na²0 % 0,24 K²0 % 0,52

P²O5 % 0,14 Cl % 0,12

MgO % 1,50 Indosés % 0,32 Somme % 100,00

Facteur saturation en chaux

(LSF)

99,38

Module hydraulique (HM) 2,26 Module silicique (SM) 2,82

Module aluminoferrique (TM) 0,86 C³S % 78,18 C³S % 3,20 C³A % 2,59

C4AF % 13,55

165

Exercice 14

Enoncé : Les résultats d’analyse à l’entrée et à la sortie d’un silo d’homogénéisation de cru avant l’alimentation d’un four sont repris dans les 2 tableaux suivants. Décrivez le procédé utilisé et calculez le rendement d’homogénéisation de ce silo ?

Remplissage du silo SiO² Al²O³ Fe²O³ CaO LSF

1 10,41 2,11 1,35 47,55 146 2 9,93 1,93 1,33 47,38 153 3 9,94 2,00 1,33 47,60 153 4 10,17 2,01 1,36 47,18 149 5 10,00 1,93 1,33 47,58 153 6 10,31 2,00 1,28 47,46 148 7 10,82 2,15 1,31 47,36 141 8 10,64 2,03 1,36 46,90 142 9 10,39 1,99 1,33 46,96 145 10 10,38 2,05 1,30 47,38 147 11 10,45 2,15 1,36 47,45 145 12 9,90 1,94 1,30 47,56 154 13 9,83 1,85 1,26 47,58 156 14 9,94 2,02 1,35 47,65 153 15 9,95 2,20 1,32 47,70 152 16 10,15 2,02 1,34 47,26 149 17 9,20 1,92 1,28 47,99 166 18 8,90 2,15 1,30 48,70 172 19 10,30 2,06 1,31 47,40 148 20 11,39 2,22 1,34 45,96 130 21 11,48 2,32 1,33 46,02 129 22 11,28 2,25 1,35 46,48 132 23 10,44 2,25 1,32 47,49 145

Moy 10,27 2,07 1,32 47,33 148

E Type 0,61 0,12 0,03 0,59 10

166

Correction et vidange du silo

SiO² Al²O³ Fe²O³ CaO LSF

1 12,26 2,54 1,71 44,01 114 2 12,42 2,50 1,71 44,90 116 3 11,86 2,49 1,70 44,34 119 4 11,85 2,49 1,69 45,45 122 5 12,41 2,53 1,70 44,80 115 6 12,35 2,49 1,69 45,04 117 7 12,42 2,52 1,70 45,08 116 8 12,12 2,47 1,69 44,92 118 9 12,49 2,52 1,70 45,12 116 10 12,25 2,56 1,71 44,05 115 11 12,45 2,48 1,70 44,96 116 12 11,92 2,51 1,72 44,24 118 13 11,82 2,47 1,71 45,46 122 14 12,49 2,53 1,72 45,00 115 15 12,41 2,54 1,68 44,75 115 16 12,36 2,51 1,70 45,10 117 17 12,15 2,47 1,68 44,98 118 18 11,90 2,50 1,70 45,40 121 19 12,50 2,50 1,72 44,75 115 20 12,40 2,51 1,72 44,95 116 21 12,32 2,48 1,67 45,40 118 22 12,10 2,45 1,68 44,95 119 23 12,40 2,50 1,72 45,00 116

Moy 12,25 2,50 1,70 44,90 117

E Type 0,23 0,03 0,01 0,41 2 Solution : En comparant les analyses des 2 tableaux Entrée et Sortie silo, il est évident que des opérations de correction chimique sont réalisées pendant l’homogénéisation de la matière. La saturation passe de 148 % en moyenne à l’entrée du silo à 117 % en moyenne à la sortie du silo. Cette farine ne peut servir seule à la fabrication du clinker. Il est nécessaire d’ajouter une quantité importante de matières siliceuses pour ramener son facteur de saturation de 117 % à une valeur < 100 % lors de la cuisson. Le rapport d’homogénéisation (E) est défini par le rapport des écarts type entrée et sortie silo. Il est >2.5 et supérieur aux valeurs moyennes pour ce genre d’installation.

