Ciment et laitier

7/25/2019 Ciment et laitier

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FOR01038

CIMENTS ET LAITIERS

Copyright 2006 ENSPM Formation Industrie IFP Training


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SOMMAIRE

1 FABRICATION DU CIMENT.......................................................................................................81.1 Introduction........................................................................................................................................8

1.2 Fabrication du ciment Portland..........................................................................................................8

1.2.1 Gnralits........................................................................................................................... 8

1.2.2 L'extraction et la prparation des matires premires......................................................... 9

1.2.3 La cuisson, l'obtention du clinker......................................................................................12

1.2.4 Le broyage final - le gypsage............................................................................................12

1.2.5 Composition minralogique.............................................................................................. 13

2 HYDRATATION DU CIMENT...................................................................................................14

2.1 Introduction......................................................................................................................................14

2.2 Les ractions d'hydratation...............................................................................................................14

2.3 Les caractristiques "ptrolires" du ciment....................................................................................17

2.3.1 La densit, le rendement....................................................................................................17

2.3.2 La rhologie....................................................................................................................... 19

2.3.3 Le filtrat.............................................................................................................................20

2.3.4 L'eau libre..........................................................................................................................21

2.3.5 Le temps de pompabilit....................................................................................................21

2.3.6 La rsistance la compression..........................................................................................232.3.7 La permabilit.................................................................................................................. 23

2.3.8 La finesse du ciment..........................................................................................................23

2.3.9 Classes de ciments API......................................................................................................23

2.3.10 Caractristiques chimiques................................................................................................25

2.3.11 Caractristiques physiques................................................................................................26

3 FACTEURS INFLUENANT LE LAITIER ET LE CIMENT...............................................28

3.1 La composition chimique.................................................................................................................28

3.2 La granulomtrie.............................................................................................................................. 29

3.2.1 Action sur la rhologie...................................................................................................... 29

3.2.2 Action sur le temps de pompabilit...................................................................................31

3.3 Modification des caractristiques en usine hors utilisation d'additifs.............................................31

3.4 Les relations entre l'hydratation et les caractristiques du ciment...................................................32

3.5 Le phnomne de "fausse prise........................................................................................................32

3.6 Facteurs physiques influenant la prise et le durcissement du ciment............................................33

3.6.1 La pression.........................................................................................................................33

3.6.2 La temprature................................................................................................................... 33

3.6.3 Influence des rapports E/C................................................................................................34


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Sommaire

3.6.4 Influence de l'nergie de mixage.......................................................................................36

3.6.5 Influence des hautes tempratures.....................................................................................38

3.6.6 Influence du vieillissement................................................................................................39

3.6.7 Reprsentativitet fiabilitdes tests de laboratoire par rapport la ralitdu chantier. .39

4 LES LAITIERS SPCIAUX.........................................................................................................41

4.1 Les laitiers allgs............................................................................................................................ 41

4.1.1 Introduction........................................................................................................................41

4.1.2 Procds pour allger le laitier..........................................................................................42

4.1.3 Principaux types de laitiers allgs....................................................................................42

4.2 Les laitiers denses ou alourdis..........................................................................................................51

4.3 Les laitiers pour tempratures leves............................................................................................. 52

4.3.1 Ciments API pour tempratures leves........................................................................... 52

4.3.2 Composition des ciments retards.....................................................................................52

4.3.3 Rtrogression de rsistance des ciments temprature leve - Influence de la silice.. ..53

4.3.4 Ciments spciaux ou systmes pour puits d'injection de vapeur ou combustion in-situ. .53

4.4 Les laitiers pour rgions froides.......................................................................................................53

4.4.1 Les ciments fondus............................................................................................................54

4.4.2 Ciment au gypse................................................................................................................54

4.4.3 Conclusion.........................................................................................................................55

4.5 Les laitiers thixotropes.....................................................................................................................56

4.5.1 Proprits des ciments thixotropes....................................................................................564.5.2 Ralisation des laitiers thixotropes....................................................................................57

4.6 Les laitiers expansifs........................................................................................................................57

4.6.1 Pourquoi utiliser des ciments expansifs dans les puits ?...................................................57

4.6.2 Composition des ciments expansifs...................................................................................58

4.6.3 Utilisation..........................................................................................................................58

4.6.4 Conclusions........................................................................................................................59

4.7 Laitiers pour zones gaz..................................................................................................................59

4.8 Laitiers pour massifs salifres..........................................................................................................60

4.8.1 Ciment gchl'eau..........................................................................................................614.8.2 Ciment gchla saumure sature................................................................................... 61

4.8.3 Ciment gchla saumure demi-sale............................................................................. 61

5 ADDITIFS POUR CIMENTS PTROLIERS............................................................................63

5.1 Acclrateurs.................................................................................................................................... 63

5.1.1 Le cas oil faut acclrer le laitier....................................................................................63

5.1.2 Les diff rents types d'acclrateurs................................................................................... 64

5.2 Retardateurs......................................................................................................................................66

5.3 Dispersants.......................................................................................................................................67


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Sommaire

5.4 Rducteurs de filtrat.........................................................................................................................68

5.5 Allgeants.........................................................................................................................................69

5.5.1 L'eau...................................................................................................................................69

5.5.2 Les produits solides faible densit..................................................................................695.5.3 L'azote ou les ciments mousse...........................................................................................69

5.6 Alourdissants....................................................................................................................................69

5.7 Additifs spciaux et spcifiques.......................................................................................................70

5.7.1 Silice..................................................................................................................................70

5.7.2 Additifs pour cimentation des zones gaz........................................................................70

5.7.3 Agents de thixotropie.........................................................................................................70


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MATIERES PREMIERES


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Carrire:Matires calcairesCraies

Carrire:Matires argileuses

Extraction

Concassage

Extraction

Concassage

MlangeHomognisation

Bro a e

CUISSON

1400 1500C

Produits de

com lment

Stockage

Stabilisation

Refroidissement

ra ide (trem e)

BROYAGE FINAL

A out de G se

Ciment PORTLAND

FIG. 1- Synoptique du processus de fabrication du ciment Portland

CLINKER

PRODUIT FINI


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1 Fabrication du ciment

1.1 Introduction

Ce sont les Romains qui, il y a plus de deux mille ans, fabriqurent le premier lianthydraulique, en mlangeant de la chaux et des pouzzolanes (terres volcaniques). Ce terme"liant hydraulique" dsignant un liant qui, gchavec de l'eau, fait prise mme immergdansde l'eau. Ce fut bien une caractristique du ciment Romain par rapport ce qui se faisait

jusque l.

La chaux tait obtenue par dcarbonatation du calcaire dans des fours, les terresvolcaniques (silice et alumine) taient recueillies dans la rgion de Pouzzole, ce qui leur alaiss leur nom de pouzzolane. Le mlange de ces deux constituants fournissait, une foisgch avec de l'eau, des cristaux d'hydrosilicate de chaux qui confraient sa rsistance auciment. Cette dcouverte ne survcut pas la chute de l'empire Romain.

On en revient par la suite utiliser de la chaux vive, obtenue par dcarbonatation chauddu calcaire, comme liant. Au fur et mesure des utilisations on s'aperut que les meilleureschaux hydrauliques n'taient pas obtenues par cuisson d'un calcaire pur, mais par cuisson d'uncalcaire contenant de l'argile en quantitnon ngligeable.

C'est ainsi que naquit le ciment Portland brevetla fin du XVIIIe sicle. Et, malgruncertain nombre de perfectionnement, c'est toujours ce produit que l'on utilise sous le nom

commun de "ciment", que ce soit pour les ciments de construction que pour les ciments

ptroliers.

1.2 Fabrication du ciment Portland

1.2.1 Gnralits

Le ciment Portland est constitu de silicates et d'aluminates de calcium obtenus parcuisson haute temprature d'un mlange de calcaire et de matires argileuses (fig. 1).

La cuisson et le broyage sont les deux tapes principales de la fabrication du ciment, maisaussi de grandes consommatrices d'nergie. Quand on sait que la consommation d'nergieintervient pour une grande partie dans le prix de revient du ciment, on comprend que les

cimentiers aient tendance s'orienter vers des options faible cot nergtique pour le four etles broyeurs, ce qui ne va pas toujours dans le sens de la qualitdu produit.


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Le ciment rsulte donc de la transformation de calcaires (ou de craie) et d'argiles (ou demarnes). Pour ne pas avoir des cots exorbitants de transport, les cimenteries sont toujourssur un emplacement ol'on trouve associes une carrire de calcaire et une carrire d'argile(ou de marne). Malheureusement, toutes les carrires ont leurs htrognits et leurs

imperfections, ce qui va obliger les cimentiers faire de srieux efforts de dosage etd'homognisation des matires premires pour avoir un cru, introduit dans le four, decomposition constante. Sans cela le ciment obtenu verrait sa composition et donc ses

caractristiques varier dans le temps.

On trouve deux types de fabrication, par voie humide et par voie sche, qui diffrent parles techniques de transport et d'homognisation des matires premires.

Le cimentier sera galement oblig d'apporter, dans la plupart des cas, des produits decomplment pour combler les dficits des matriaux des carrires ; ce pourra tre, par

exemple, des scories ou de la pyrite qui compenseront un manque de fer dans les marnes.

1.2.2 L'extraction et la prparation des matires premires

Dans le four de clinkrisation, les ractions chimiques se produisent de solide solide, ilfaut donc que les matires premires constituant le cru soient finement divises et intimementmlanges. Il y a deux mthodes de prparation des matires premires, employes pouraboutir au cru introduit dans le four.

a) Procdpar voie humide (fig. 2)

Le procdest gnralement appliquaux matriaux aisment dlayables avec de l'eau,comme la craie, les marnes et l'argile. Ces matriaux se dlitent dans l'eau, on obtientfacilement, dans un dlayeur ola matire est brasse par des herses, une boue homogne et la finesse requise.

Dans le cas de matires plus dures comme le calcaire, on procde par broyage avec del'eau dans un broyeur boulet. La pte ainsi obtenue est alors mlange aux argiles ou auxmarnes dlayes de faon obtenir la boue constituant le cru.

L'avantage principal du procdpar voie humide est la grande homognitdu cru ainsiobtenu. Son principal inconvnient provient de son principe mme : le cru possde 40 %d'eau que l'on va vaporer dans le four de clinkrisation ; cela introduit donc une dpensenergtique importante. C'est ce qui fait, qu'aprs le premier choc ptrolier, la plupart descimentiers soient passs au procdpar voie sche.

b) Procdpar voie sche (fig. 3)

Dans ce procd toutes les matires premires sont broyes sec dans des broyeurs boulets. L'homognisation est obtenue soit par formation de talus, mlange de matirescalcaires et de matires argileuses, soit par entreposage de la poudre dans des silos oellesubit une agitation pneumatique.


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Son principal avantage est une consommation nergtique rduite, son principalinconvnient est la difficultd'obtenir un mlange sec intime et homogne.

Le procdpar voie sche permet donc de diminuer le cot nergtique du ciment, maisles ciments ptroliers tant "luxueux", le procd par voie humide est plus adapt leurfabrication, car allant dans le sens de la qualitdu produit fini.

FIG. 2 Procdpar voie humide


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FIG. 3 Procdpar voie sche


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1.2.3 La cuisson, l'obtention du clinker

Dans les tapes prcdentes, les matires premires ont tbroyes et/ou dlayes, puismlanges de la faon la plus homogne possible. Le rsultat est ce que l'on appelle "le cru"qui va tre introduit dans le four.

Le cru est introduit au sommet du four et au fur et mesure qu'il s'coule vers la base, satemprature augmente en se rapprochant de la flamme du brleur pour atteindre environ1350C.

A cette temprature se produisent des ractions de solide solide et la chaux (CaO), ducalcaire et de la craie se combinent la silice, l'alumine, la ferrite, aux marnes ou aux argilespour donner les produits suivants :

(CaO)3 SiO2notC3S et appelsilicate tricalcique

(CaO)2 SiO2notC2S et appelsilicate dicalcique

(CaO)3 Al2O3notC3A et appelaluminate tricalcique

(CaO)4 Al2O3Fe2O3notC4AF et appelferro aluminate ttracalcique

C3S , C2S , C3A et C4AF sont les composants minralogiques principaux du clinker. Lescristaux sont obtenus au moment du refroidissement brusque la sortie du four. Sans se

refroidissement nergique, la composition chimique serait inchange mais le dveloppementcristallin ne serait pas le mme.

Les deux phases principales de cette tape dont donc la cuisson dans le four suivi durefroidissement nergique, qui doivent tre toutes deux parfaitement contrles.

Le produit ainsi obtenu est appel "Clinker", il se prsente sous forme de granuls dequelques millimtres quelques centimtres de diamtre.

1.2.4 Le broyage final - le gypsage

Le clinker est inutilisable tel quel, d'une part cause de sa granulomtrie trop grossire etd'autre part cause de l'hydratation trop rapide du C3A et du C4AF. Pour obtenir le produitfini qui est le ciment, il faut donc "broyer" le clinker et lui incorporer un "rgulateur de prise"qui est le gypse.

Ces deux actions vont tre effectues simultanment lors du broyage final au cours duquelon rgle la finesse du ciment, tout en incorporant le gypse (de 3 5 %) qui sera intimementmlangau ciment pour une meilleure efficacit. Nous tudierons plus en dtail l'action dugypse. Nous verrons d'ailleurs que, pour les ciments ptroliers, les ractions auxquelles

s'incorporent les sulfates du gypse ont une importance capitale sur leurs comportements.


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1.2.5 Composition minralogique

CONSTITUANTS MINRALOGIQUESNotations

usuelles

Ciments

non

retards %

Ciments

retards %

Silicate tricalcique (3 Ca O. Si O2)

Silicate dicalcique ( Ca O. Si O2)

Aluminate tricalcique (3 Ca O. Al O3)

Ferro-aluminate ttracalcique (Fe2O3. Al2O3. 4 Ca O)

Gypse (SO4Ca. 2 H2O)

Magnsie (Mg O)

Chaux (CaO)

Verres et sulfates alcalins

C3S

C2S

C3A

C4AF

55

20

12 15

5 73 4

1

1 2

1 2

50

30

0 1

12 183

1

1 2

1

De cette composition minralogique, il ressort que les silicates entrent pour 75 80 % dans

les constituants, soit 50 55 % de silicate tricalcique et 20 30 % de silicate dicalcique.

De plus, nous constatons que dans le cas de ciments retards, la concentration en aluminatetricalcique est trs faible ou nulle.


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2 Hydratation du ciment

2.1 Introduction

Dcrire en dtail les ractions physico-chimiques qui ont lieu lors de l'hydratation duciment Portland est totalement impossible et ne serait d'ailleurs d'aucune utilitaux lecteursde ce cours. Il faut bien savoir, en effet, que la raction d'hydratation du ciment n'a rien decomparable, par exemple, la prise du pltre qui est une raction chimique simple et bienconnue :

Hemihydrate (Pltre) (Gypse)

L'hydratation du ciment est en fait une succession complexe d'quilibres chimiquesinstables qui ne sont d'ailleurs pas encore compltement connus.

Toutefois on ne peut pas parler du ciment sans expliquer, mme brivement, ce qui sepasse lorsqu'il fait prise et qu'il durcit. Aussi nous faisons ici une sorte de synthse simplifie,de tout ce que nous avons pu lire dans les ouvrages spcialiss et qui puisse expliquerclairement les comportements du ciment que nous avons pu observer lors de notre tude.

2.2 Les ractions d'hydratation

Lorsque l'on gche le ciment avec l'eau on va avoir, chronologiquement, les phasessuivantes (fig. 5) :

Ractions initiales : dure : quelques minutes

- les alcalins passent en solution,

- dissolution d'une partie du gypse, gnrant des ions sulfates SO4--,

- combinaison des sulfates et des aluminates pour forme de l'ettringite (C3A, 3Ca SO4,

32 H2O) qui se dveloppe en fines aiguilles autour des grains d'aluminates, formantune barrire tanche et bloquant l'hydratation de ces derniers,

- dbut d'hydratation des silicates, la phase aqueuse se sature rapidement en chaux.Formation d'une pellicule de silicate de calcium hydrat (not CSH) tanche lapriphrie des grains de C3S.

Priode dormante : quelques heures, fonction de la temprature


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A ce stade toute semble s'arrter, et l'aspect du ciment reste inchangpendant un certaintemps, qui correspond ce que l'on appelle la priode dormante. Cette priodecorrespond schmatiquement au temps que va mettre l'eau pour franchir la barrire degel de silicate hydratenrobant les grains de C3S.