SiO² Al²O³ Fe²O³ CaO LSF Entrée 0.61 0.12 0.03 0.59 10 Sortie 0.23 0.03 0.01 0.41 2

E 2.6 4.0 3.0 2.6 5.0

167

Etude de l'utilisation potentielle d'argiles dans un cru de cimenterie

1 Objectif de l'étude Etablir un diagnostic sur l'utilisation de matériaux siliceux disponibles près d’une cimenterie pour la fabrication d'un clinker. 2 Echantillons à évaluer - Argilite prélevée entre 488 et 489 mètres. L'échantillon est constitué de 8 morceaux de

carottes de 85 mm de diamètre et 40 mm de hauteur. - Silt Argileux prélevé entre 590 et 613 mètres (Silt en abrégé). L'échantillon est constitué de

3 morceaux de carottes de 100 mm de diamètre et de 100 mm de hauteur. 3 Résultats Les résultats sont résumés dans les tableaux et les graphiques en annexe. 4 Modes opératoires 4.1 Schéma général de travail Un échantillon de ± 1 kg de matière est constitué pour l'étude en prélevant un morceau sur chacune des 8 carottes d'Argilite et des 3 carottes de Silt. L'humidité est déterminée avant la réduction complète de l'échantillon en dessous de 200 µm dans un broyeur à couteaux. La caractérisation chimique et la mesure de la courbe granulométrique sont réalisées à ce stade. Pour évaluer l'aptitude à la cuisson des 2 matériaux argileux, des farines synthétiques sont préparées en mélangeant ces matériaux avec une farine de base avec un module LSF de 125. Les mélanges sont obtenus par un broyage de 30 secondes dans un broyeur oscillant en milieu humide. Deux matériaux traditionnellement utilisés en cimenterie sont pris comme référence pour cette évaluation. L'évolution de la teneur en chaux libre des farines en fonction de la température de calcination servira à caractériser l'aptitude à la cuisson de l'Argilite et du Silt. 4.2 Méthodes analytiques 4.2.1 Humidité

L'échantillon de ± 1 kg constitué de morceaux de carottes concassés en dessous de 10 mm de diamètre est porté à 100 °C dans une étuve ventilée. L'échantillon est maintenu jusque poids constant. La perte de poids constitue l'humidité de l'échantillon.

4.2.2 Concassage

Le concassage des échantillons secs est réalisé dans un broyeur rotatif à couteaux. La sortie du broyeur est équipée d'une grille de maille de 200 µm.

4.2.3 Broyage

168

Un broyeur à anneaux oscillants est utilisé pour le broyage final en dessous de 100 µm des échantillons concassés. L'homogénéisation de la farine (Matériaux ANDRA et farine de base de LSF 125) dont l'aptitude à la cuisson sera ensuite déterminée, est réalisée pendant le broyage. Pour éviter une agglomération de la matière sur les parois du broyeur, le broyage se fait en milieu humide (acétone). La pâte ainsi préparée est séchée pour éliminer le liquide de broyage.

4.2.4 Perte au feu

La perte au feu est déterminée suivant la norme EN 196-2 : Méthodes d'essais des ciments, analyse chimique des ciments (détermination en atmosphère oxydante à 975 °c). La même détermination peut être réalisée à d'autres températures.

4.2.5 Résidu insoluble

Le résidu insoluble est déterminé suivant la norme EN 196-2 : Méthodes d'essais des ciments, analyse chimique des ciments.

RI (1) : insolubilisation dans une solution d'acide chlorhydrique dilué. RI (2) : double insolubilisation à l'acide chlorhydrique dilué et au carbonate de soude.

4.2.6 Dosage du soufre par spectrométrie infrarouge

Le soufre de l'échantillon est libéré sous forme de SO2 par chauffage en milieu oxydant. L'absorption quantitative du rayonnement infrarouge est utilisée pour la détermination du soufre total quelle que soit sa forme minéralogique.

4.2.7 Dosage potentiométrique des chlorures

Après mise en solution, les chlorures de l'échantillon sont précipités par une solution de nitrate d'argent. Le point d'équivalence est mis en évidence par la brusque variation de potentiel entre deux électrodes.

4.2.8 Dosage coulométrique de l'anhydrite carbonique

L'anhydrite carbonique libérée par l'attaque acide de l'échantillon est absorbée quantitativement par la monoéthanolamine. La mesure coulométrique est réalisée dans une cellule photoélectrique.

4.2.9 Dosage de la chaux libre

La chaux libre dans une matière calcinée est déterminée suivant la méthode de Schlapfer-Bukowski. La chaux libre est dissoute dans l'éthylène glycol. Le glycolate de calcium formé est dosé après filtration par une solution d'acide chlorhydrique.