Prise et durcissement : quelques minutes

Lorsque l'eau entre de nouveau en contact avec les grains de C3S, il se dveloppe descristaux hydrats qui brisent la barrire de gel, ce qui correspond au dbut de la prise.Cette hydratation va ensuite se poursuivre rgulirement au fur et mesure que lescristaux d'hydrates se dveloppent, on a d'abord un paississement puis un durcissementdu ciment rsultant de l'enchevtrement cristallin ainsi form. Les ractionsd'hydratation peuvent s'crire d'une faon simplifie :

(C3S) (CSH) Portlandite

C'est le CSH qui confre la plus grande partie de ces caractristiques mcaniques auciment

Ultrieurement au cours du vieillissement intervient l'hydratation du C2S, similaire celle du C3S, mais avec une vitesse de raction bien plus faible.

Les diffrentes ractions sont exothermiques et sont galement fortement acclres parune lvation de temprature (fig. 6).

D'une manire simplifie, nous pouvons indiquer :

C3A, C4AF : ce sont les premiers constituants s'hydrater. C'est leur hydratation quidfinit le dbut de prise. Le composd'hydratation du C3A est galement trssensible aux attaques chimiques extrieures (particulirement par lessulfates).

C3S : fait prise aprs le C3A et le C4AF. C'est lui qui va dfinir la rsistance initiale duciment (quelques heures quelques jours). C'est le constituant "noble" du ciment.

C2S : sa vitesse d'hydratation est trs faible. Il va participer la monte en rsistance long terme (plusieurs mois). Son hydratation tant trs lente, elle se fait avec peu dedgagement de chaleur, contrairement celle du C3S et surtout du C3A.


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FIG. 5 Quantitd'ettringite, de portlandite et de CSH (E/C = 0.44 sans adjuvant)

FIG. 6 Quantitde chaleur Q dgage et flux de chaleur dgage

(E/C = 0.44 sans adjuvant)


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2.3 Les caractristiques "ptrolires" du ciment

Dans les premiers instants qui suivent le gchage de l'eau et du ciment, trs peu decomposs sont passs en solution, ou ont ragi avec l'eau. Le laitier de ciment peut donc treassimilune suspension aqueuse de fines particules solides.

2.3.1 La densit, le rendement

La densitdu laitier peut tre calcule trs simplement partir de la densitde poudre deciment, de celle de l'eau de gchage, et de celles des diffrents additifs entrant dans lacomposition du laitier.

dL =

Mc + VE . dE + MAD

Mcdc

+ VE + VAD

M = Masse (kg)

V = Volume (l)

d = Densit

c = Ciment

E = Eau

AD = Additifs

L = Laitier

L'eau de gchage peut avoir une densitsuprieure 1 (par exemple eau de mer : 1,03 ;saumure : 1,23)

La densitdu ciment varie de 3,15 3,22 suivant les lots et les types.

Le calcul de la densitse fait pour les programmes de cimentations, mais la mesure resteindispensable au labo et sur le site. Cette mesure peut se faire avec la mme balance que celleutilise pour les boues de forage. Toutefois, la mesure de densit ayant une grandeimportance, car c'est celle qui permet de connatre le rapport E/C, une amlioration estapporte par la balance pressurise. Cette dernire permet de faire la mesure de densitunepression de 3 5 bar, ce qui annule l'effet du bullage, qui peut avoir une influence allant

jusqu'10 points de densit(fig. 4).


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FIG. 4 Densimtre pressuris


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Domaine de densitdes ciments usuels :

D > 2,10 : ciments alourdis (avec baryte, oxydes de fer)

2 2,10 : ciments densifis par rduction du E/C

1,96 - 2 : classes E, F, H

1,90 - 1,92 : classe G

1,85 : classes A, B, ciments de construction

1,40 1,80 : ciments allgs classiques

0,9 1,40 : ciments mousse ou allgs aux bulles de verre

Rendement :

C'est le volume de laitier obtenu par tonne de ciment. On ne le mesure pas, il se calcule

simplement par la formule :

R = 1 000 x

Mcdc

+ VE + VADMc

Exprimen l/t

Prcisons que tous produits, autres que le ciment, est considrcomme un additif mmes'il apparat en grande quantit(farine de silice, allgeant, ...)

2.3.2 La rhologie

Lorsqu'on parle de rhologie d'un laitier de ciment, il faut toujours se rappeler que l'on aaffaire un ciment fortement chargen solides. Par exemple, si on considre le cas classiqued'un classG, mixune densitde 1,90, on a en volume 42 % de solides.

Le comportement rhologique du laitier de ciment est celui d'une suspension aqueusefortement charge, qui peut tre reprsentpar les schmas ci-dessous.

Structure du fluide


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Pour les vitesses intermdiaires (300, 200 et 100 tr/min) on a une structure intermdiaireentre 2) et 3). En fait on s'aperoit que la gamme des vitesses du Fann 6 vitesses, balaye lazone de transition de structure de la suspension de ciment. On comprend alors pourquoi

l'interprtation de la rhologie des laitiers de ciments avec les lectures Fann n'est pas unechose aise. Il faut galement prciser que lors des chasses de laitiers on se trouve desvitesses Fann comprises entre 100 et 6 tr/min.

Les additifs ajouts au laitier lors de son gchage sont viscosifiants lorsqu'ils augmententles liaisons entre les particules de ciments et dispersants lorsqu'ils les diminuent. Ceci se

retrouvera sur la rhologie mesure au Fann par un accroissement des lectures, surtout auxgrandes vitesses, pour les viscosifiants et une diminution des lectures, surtout aux faibles

vitesses, pour les dispersants.

Les modles rhologiques les plus utiliss sont le modle de Bingham et le modle "enpuissance". En fait, le ciment pur ou avec des additifs viscosifiants se rapproche plus dumodle "en puissance". Avec des dispersants on se rapproche plus du modle de Bingham.

Avec des forts pourcentages en dispersants, le ciment devient mme pratiquementnewtonien.

2.3.3 Le filtrat

Le laitier de ciment est une suspension de solides dans l'eau. De ce fait, placdevant une

formation permable, et soumis une pression, il va perdre une quantit plus ou moinsgrande d'eau. Le phnomne de filtration va entraner une dshydratation prmature dulaitier qui pourra devenir impompable et fera prise dans de mauvaises conditions.

La filtration du laitier de ciment est mesure comme celle de la boue par l'intermdiaired'un filtre-presse API temprature ambiante et sous 7 bar ou d'un filtre-presse H.P. - H.T.,lorsqu'on veut simuler les conditions de fond.

Le laitier se dshydratant souvent compltement avant le temps normalisde 30 minutes,on exprime alors le rsultat en valeur extrapole 30 minutes, par la formule approche :

t

30FtF30 +

avec F30 : filtrat 30 min

Ft : filtrat obtenu au temps t

t : temps de l'essai


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2.3.4 L'eau libre

C'est le volume d'eau surnageant au-dessus du laitier aprs un certain temps de repos. Lamesure se fait dans une prouvette de 250 ml de laitier, aprs 2 heures de repos. Le rsultatest exprimsoit en cc, soit en pourcentage (1 cc correspondant 0,4 %).

Cette mesure va caractriser le phnomne de sdimentation de la suspension de particulesde ciment dans l'eau. Nous l'avons volontairement associe la mesure de filtrat pour pouvoirprciser clairement que, contrairement ce que l'on pourrait penser, ces deux mesures sonttotalement indpendantes.

Un mme laitier peut avoir un filtrat rduit et une eau libre importante et vice versa.

Le moteur de la filtration tant une diffrence de pression, celui de l'eau libre unediffrence de densit. En fait "l'eau libre" ne correspond pas une libration d'eau, mais unesdimentation de particules solides dans l'eau.

2.3.5 Le temps de pompabilit

C'est le temps mis par le laitier, maintenu en agitation sous conditions de pression et de

temprature, pour atteindre une consistance de 100 Uc*. Pratiquement, il correspond la durependant laquelle le laitier reste pompable.

La prise du ciment tant influence par l'agitation, la temprature et la pression, on doit,durant le test, maintenir le laitier en agitation et simuler la monte en pression et entemprature qu'il subira lors de son refoulement dans le puits.

Ces tests sont effectus par des consistomtres qui sont des appareils normaliss par l'API,dont nous donnons une description sommaire dans ce qui suit (fig. 7).

Le laitier est placdans une cellule cylindrique maintenue en rotation 150 tr/min. Unepalette, immerge dans le laitier, va assurer le maintien en agitation de ce dernier et permettreune mesure de viscositen continu, partir de la valeur du couple sur son axe. La mesure dece couple se faisant par l'intermdiaire d'un potentiomtre et d'un ressort de rappel axial. Cetensemble est immerg dans un bain d'huile qui va assurer les montes en pression et entemprature.

Ces montes en pression et en temprature sont calcules partir de la profondeur fore etde la temprature statique de fond.La connaissance de la temprature statique de fond et du

gradient gothermique est donc indispensable. Nous donnons ci-aprs le schma d'unconsistomtre.

*Uc : unitde consistance, correspondant approximativement une viscositde 1 poise.


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FIG. 7 Consistomtre


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2.3.6 La rsistance la compression

On mesure la rsistance mcanique l'crasement du ciment conserven temprature sousune pression maximale de 207 bar, pendant une dure variable (8 heures, 24 heures...7 jours..., 6 mois...).

La mesure se fait l'aide d'une presse, sur des cubes de 5 cm de ct. Le rsultat, exprimen bar, correspond la contrainte maximum supporte par le cube avant destruction.

Le ciment est conservle temps voulu en pression et temprature mais la mesure, elle, sefait pression atmosphrique et temprature ambiante.

2.3.7 La permabilit

La mesure de la permabilitse fait exactement de la mme manire que pour les roches,l'air ou l'eau.

Les plugs de 23 mm de diamtre servant la mesure sont prlevs par carottage sur lesmmes cubes, de 5 cm de ct, servant aux mesures de rsistance.

La permabilitdu ciment sera trs variable suivant les formulations et les conditions deconservation, pouvant aller de quelques centimes de millidarcy quelques millidarcy.

On observe souvent une volution similaire de la rsistance la compression et de lapermabilitdu ciment.

2.3.8 La finesse du ciment

La finesse du ciment peut tre repre soit par une analyse granulaire soit par des mesuresde surface spcifique. La surface spcifique s'exprime en g/cm2et correspond la surfaceexterne des grains de ciments compris dans 1 g de matire.

Il faut galement retenir que les rsultats obtenus dpendent de la mthode de mesure.Quoiqu'il existe des relations empiriques entre les diffrents rsultats, il est prfrable de

toujours utiliser la mme mthode de mesure pour effectuer des comparaisons entre ciments.

2.3.9 Classes de ciments API

L'American Petroleum Institute (API) a tabli un classement de ciments pour sondagesbasprincipalement sur la profondeur d'utilisation.

Le classement API est le suivant :

Classe A : utilis de la surface 6 000 ft (1 829 m) lorsqu'aucune caractristique

particulire n'est demande.


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Ciments et Laitiers

Classe B : utilisde la surface 6 000 ft (1 829 m) lorsque les conditions ncessitentune rsistance modre ou leve aux sulfates.

Classe C : utilisde la surface 6 000 ft (1 829 m) lorsque les conditions ncessitent

une haute rsistance initiale.(disponible en type ordinaire ou en type moyenne ou forte rsistance auxsulfates).

Les ciments de classe C se caractrisent par une grande finesse, ce quipermet une vitesse d'hydratation leve et donc une forte rsistance initiale.

Classe D : utilisde 6 000 10 000 ft (1 829 3 048 m) en conditions de tempratureet pression modrment leves

(disponible en type moyenne ou forte rsistance aux sulfates).

Classe E : utilis de 10 000 14 000 ft (3 048 4 268 m) dans des conditions detemprature et pression leves(disponible en type moyenne ou forte rsistance aux sulfates).Son temps de pompabilitest rglpar un retardateur ajouten usine par lecimentier.

Classe F : utilis de 10 000 16 000 ft (3 048 4 877 m) dans des conditions detemprature et pression trs leves

(disponible en type moyenne ou forte rsistance aux sulfates).Son temps de pompabilitest rglpar un retardateur ajouten usine par le cimentier.

Classe G : tudi pour tre utilis de la surface 8 000 ft (2 438 m), son domained'utilisation peut tre tendu des plus basses aux plus hautes tempraturesgrce sa compatibilitavec tous les additifs

(disponible en type moyenne ou forte rsistance aux sulfates).

Classe H : identique la classe G mais prvu pour des densits de laitier suprieures(1,98 au lieu de 1,90).

Remarque: les ciments classe E et F possdent dans leur formulation un retardateur. Il y adonc un risque d'incompatibilit avec d'autres additifs. Notamment, si leurtemps de pompabilit est trop court ou trop long il est, pratiquement, trsdifficile, sinon impossible, de les retarder ou de les acclrer. Il faut donc lesconsidrer comme des ciments spcifiques, ne possdant pas le caractred'universalitdes classes G et H.

Aprs avoir prcis les classes de ciments normalises, nous reproduisons lescaractristiques chimiques et physiques exiges par l'API


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Ciments et Laitiers

2.3.10 Caractristiques chimiques

CIMENTS DE CLASSE

A B C D.E.F. G H

Type ordinaire (O)

Magnsie (Mg O) % maxi. 5,00 - 5,00 - - -Anhydride sulfurique (SO3)% maxi. 3,50 - 4,50 - - -

Perte au feu % maxi. 3,00 - 3,00 - - -

Rsidu insoluble % maxi. 0,75 - 0,75 - - -C3A % maxi. - - 15,00 - - -

Type moyenne rsistanceaux sulfates (M.S.R.)

Magnsie (Mg O) % maxi. - 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00Anhydride sulfurique (SO3)% maxi. - 3,00 3,50 2,50 2,50 2,50

Perte au feu % maxi. - 3,00 3,00 3,00 3,00 3,00

Rsidu insoluble % maxi. 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75- - - - 48,00 48,00

C3S % maxi. - - - - 58,00 58,00

C3A % maxi. - 8,00 8,00 8,00 8,00 8,00

Alcalis (exprimen Na2O) % maxi. - - - - 0,75 0,75

Type haute rsistanceaux sulfates (H.S.R.)

Magnsie (Mg O) % maxi. - 5,00 5,00 5,00 5,00 -Anhydride sulfurique (SO3)% maxi. - 3,00 3,50 2,50 2,50 -

Perte au feu % maxi. - 3,00 3,00 3,00 3,00 -

Rsidu insoluble % maxi. - 0,75 0,75 0,75 0,75 -- - - - 48,00 -

C3S % maxi. - - - - 65,00 -

C3A % maxi. - 3,00 3,00 3,00 3,00 -

C4AF + 2 C3A % maxi. - 24,00 24,00 24,00 24,00 -

Alcalis (exprime en Na2O)% maxi. - - - - 0,75 -


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Cimeents et Laitiers

2.3.11 Caractristiques physiques

CIMENTS CLASSES

A B C D E F G H J

Expansion a l'autoclave % maxi 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80

Finesse (surface spcifique) cm2/g mini 1500 1600 2200 - - - - - -

Eau libre cm3/g maxi - - - - - - 3,5 3,5 -

Rsistance la

compression

aprs 8 h

minimum de

psi

Normes d'essai

6-1-RP 10 B

Tempratured'essai F

Pression d'essai

psi

-

1.S

3.S6.S

8.S

9.S

100

95

140230

290

320

Atmos

800

30003000

3000

3000

250

-

--

-

-

200

-

--

-

-

300

-

--

-

-

-

-

-500

-

-

-

-

--

500

-

-

-

--

-

500

-

300

1500-

-

-

-

300

1500-

-

-

-

-

--

500

-

Rsistance la

compression

aprs 24 h

minimum de

psi

-

4.S

6.S

8.S

9.S

10.S

100

170

230

290

320

350

Atmos

3000

3000

3000

3000

3000

1800

-

-

-

-

-

1500

-

-

-

-

-

2000

-

-

-

-

-

-

1000

2000

-

-

-

-

1000

-

2000

-

-

-

-

1000

-

1000

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

1000

Temps de

pompabilit

minimum en

minutes

Simulation de

puits

7-2-RP 10 B

Profondeur

simule ft

Viscositmaxiaprs 15-30

min en unitsde consistance

1

4

5

5

6

8

9

1000

6000

8000

8000

10000

14000

16000

30

30

30

30

30

30

30

90

90

-

-

-

-

-

90

90

-

-

-

-

-

90

90

-

-

-

-

-

-

90

-

-

100

-

-

-

-

-

-

100

154

-

-

-

-

-

100

-

190

-

-

90

120mx

-

-

-

-

-

90

120mx

-

-

-

-

-

-

-

180

-

180


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Cimeents et Laitiers


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Ciments et Laitiers

3 Facteurs influenant le laitier et le ciment

3.1 La composition chimique

Avant toute chose, il faut prciser ce que l'on appelle composition chimique d'un ciment.