4.2.10 Analyse chimique

Un spectromètre séquentiel à Rayons X est utilisé pour la caractérisation chimique des matériaux. L'analyse des éléments majeurs est réalisée sur un verre synthétique préparé à partir de l'échantillon à analyser, de tétraborate et de nitrate de lithium. L'analyse des mineurs est effectuée sur une pastille préparée à partir de l'échantillon à analyser, après broyage et pastillage.

4.2.11 Modules et indices

169

L'analyse chimique est exprimée sur matières sèches ou sur matières calcinées à perte au feu nulle. A partir de l'analyse chimique le cimentier calcule des modules chimiques pour qualifier les farines ou les clinkers.

Mod de saturation en chaux = 100 x CaO/(2.8 x SiO2 + 1.18 x 1Al 2O3 + 0.65 x Fe2O3) Module silicique = SiO2/(Al2O3 + Fe2O3) Module alumino-ferrique = Al2O3/Fe2O3

La composition minéralogique potentielle des clinkers est déterminée à partir des formules de Bogue. La chaux libre et les sulfates présents ne sont pas pris en considération.

Alite = 4.71 x CaO - 7.602 x SiO2 - 6.718 x Al2O3 - 1.43 x Fe2O3 Bélite = 2.867 x SiO2 - 0.7544 x Alite Aluminate = 2.65 x Al2O3 -1.692 x Fe2O3

Ferrite = 0.43 x Fe2O3

4.2.12 Analyse granulométrique laser

La lumière cohérente issue d'un laser hélium-néon traverse une suspension de l'échantillon à mesurer. La courbe granulométrique est calculée à partir de la diffraction du faisceau lumineux liée à la dimension des grains diffractants. 4.3 Aptitude à la cuisson du cru de cimenterie 4.3.1 Principes de la méthode

La cuisson du cru (farine ou pâte) en clinker est une étape importante du processus cimentier. Le clinker est en fait constitué de quatre composants qui se combinent pendant la cuisson. De nombreux paramètres physiques ou chimiques influencent cette opération. Aussi il est primordial pour le cimentier de connaître ou d'évaluer l'aptitude à la cuisson de son cru.

Le constituant essentiel du clinker est le silicate tricalcique. Ce corps est obtenu par cuisson à haute température de matières premières constituées principalement de silice et de chaux. La présence d'alumine et d'oxyde de fer facilite énormément la cuisson par formation de phases liquides.

Les réactions se faisant en partie à l'état solide, le degré de facilité de cuisson dépend principalement des paramètres suivants:

? la composition chimique :

- les quatre oxydes principaux de silicium, calcium, aluminium et fer - la présence d'oxydes mineurs;

? la nature minéralogique des matières premières qui influe sur la réactivité propre des éléments (calcaire ou craie, silicate ou quartz, ...);

? la finesse et l'homogénéité du mélange; ? la présence ou l'absence de minéralisateurs.

L'aptitude à la cuisson est un paramètre important dans le processus de fabrication cimentier. Elle intervient sur le débit du four, la consommation calorifique, la bonne tenue des

170

réfractaires, et en définitive sur le prix de revient de la cuisson proprement dite. L'aptitude à la cuisson est une méthode comparative qui permet d'apprécier l'importance d'un paramètre, une nouvelle matière première dans le cru par exemple, sur la cuisson du clinker.

On peut suivre l'avancement des réactions qui se produisent dans un four de cimenterie par la diminution de la perte au feu et de la teneur en chaux libre de la farine en fonction de l'élévation de température. Cette méthode est de caractère empirique mais permet de tester de façon pratique l'influence d'un paramètre minéralogique ou chimique sur les réactions de combinaison de la chaux ainsi que la cinétique de ces réactions.

4.3.2 Description de la méthode

Une farine synthétique est préparée à partir des matériaux siliceux à tester avec une farine de base ayant un module LSF de 125. Il n'est pas possible de maintenir constant tous les modules chimiques sans introduire un matériau supplémentaire qui influencera aussi les résultats d'aptitude à la cuisson. Les deux composants sont mélangés de manière à obtenir une farine finale de module LSF de 97. Pour tenir compte des différences de composition chimique des deux farines à tester, deux farines préparées à partir de matériaux connus sont prises comme référence.