Comme nous le verrons lors de leur rappel, les normes API dfinissent une concentrationen C3A, C4AF, C3S.

Or ce sont des cristaux, et il n'y a pas de moyen simple pour les doser directement, aussi

commence-t-on par doser les diffrents lments CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3, Na2O, K2O,SO3... ensuite on effectue les calculs, suivant les rgles de Bogue :

C3A = 2.65 x % Al

2O

3( ) - 2.69 x % Fe2O3( )

C2AF = 3.04 x % Fe

2O

3

C3S = 4.07 x % CaO( ) - 7.6 x % SiO

2( ) - 6.72 x % Al2O3( ) - 1.43 x % Fe2O2( ) - 2.85 x % SO3( )

Il faut bien se rendre compte que cela ne donne qu'une composition "thorique" car de telscalculs font un certain nombre d'hypothses simplificatrices, la premire tant de supposerque tous les lments sont combins sous forme de cristaux de C3S, C3A et C4AF.

Les tudes effectues n'ont pas donnde relations claires entre composition chimique etcaractristiques physiques.

Tout au plus peut-on dire que plus le pourcentage de C3S est lev, plus les rsistancesinitiales sont importantes.

Plus le taux de C3A est faible, plus les ractions initiales sont faibles et donc la rhologie.

Il en est de mme pour C4AF, d'une faon plus modre.

En ralit pour dfinir un comportement du ciment partir d'une analyse chimique, ilfaudrait doser directement les cristaux, mais aussi analyser leur structure. En effet, suivant les

conditions de fabrication, les structures cristallines peuvent tre diffrentes et donc lesractions d'hydratation.

De ce fait, nous nous limitons cette description sommaire.


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Ciments et Laitiers

3.2 La granulomtrie

L'augmentation de la finesse du ciment favorise le processus d'hydratation. Dans les

mmes conditions de pression et de temprature, et au mme ge, on obtient donc un degrd'hydratation suprieur avec un ciment broyplus fin.

L'hydratation d'un grain de ciment commence par la priphrie pour pntrerprogressivement le cur. Cette vitesse de pntration pouvant tre considre, en premireapproximation, comme constante, plus le grain est fin, plus l'hydratation complte estrapidement atteinte.

D'un autre ct, la dure de la priode dormante sera lgrement modifie par les

changements de concentrations initiales de dissolution. Toutefois l'exprience nous montrequ'il faut de grands carts de granulomtrie pour que ce soit sensible.

Nous avons effectudes mesures rhologiques sur un clinker de ciment broy3 finessesdiffrentes 3000 - 3800 et 4800 cm2/g. Les rsultats en sont :

Surface spc. Vp mesure

(mPa s-1)

o mesur

(Pa)

o calcul

30003800

4800

3548

70

511

35

-10

20

On remarque que la valeur calcule du seuil de cisaillement n'est pas trop loigne de laralit, quoique plus faible, et que la viscosit plastique varie moins vite que le seuil decisaillement.

3.2.1 Action sur la rhologie

Dans le modle de Bingham, la rhologie du ciment est reprsente par le seuil de

cisaillement o et par la viscositVp.

On sait que le seuil de cisaillement o caractrise les liaisons inter-grains, il va donc treinfluencpar le nombre de particules par unitde volume.


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Ciments et Laitiers

Si on considre le modle du grain sphrique unique de rayon r, on peut crire :

n4

3

r3 = 1

et = n r2

d' o = n . 3

4

2 3

1

n

2 3

= k n1 3 ou n = K 3

1 = unitde volume

n : nombre de grain par unitde volume

: surface sphrique

Si on considre que le seuil de cisaillement est proportionnel au nombre de liaisons inter-grains on obtient :

o = A3

A : constante dpendant de la composition chimique, du rapport E/C

Bien entendu dans la ralittous les grains de la poudre de ciment ne sont pas de la mmedimension et il peut apparatre d'autres phnomnes (quilibre chimique) lorsqu'on augmente

fortement la surface spcifique.


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Ciments et Laitiers

3.2.2 Action sur le temps de pompabilit

Le temps de pompabilit va varier en sens inverse de la surface spcifique. Ceci d'unefaon peu prs linaire.

FIG. 8 - Pompabilitd'un clinker classe G broydiffrentes surfaces spcifiques

Cette diffrence n'est donc pas ngligeable. On s'aperoit d'ailleurs que sur un ciment

respectant les fourchettes de composition chimique de l'API, c'est un facteur qui peutexpliquer les fluctuations.

3.3 Modification des caractristiques en usine hors utilisation d'additifs

Proprits recherches Modifications ralises

Prise lente pourcentage C3A et C3S broyage

plus grossierHaute rsistance initiale pourcentage en C3S broyage plus fin

Haute rsistance aux sulfates pourcentage en C3A

Faible chaleur d'hydratation pourcentage en C3A

Faible viscosit ou laitier faiblerapport eau/ciment

broyage plus grossier


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Ciments et Laitiers

3.4 Les relations entre l'hydratation et les caractristiques du ciment

Rappelons les caractristiques mesures sur les ciments pour sondage :

Pompabilit

Elle va tre dfinie par le dbut de l'hydratation du C3S.

Rhologie

Elle est influence par les ractions d'hydratation initiales (C3A et C4AF).

Eau libre

Elle sera d'autant plus faible qu'une structure de "gel" se sera forme. Elle sera donc

influence par les ractions d'hydratation initiales C3S, C4AF.

Rsistance mcanique

La monte en rsistance correspondra l'hydratation du C3S puis du C2S. Ce sont laportlandite (Ca OH)2et le gel de CSH qui confrent ses caractristiques mcaniques auciment durci.

3.5 Le phnomne de "fausse prise

En gchant le ciment avec l'eau, aprs un malaxage de faible dure, le laitier se raiditcomme lors de la prise. Cependant aprs agitation le laitier perd ce "raidissement" et le tempsde prise redevient normal.

Le premire cause de la fausse prise doit tre recherche dans la dshydratation du gypse(ajoutau clinker pour contrler la prise), occasionne par les fortes tempratures atteinteslors du broyage du clinker, et de sa recristallisation. Ce sont les formes d shydrates dugypse, hemihydrate (pltre) ou anhydrite, qui lors du gchage provoquent alors leraidissement du laitier.

La solution, lors de la fabrication du ciment, consiste refroidir les broyeurs clinker. La

solution, lors du gchage sur chantier, est de disposer d'un bac d'homognisation avec desdispositifs d'agitation efficaces. Par cette mthode on n'empche pas la fausse prise de seproduire, mais on l'empche d'tre gnante, car, avec une agitation suffisante, le raidissementdu laitier ne se produit plus ou peu.


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Ciments et Laitiers

3.6 Facteurs physiques influenant la prise et le durcissement du ciment

3.6.1 La pression

La pression augmente la rsistance la compression du ciment et diminue le temps depompabilitdu laitier. Toutefois cet effet reste relativement faible et ne s'observe que pourdes carts de pression trs importants.

3.6.2 La temprature

Les effets de la temprature vont dans le mme sens que ceux de la pression, mais sontquantitativement plus importants. Dans les courbes qui suivent nous donnons l'influence de ce

paramtre sur les caractristiques d'un classG. Pour ne pas rester trop vague nous avonschiffrcette influence sur la base d'une moyenne de mesures relles. Toutefois, tout en restantdans le mme ordre de grandeur, des variations plus ou moins grandes peuvent tre observesd'un ciment l'autre.

FIG. 9 -Influence de la temprature sur le temps de pompabilit

FIG. 10 - Influence de la temprature sur la rsistance l'crasement


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Ciments et Laitiers

3.6.3 Influence des rapports E/C

Le rapport E/C, ou la densit, a une grande influence sur les caractristiques du ciment.

Lorsqu'on diminue le rapport E/C (ce qui revient augmenter la densit) :

on augmente de faon importante la rsistance l'crasement (fig. 11 et 12),

on diminue assez sensiblement le temps de pompabilit(fig. 13 et 14),

on augmente de faon importante la viscositdu laitier,

on diminue de faon assez sensible la permabilitet la porosit(fig. 15).

FIG. 11 - Rsistance la compression d'un classG en fonction de la densit


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Ciments et Laitiers

FIG. 12 -Rsistance

la compression d'un gel ciment en fonction de la densit

(72 h 50C et 207 bar)

FIG. 13 -Influence de la densitde gchage du laitier de ciment sur sa pompabilit

("gel ciment bentonique" + retardateur. Temprature de test : 81C)

FIG. 14 - Influence de la densitde gchage du laitier de ciment sur sa pompabilit

ciment + rducteur de filtrat + dispersant. Temprature de test : 60C


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Ciments et Laitiers

FIG. 15 - Porositd'un gel ciment en fonction de la densit

3.6.4 Influence de l'nergie de mixage

Elle modifie ainsi les caractristiques des laitiers et ciments :

diminution de la viscositplastique (fig. 16)

diminution du filtrat (fig. 18)

diminution du temps de pompabilit(fig. 17)

augmentation de la rsistance la compression (fig. 19)

dfloculation du laitier

Son effet est sensible jusqu' 5 fois l'nergie API (Standard Mixing Energy), plusimportant sur les laitiers ayant tendance geler, mais sensible sur les laitiers disperss.

La pompabilitpeut varier de 30 % entre une trs faible et une trs forte nergie demixage. Les planches ci-aprs reprsentent certaines des variations notes ci-dessus.


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Ciments et Laitiers

FIG. 16 -Influence de l'nergie de mixage sur la viscositplastique

FIG. 17 -Influence de l'nergie de mixage sur le temps de prise


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Ciments et Laitiers

FIG. 18 -Influence de l'nergie de mixage sur le filtrat

FIG. 19 -Influence de l 'nergie de mixage sur la rsistance la compression

3.6.5 Influence des hautes tempratures

Au-deld'une temprature de 110C le ciment subit ce que l'on appelle une rtrogressionde rsistance mcanique. Il effectue une prise normale, mais, sous l'effet de la temprature, vasubir, dans le temps, un changement de structure entranant sa dgradation. Cette dgradationse traduisant par une chute importante de sa rsistance l'crasement, combine uneaugmentation tout aussi importante de sa permabilit. De plus, cette volution sera d'autantplus importante, et rapide, que la temprature sera leve, et que la densit du laitier serafaible.

Heureusement, il existe une mthode efficace pour protger le ciment contre cettedgradation en temprature : elle consiste ajouter au ciment 30 40 %, en poids, de silice


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Ciments et Laitiers

finement broye. Il est important de respecter cette quantitcar un pourcentage trop faible estinefficace et un pourcentage trop levaggrave le phnomne.

3.6.6 Influence du vieillissement

Les modifications sont les suivantes :

augmentation du temps de pompabilit,

diminution de la rhologie,

diminution de la rsistance la compression,

diminution de la permabilit.

Ceci est dla "carbonatation" et "l'hydratation partielle" engendres par le contact avecl'air humide et qui rduisent le pourcentage de matire active.

3.6.7 Reprsentativitet fiabilitdes tests de laboratoire par rapport la ralitduchantier

Les tests doivent s'effectuer avec les chantillons du chantier pour l'eau, le ciment et lesadditifs. Le tableau ci-aprs indique les variations significatives dans l'analyse chimiquede deux eaux de mixage.

CONSTITUANTS CHANTILLONS

(mg/l) Sud de la France Mer du Nord

Cl-

Ca++

Na+

NH4+

Fe++, Fe+++

Al+++

Mg++

Zn++

SiO2

5.6

38.5

2

0.05

< 0.1

0.12

0.1

3.9

13

120

4

0.06

< 0.1

0.21

0.1

3.6

pH 8.5 7.4

Pendant la prparation en laboratoire recrer la mme nergie de mixage que sur lechantier.


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Ciments et Laitiers

Respecter parfaitement la formulation tant pour la densitque pour la concentration desadditifs

Respecter les conditions "chantier" et "puits" en ce qui concerne :

- la temprature de gchage,

- la temprature finale et la courbe de monte en temprature,

- la pression.

Il est noter que l'application de la temprature dans les premiers instants est trsimportante, car elle active fortement la formation d'ettringite qui a un fort effet sur la

rhologie.

Il faut donc en suivre au plus prs l'volution ds les premiers instants et respecter lacourbe de monte en temprature que subira le laitier lors de l'opration relle. Il faut s'aider

dans la mesure du possible des logiciels de simulation chimique du schdule API pour le testdu temps de pompabilit.

Pour la rhologie, noter qu'elle est volutive car :

elle varie avec le temps du fait des ractions chimiques,

avec la temprature du fait de l'activation thermique interne et externe,

avec la qualitdu ciment,

avec le rapport E/C,

avec les additifs.


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Ciments et Laitiers

4 Les laitiers spciaux

Afin de satisfaire certaines conditions particulires, nous sommes parfois amens utiliser des laitiers spciaux ou des systmes sortant du cadre de la normalisation API.

Par les laitiers ou systmes non normaliss, les plus employs sont les suivants :

4.1 Les laitiers allgs

4.1.1 Introduction

Les ciments de base utiliss pour la cimentation possdent des caractristiques telles(composition chimique, granulomtrie) qu'une fois mlangs l'eau de gchage, on obtientdes laitiers de densitnormalement comprise entre 1.78 et 1.98.

Ces densits peuvent parfois prsenter des inconvnients. En effet, certaines formations netolrent pas de colonnes de ciment d'un tel poids. Il est donc parfois ncessaire d'allger leslaitiers de ciment pour diminuer les pressions hydrostatiques au droit des couches fragiles et

viter ainsi les fracturations. Il est utile, galement, pour colmater des pertes de circulation en

cours de forage, de confectionner des bouchons de ciment de faible densit.

Il ne faut pas, galement, rouvrir en cours de cimentation une zone pertes et il fautpouvoir cimenter plus haut que ces pertes.

Les laitiers de ciment ayant une densit voisine de 2.00 requirent des pressions depompage leves pour la mise en place. De plus, ces laitiers imposent des pressions statiqueset dynamiques importantes, non seulement sur la formation traite, mais galement sur lesautres formations avoisinantes. Au droit des formations permables, ces pressions peuvententraner une dshydratation du laitier.

Dans l'utilisation des ciments allgs on distingue gnralement :

les bouchons de ciment destins colmater les pertes,

les cimentations des cuvelages couvrant ces zones.

Le colmatage par la boue n'ayant pas russi, on procde gnralement par mise en place deplusieurs bouchons de petit volume.

On peut utiliser des ciments spciaux dtaills plus loin (thixotropes, la mousse ou aveccolmatants).


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Ciments et Laitiers

Le temps de pompabilitest rglle plus court possible et, au besoin, acclr.

Pour la cimentation de cuvelage avec pertes, on peut procder ainsi :

Pertes partiellesDeux techniques sont gnralement employes :

- cimentation deux tages : le premier recouvrant la zone pertes,

- cimentation avec ciment allgen tte : le ciment net densitnormale tant placdufond jusqu'au niveau de la zone pertes.

Dans le cas ola formation reste poreuse et permable, on peut tre ameninclure unrducteur de filtrat dans la formulation du laitier pour viter sa dshydratation.

Pertes totales

Ces pertes tant difficilement colmatables, on effectue une cimentation avec un cimentclassique en sachant qu'il ne remontera pas au-dessus des pertes. On peut galementprvoir une cimentation deux tages.

4.1.2 Procds pour allger le laitier

Deux mthodes principales permettent de rduire le poids spcifique des laitiers de ciment.

Tout d'abord, l'addition de produits solides mixs sec en gnral avec le ciment quipermettent d'augmenter le volume d'eau de gchage ncessaire tout en empchant la

prcipitation de ces produits aprs l'addition d'eau en grandes quantits.C'est un moyen trs conomique pour allger les laitiers de ciment, l'eau tant le compos

le moins cher entrant dans la fabrication des matriaux de cimentation.