La farine à tester est broyée pour obtenir un diamètre de grain maximum de 32 µm. 5 g de farine sont placés dans un creuset de Pt/Au et introduits dans un four à moufle dont la température a été préalablement stabilisée à la température d'essai. La calcination est maintenue pendant 15 minutes. Le creuset est ensuite refroidi rapidement à la température ambiante. Le test est reproduit pour les températures de 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300 et 1400 °C. Le coefficient d'aptitude à la cuisson est calculé en fonction des teneurs en chaux libre des 7 farines calcinées.

Aptitude à la cuisson =

600 / (C800 °C + 2 x C900 °C + 2 x C1000 °C + 3 x C1100 °C + 3 x C1200 °C + 4 x C1300 °C + 4 x C1400 °C)

5. Commentaires 5.1 Sur la broyabilité Le broyage du Silt est plus difficile. Dans nos conditions d'essais, le Silt dépasse à partir de 32 µm le refus des matériaux traditionnels ou de l'Argilite et nécessitera sans doute une énergie plus importante pendant le broyage industriel (tableau 2.1.2, graphique 1). L'Argilite contient une humidité résiduelle de 6% qui devra être éliminée pendant le broyage (tableau 1.1.1). 5.2 Sur les caractéristiques chimiques Les deux matériaux siliceux prélevés par la cimenterie A présentent un apport siliceux intéressant mais comportent aussi une teneur élevée en carbonate (tableau 1.1.1). Il faut 50% d'Argilite en plus ou 20% de Silt en plus que les matériaux siliceux traditionnels, sable argileux ou cendres volantes, pour obtenir les caractéristiques de la farine à calciner (tableau 2.2). D'un point de vue cimentier, la silice des deux échantillons fournis par la cimenterie se présente sous une forme assimilable. Les résidus insolubles obtenus par simple insolubilisation à l'acide ou par double insolubilisation acide-base sont comparables aux caractéristiques des matériaux traditionnels (tableau 2.3.1).

171

L'Argilite apporte une quantité non négligeable d'oxydes d'aluminium et de fer. L'apport de ces deux oxydes par pour-cent de silice est de 0.34 pour l'Argilite, 0.18 pour le Silt, 0.16 pour le sable argileux, 0.62 pour les cendres volantes. Il faudra tenir compte de cet apport de phase liquide en cas d'utilisation en quantité importante d'Argilite dans un cru de cimenterie (tableau 1.1.1). Les teneurs en soufre ou en alcalis sont importantes et pourraient provoquer des irrégularités dans certains processus cimentiers (tableau 1.1.1). Les teneurs en phosphates et en chlores sont faibles (tableau 1.1.1). En ce qui concerne les éléments mineurs, la teneur en chrome est relativement élevée dans l'échantillon d'Argilite (tableau 1.1.2). 5.3 Sur l'aptitude à la cuisson Il est possible de préparer des farines synthétiques en laboratoire à partir d'Argilite et de Silt (tableau 2.2). Les caractéristiques chimiques des deux farines sont relativement proches des caractéristiques chimiques des deux farines de référence pour les modules silicique et alumino-ferreux et pour la composition minéralogique potentielle calculée suivant les formules de Bogue (tableaux 2.3.1, 2.3.2 et 2.3.3). Dans nos conditions d'essais, les écarts entre la courbe granulométrique du Silt et les courbes granulométrique de l'Argilite, du sable argileux ou des cendres volantes ne se sont pas reproduits pendant le broyage final des farines synthétiques en laboratoire (tableau 2.4). Ce facteur n'influence donc pas les résultats des tests d'aptitude à la cuisson. L'aptitude à la cuisson des deux matériaux de la cimenterie, comparable à l'aptitude à la cuisson des matériaux de référence, est bonne (tableaux 2.5.1 et 2.5.2, graphiques 2 et 3). L'Argilite présente de meilleurs résultats à mettre en relation avec le module silicique plus faible. 6. Conclusions Sur base des analyses réalisées sur les matériaux de la cimenterie, il est possible d'introduire l'Argilite et le Silt dans des crus de cimenterie.

? Les deux matériaux contiennent une quantité importante de carbonate de calcium.

? L'Argilite qui apporte aussi de l'aluminium et du fer, doit être séchée. ? Le Silt nécessite une énergie de broyage plus importante.