Citons comme exemples dans cette catgorie de produits, la bentonite, la perlite, les terresdiatomes, les pouzzolanes, les silicates, cette liste tant loin d'tre exhaustive.

Une seconde mthode permettant d'allger les laitiers de ciment consiste utiliser desadditifs ayant un poids spcifique faible (poussire de charbon, gilsonite, billes de verre).

Une autre mthode consiste utiliser des additifs liquides de faible poids spcifique, savoir les hydrocarbures mulsifis dans l'eau (krosne, etc.). Ce dernier procddonne desdensits de laitier infrieures celles normalement obtenues avec la bentonite. Cependant, detels laitiers allgs ne sont gure utiliss dans la pratique, sur chantier, car ils requirent uneprparation dlicate et une mise en uvre particulire.

4.1.3 Principaux types de laitiers allgs

Nous pouvons les classer en 4 grandes catgories :

les gels ciments,


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42/70

Ciments et Laitiers

les laitiers ultra-fins,

les laitiers la mousse,

les laitiers allgs au billes de verre.

a) Les gels ciments (ou bentonitiques)

La bentonite est une argile collodale essentiellement constitue de montmorillonite(environ 85 %).

La montmorillonite est un hydrosilicate d'alumine AL2O3, 4 SiO2, n H2O du groupe des

phyllites, forme par consquent par la superposition de feuillets.

Les grains de bentonite ont la facultd'accrotre de 10 20 fois leur volume, en absorbant5 6 fois leur poids d'eau, les molcules d'eau venant se placer entre les feuillets dont les

espacements passent de 10 20 provoquant le gonflement.La pte plastique obtenue, vritable gel, prsente les proprits d'un collode d'autant plus

marques que la teneur en particules infrieures 1 ou 2 est importante (domainedimensionnel d'une bentonite : 0.1 10 ).

Les grains fins qui comportent des charges lectriques superficielles provoquent unerigidification au repos par floculation, qui disparat par liqufaction lors d'une agitation(phnomne de thixotropie).

Les bentonites ont une densitvoisine de 2.65. Pour tre utilises dans la confection des

laitiers de ciment, elles doivent rpondre aux normes API dfinies au chapitre 2.3.9 (classedes ciments). Elles sont en gnral commercialises aprs traitement industriel : liminationdes matires humiques et activation.

Il existe deux procds de prparation des laitiers bentonitiques:

le premier consiste incorporer la bentonite sec au ciment. Il ncessite l'emploi d'unmlangeur pneumatique. La bentonite n'tant pas prhydrate, son gonflement estextrmement rduit, et l'obtention d'une consistance leve requiert une grande quantitde produit : de 2 20 % en poids par rapport au poids de ciment pour obtenir desdensits de laitiers de 1.80 1.45.

dans le deuxime procd, la bentonite est prhydrate dans de l'eau douce dans desproportions de 0.5 5 % par rapport au poids de ciment pour des densits de laitiercomprises entre 1.82 et 1.40. Le ciment y est ajout par la suite. Ds l'addition duciment, le mlange prend une consistance spectaculaire, mais tout fait indpendanted'un phnomne de prise.

Pour chaque addition de 1 % de bentonite sec, la quantitd'eau de gchage doit treaugmente de 5.3 % par rapport au poids de ciment.

La comparaison de ces deux modes de fabrication montre qu'une addition de 1 % de

bentonite prhydrate sera quivalente une addition de 4 % de produit mlangsec.


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Ciments et Laitiers

Les rsistances la compression diminuent de valeur lorsque le pourcentage de bentoniteaugmente. Ceci rsulte de la dilution du ciment, la quantitd'eau augmentant. Au-dessus de100C, une forte proportion de bentonite entranera une importante rtrogradation des valeursde rsistances.

Pour les ciments gnralement utiliss et pour les tempratures les plus hautes, le temps depompabilitest fonction croissante de la concentration en bentonite.

Pour des tempratures intermdiaires, un ajout allant jusqu'6 % peut allonger lgrementle temps de pompabilit; celui-ci peut au contraire tre plus court que celui d'un ciment sansadditif pour des ajouts plus importants.

Le pourcentage d'eau libre et le filtrat sont diminus par addition de bentonite.

La permabilitdu ciment une fois sa prise dtermine, sera plus importante que celle dumme ciment sans bentonite, ce qui est gnant dans le cas d'une attaque possible par lessulfates. Elle est de l'ordre de 0.001 millidarcy pour un ciment ordinaire mais peut atteindre

10 millidarcys dans le cas d'un ciment bentonitique. La permabilitleve est un phnomnegnralement constatavec tous les ciments allgs.

Nota: En eau de mer ou sale sature, la bentonite sera remplace par une argile pour eausale.

D'une manire simple, les gels ciment ont :

une densitminimum de 1.5,

de faibles caractristiques mcaniques,

un contrle du filtrat dlicat,

une mise en uvre aise et classique

un cot rduit.

b) Les laitiers "ultra-fins"

De granulomtrie dix fois infrieures celle d'un classe G, ils peuvent tre purs oumlangs des rsidus de hauts fourneaux.

Laussi d'une manire simple, ils ont :


de bonnes caractristiques mcaniques (fig. 20 et 21)

une prise rapide faible temprature,

une mise en uvre aise,

un bon contrle de filtrat possible, mais la ncessitd'employer un additif adapt,


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Ciments et Laitiers

un problme de logistique (stockage part du ciment normal),

un cot lev

FIG. 20 Rsistances la compression (72 h, 70C)

FIG. 21 Rsistance 25C, Spinor A12 d = 1.30 + 2 % CaCl2

c) Les laitiers la mousse

Le principe est d'injecter de l'azote au laitier et de crer avec le mlange, une mousse.

Les caractristiques induites sont une densitminimum de 1 1.1 en surface, mais quivarie en fonction de la profondeur, de par "l'crasement" de l'azote.

Suivant les cas, on utilise une prparation densitconstante ou densitvariable (fig. 2427).

Pour cette dernire, dlicate calculer et mettre en uvre, le schma simple est le

suivant :


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Ciments et Laitiers

on se fixe une densitdu laitier aux conditions de fond (ex. d = 1.2),

on calcule la densit ramene aux conditions de surface (densit du laitier laprparation),

on calcule le ratio d'azote en fonction du volume pomp(fig.23),

on vrifie la densitquivalente en conditions de fond.

Ceci ncessite un quipement spcial pour rguler le dbit d'azote. En rgulationvolumtrique, il faut s'adapter en permanence la pression de refoulement qui varie lors del'injection ce qui est assez complexe en terme de calculs prparatoires alors qu'en rgulationmassique, le problme est plus simple car indpendant de la pression.

Les caractristiques mcaniques sont bonnes en terme de rsistance et de permabilit

(fig.28 et 29), le contrle du filtrat est bon,

l'isolation thermique correcte,

le ciment tant expansif, le risque de micro-annulaire est rduit, ce qui est intressant leszones gaz,

la mise en uvre est dlicate, elle ncessite une optimisation spciale (ratio d'azote) etun quipement spcial (unitd'azote, rgulateur de dbit, gnrateur de mousse), toutceci entranant un surcot.

Suivant les cas on utilise une prparation densitconstante ou variable

FIG. 23 Prparation densitvariable volume standard d'azote vs volume de laitier inject


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FIG. 24 Prparation densitconstante densitlocale vs cte TVD

FIG. 25 Prparation densitconstante densitquivalente vs cte TVD


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FIG. 26 Prparation densitvariable densitlocale vs cte TVD


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FIG. 27 Prparation densitvariable densitquivalente vs cte

TVD

FIG. 28 Permabilitl'eau d'un ciment mousse


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FIG. 29 Rsistance la compression d'un ciment mousse, aprs 7J 70C

d) Les laitiers allgs aux billes de verre

Ils ont :


de bonnes caractristiques mcaniques (fig. 33),

un contrle strict du filtrat qui est possible,

une bonne isolation thermique,

une mise en uvre aise

une limitation en profondeur (2000 - 3000 m) due l'crasement des billes de verre

un cot lev.