172

1 Caractéristiques chimiques des échantillons

1.1 Analyse sur matières sèches

Argilite Silt Argileux

SiO² % 41.97 53.69 Al²O³ % 10.44 7.01 Fe²O³ % 4.03 2.82 CaO % 17.85 17.04 MgO % 2.55 0.95 Na²O % 0.31 0.30 K²O % 3.08 1.25

Mn²O³ % 0.07 0.05 TiO² % 0.61 0.49 P²O5 % 0.09 0.05 SO³ % 1.66 1.36 Cl % 0.01 0.03

P au Feu % 18.08 15.57 Somme % 100.74 100.62 PF 500°c % 4.36 4.16

CO² % 14.24 12.37 Humidité % 5.46 1.95

Te ppm 5 5 Sb ppm 4 4 Cd ppm 4 4 Pb ppm 3 3 Br ppm 5 5 Se ppm 1 1 As ppm 6 6 Tl ppm 3 3 Zn ppm 84 45 Cu ppm 28 22 Ni ppm 62 40 Co ppm 32 130 Cr ppm 128 75 V ppm 150 80

173

1.2 Analyse sur matières calcinées

Argilite Silt Argileux

SiO² % 51.23 63.59 Al²O³ % 12.74 8.30 Fe²O³ % 4.91 3.34 CaO % 21.79 20.19 MgO % 3.11 1.12 Na²O % 0.38 0.36 K²O % 3.76 1.48

Mn²O³ % 0.08 0.06 TiO² % 0.74 0.58 P²O5 % 0.11 0.06 SO³ % 2.03 1.61 Cl % 0.01 0.04

Somme % 100.90 100.73

174

2 Aptitude à la cuisson

2.1 Caractéristiques des échantillons

Référence Référence Référence Argilite Silt Argileux Cru ciment Sable

argileux Cendres volantes

2.1.1 Analyse sur matières sèches

SiO² % 41.97 53.69 11.58 72.11 54.45 Al²O³ % 10.44 7.01 2.50 8.12 27.24 Fe²O³ % 4.03 2.82 1.86 3.26 6.60 CaO % 17.85 17.04 45.68 5.24 2.19 MgO % 2.55 0.95 0.43 1.25 1.25 Na²O % 0.31 0.30 0.14 0.90 0.45 K²O % 3.08 1.25 0.46 1.99 3.30

Mn²O³ % 0.07 0.05 0.05 0.09 0.06 TiO² % 0.61 0.49 0.14 0.68 1.53 P²O5 % 0.09 0.05 0.18 0.11 0.15 SO³ % 1.66 1.36 0.20 0.14 0.49 Cl % 0.01 0.03 0.01 0.01 0.01

P au Feu % 18.08 15.57 36.88 6.37 3.07 Somme % 100.74 100.62 100.10 100.26 100.79

2.1.2 Courbe granulométrique (passants laser)

192.0 µm % 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 128.0 µm % 98.0 95.1 100.0 100.0 100.0 96.0 µm % 96.0 88.0 100.0 99.6 97.6 64.0 µm % 92.0 78.0 98.7 95.0 89.3 48.0 µm % 87.0 70.6 98.6 90.2 85.1 32.0 µm % 78.2 58.9 94.1 66.3 68.4 24.0 µm % 70.0 50.7 92.9 51.3 59.0 16.0 µm % 58.9 41.2 88.4 35.7 46.8 12.0 µm % 49.9 33.9 86.7 29.3 38.0 8.0 µm % 40.7 27.5 80.2 23.4 27.7 6.0 µm % 33.3 22.5 74.2 19.6 20.8 4.0 µm % 25.5 18.2 64.0 15.1 14.1 3.0 µm % 20.1 15.0 57.8 12.3 10.4 2.0 µm % 13.4 11.1 43.4 8.4 7.7 1.5 µm % 7.4 6.5 28.1 5.1 5.5 1.0 µm % 5.3 4.7 20.2 3.8 4.4

175

2.2 Composition des crus synthétiques

Référence Référence Argilite Silt Argileux Sable


Argilite % 8.445

Silt % 6.859 Cru base % 91.555 93.141 95.190 94.665 Sable Arg % 4.810

CV % 5.335

2.3 Caractéristiques chimiques des crus synthétiques Référence Référence Argilite Silt Argileux Sable


2.3.1 Analyse chimique des clinkers synthétiques

SiO² % 21.86 22.40 22.43 21.35 Al²O³ % 4.90 4.35 4.29 5.88 Fe²O³ % 3.16 2.98 2.98 3.25 CaO % 66.96 67.68 67.71 66.78 MgO % 0.94 0.72 0.73 0.73 Na²O % 0.24 0.23 0.27 0.24 K²O % 1.05 0.80 0.83 0.94

Mn²O³ % 0.08 0.08 0.08 0.08 TiO² % 0.28 0.25 0.26 0.33 P²O5 % 0.27 0.26 0.27 0.28 SO³ % 0.50 0.43 0.30 0.33 Cl % 0.02 0.02 0.02 0.02

Somme % 100.23 100.21 100.16 100.21

2.3.2 Modules chimiques

LSF 97.00 97.00 97.00 97.00 Silicique 2.71 3.05 3.08 2.34

Al/Fer 1.55 1.46 1.44 1.81

2.3.3 Composition minéralogique (Bogue)

C³S % 68.97 71.77 72.01 65.32 C²S % 11.00 10.45 10.37 12.29 C³A % 7.65 6.49 6.32 10.09

C4AF % 9.60 9.07 9.07 9.89

176

2.4 Caractéristiques granulométriques des crus synthétiques

Référence Référence Argilite Silt Argileux Sable


192.0 µm % 100.0 100.0 100.0 100.0 128.0 µm % 100.0 100.0 100.0 100.0 96.0 µm % 100.0 100.0 100.0 100.0 64.0 µm % 100.0 100.0 100.0 100.0 48.0 µm % 100.0 100.0 100.0 100.0 32.0 µm % 99.3 96.5 98.8 99.0 24.0 µm % 96.9 92.6 96.7 97.2 16.0 µm % 92.5 88.0 92.9 93.7 12.0 µm % 88.2 83.7 89.3 90.3 8.0 µm % 81.0 77.5 82.8 83.3 6.0 µm % 73.0 70.0 75.3 75.3 4.0 µm % 62.8 61.0 65.7 65.1 3.0 µm % 55.3 54.0 58.6 57.8 2.0 µm % 41.8 41.0 44.8 43.9 1.5 µm % 26.5 25.8 28.8 28.1 1.0 µm % 19.4 18.8 21.0 20.5

177

2.5 Test d'aptitude à la cuisson Référence Référence Argilite Silt Argileux Sable


2.5.1 Evolution de la chaux libre

800 °c % 14.4 12.6 15.3 14.7 900 °c % 42.5 43.7 49.8 50.9 1000 °c % 42.5 45.5 45.2 45.5 1100 °c % 35.5 39.4 37.1 34.7 1200 °c % 25.7 32.5 29.3 21.7 1300 °c % 7.0 10.4 10.1 7.6 1400 °c % 3.0 4.4 4.6 3.4

Aptitude

à la cuisson

1.4

1.2

1.2

1.4

2.5.2 Evolution de la perte au feu

800 °c % 19.5 17.6 18.6 17.5 900 °c % 35.3 35.4 35.4 34.9 1000 °c % 35.5 35.4 35.6 35.1 1100 °c % 35.5 35.6 35.7 35.3 1200 °c % 35.7 35.7 35.8 35.4 1300 °c % 36.0 36.1 36.0 35.7 1400 °c % 36.2 36.2 36.2 35.8

178

1 10 100 10000

20

40

60

80

100

Maille de coupure (µm)

Pas

sant

(%

)

Argilite du Callovo Oxfordien

Silt Argileux

Cru ciment

Sable Argileux

Cendres volantes

Etude de l'utilisation potentielle d'argiles dans un cru de cimenterieGraphique 1 : Préparation des farines - Granulométrie des matériaux

Graphique 1

1 10 100 10000

20

40

60

80

100

Maille de coupure (µm)

Pas

sant

(%

) Argilite du Callovo Oxfordien

Silt Argileux

Sable Argileux

Cendres volantes

Etude de l'utilisation potentielle d'argiles dans un cru de cimenterieGraphique 2 : Granulométrie des farines synthétiques

Graphique 2

179

700 900 1100 1300 15000

10

20

30

40

50

60

Température de calcination (°c)

CaO

libr

e (

%)

Argilite du Callovo Oxfordien

Sable Argileux

Cendres volantes

Etude de l'utilisation potentielle d'argiles dans un cru de cimenterieGraphique 3 : Aptitude à la cuisson de l'Argilite

Graphique 3

700 900 1100 1300 15000

10

20

30

40

50

60

Température de calcination (°c)

CaO

libr

e (

%)

Silt Argileux

Sable Argileux

Cendres volantes

Etude de l'utilisation potentielle d'argiles dans un cru de cimenterieGraphique 4 : Aptitude à la cuisson du Silt

Graphique 4

Chimie Des Ciment 2

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