FIG. 30 Densitdes bulles de verre en fonction de la pression


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FIG. 31 Densitdu laitier allgaux bulles de verre en fonction de la pression

FIG. 32 Densitquivalente

Puits 2000 m, BHST = 80C, 1000 m de ciment et 1000 m de boue l'eau, d = 1.10


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FIG. 33 Rsistance la compression des ciments allgs aux bulles de verre

en fonction de la densit

4.2 Les laitiers denses ou alourdis

Gchsuivant la norme API RP 10 B, un laitier de ciment prsente une densitcompriseentre 1.78 et 1.98. Cette limite peut tre repousse jusqu'2.15 par l'emploi de dispersants,mais pour obtenir des densits de laitier suprieures, il faut leur incorporer des produitsalourdissants.

Les densits leves sont utilises lorsqu'une pression hydrostatique importante estncessaire au contrle du puits. Dans ce cas, la densitde la boue peut tre suprieure 2.00.Celle du laitier devra tre lgrement suprieure pour avoir un bon dplacement de la boue.

Tout produit alourdissant doit, pour tre incorporau ciment, possder les caractristiquessuivantes :

exiger le moins d'eau de mouillage possible,

ne pas rduire la rsistance du ciment,

ne pas influer sur le temps de pompabilit, avoir une granulomtrie uniforme et comparable celle du ciment,

provoquer un accroissement minimum du volume du laitier,

tre chimiquement inerte.

Il doit donc n'agir que par sa densitpropre.

Les alourdissants les plus courants sont :


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Ciments et Laitiers

la baryte (sulfate de baryum BaSo4) de densit 4.2, de granulomtrie trs fine. Sonemploi est normalispar l'API. Le volume d'eau additionnel est plus important que pourles oxydes (0.2 % d'eau pour 1 % de baryte). Le principal avantage de ce produit est

d'tre bon marchet gnralement disponible. La densitmaxi du laitier atteinte est de2.28,

l'hmatite, minerai de fer de densit4.9 5.3 permettant d'obtenir des laitiers de densitmaxi 2.40,

l'ilmnite, oxyde de fer et de titane de densit4.7 qui donne la mme densitmaxi quel'hmatite

Les deux produits prcdents ont l'avantage d'tre chimiquement inertes, et de nedemander qu'un trs faible volume d'eau additionnel. Mais l'ilmnite est un produit cheret parfois radioactif.

la galne et l'arsniure de fer possdent les densits les plus leves (suprieures 7)mais leur prix tant trs lev, leur utilisation reste limite des cas trs particuliersd'autant plus qu'ils sont acclrateurs de prise haute temprature.

4.3 Les laitiers pour tempratures leves

Les ciments Portland peuvent tre utiliss jusqu'aux environs de 80C ; au-delde cettetemprature, on utilise des ciments dits retards, afin d'avoir un temps de pompabilitsuffisant pour mettre en place les laitiers dans les puits.

4.3.1 Ciments API pour tempratures leves

Les ciments haute temprature normaliss par l'API sont :

Classe D : temprature de 77 100C (temprature statique)

Classe E : temprature de 110 143C

Classe F : temprature de 110 160C

A ces trois classes s'ajoute le ciment classe J (tentative). Prvue pour utilisation de 12000 16000 feet (3660 4880 m) tel quel sous conditions de temprature et de pressionextrmement leves, ou avec acclrateurs et retardateurs, pour couvrir une plus largegamme de profondeurs et temprature. Aucune addition de retardateur autre que sulfate decalcium, eau, ou les deux, n'est admise lors de la fabrication du clinker de ciment classe J.

4.3.2 Composition des ciments retards

Les ciments retards naturellement ont une teneur en aluminate tricalcique, ferro-aluminate

ttracalcique et silicate tricalcique moins leve que les ciments non retards ; afin


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d'augmenter encore le temps de pompabilit, on leur ajoute des retardateurs, lignosulfonatesen particulier, qui s'adsorbent sur les constituants et empchent leur combinaison rapide.

Par utilisation de ciments retards, naturellement et par adjonction de retardateurs, on peuteffectuer des cimentations dans des puits dont la temprature statique peut aller jusqu'200C.

4.3.3 Rtrogression de rsistance des ciments temprature leve - Influence de lasilice

On constate au laboratoire que la rsistance mcanique des ciments conservs hautetemprature passe par un maximum et dcrot ensuite pour tomber aprs quelques mois desvaleurs trs faibles.

Ce phnomne est appelrtrogression de rsistance des ciments ; le seuil de temprature partir duquel on note ce phnomne est d'environ 110C.

Les tudes effectues sur ce sujet ont montrque la chute de rsistance observe hautetemprature s'accompagne d'une augmentation de la quantit de silicate dicalcique alphahydrat dans le ciment ; ce compos n'aurait selon certains auteurs, pas de propritshydrauliques, ce qui expliquerait la chute de rsistance observe.

D'autres auteurs ont avancdes thories diffrentes : rgression de la surface interne duciment hydrat, ralentissement de l'hydratation cause de la formation spontane de barrirescristallines empchant la diffusion de l'eau...

Afin d'empcher la formation de silicate dicalcique alpha hydrat, donc d'viter lartrogression de rsistance, on ajoute sec au ciment de la silice, sable ou quartz, trsfinement divise.

Il convient d'ajouter suffisamment de silice au ciment pour annuler compltement laformation de silicate dicalcique alpha hydrat temprature leve ; en effet, avec 10 %seulement de silice (rapport Ca/Si voisin de 2) l'hydratation haute temprature conduit laformation maximale de silicate dicalcique alpha hydrat. Avec 40 % de silice (rapport Ca/Sivoisin de 1) l'hydratation donne uniquement de la tobermorite (silicate sesquicalcique). La

rsistance haute temprature d'un tel ciment crot avec l'ge du ciment, c'est--dire avec ledegrd'hydratation.

4.3.4 Ciments spciaux ou systmes pour puits d'injection de vapeur ou combustionin-situ

Les systmes ciment-silice peuvent tre utiliss jusqu'300C. Au-del, il est recommandd'utiliser des ciments alumineux, avec adjonction de silice.


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4.4 Les laitiers pour rgions froides

Lorsque la temprature des forages cimenter s'abaisse au-dessous de + 10C, les cimentsclassiques ne donnent pas de rsultats satisfaisants. Toutefois si la temprature restesuprieure au point de conglation de la phase aqueuse, on constate un retard dans la prise deplus en plus prononcavec une rsistance la compression trs lente se dvelopper.

Pour les tempratures plus basses, la phase aqueuse gle, le ciment ne s'hydrate plus et laprise n'intervient pas. Deux remdes peuvent tre appliqus : soit lever la temprature pouracclrer la prise, soit utiliser des systmes de ciment pouvant faire prise basse temprature.

Plusieurs mthodes ont tutilises pour tenter de maintenir le ciment une tempratureconvenable sans pour autant donner des rsultats satisfaisants : que ce soit la circulation deboue rchauffe ou mme des procds lectriques utilisant la conduction du sol.

Pour le moment, le choix limit deux types de matriaux : les ciments fondus et lesciments au gypse.

4.4.1 Les ciments fondus

Les ciments fondus ou ciments alumineux sont obtenus par fusion 1600C d'un mlangede bauxite et de calcaire ou de chaux.

Il se compose de 70 80 % d'aluminate monocalcique et de silicate bicalcique pour la

fraction restante avec du fer, du magnsium et divers autres composs en proportionsdiverses.

Ce ne sont pas des ciments prise rapide du fait que pour des tempratures gales, la prisen'intervient pas plus tt que pour un ciment Portland mais le durcissement se produit dans unlaps de temps trs court, (environ 80 % de la rsistance finale en 24 heures) et cette prises'accompagne d'un dgagement de chaleur important (9 cal.g contre 2 cal.g pour un cimentordinaire) presque totalement librdurant la phase de durcissement.

Le ciment fondu est donc utilisable par temps froid, la chaleur libre acclrant la prise etcombattant l'effet nfaste des basses tempratures.

Ces ciments peuvent tre acclrs ou retards par des additifs appropris et leur densitpeut tre modifie par l'usage de certains allgeants inertes chimiquement.

A cet gard, il est important de noter que la bentonite se comporte comme un acclrateur.

Toutefois, leur utilisation reste assez limite pour plusieurs raisons :

Gchs avec de l'eau trop chaude, ils peuvent donner des gels inutilisables et surtout ilsncessitent un stockage totalement indpendant car ils sont fortement contaminants l'gard des ciments classiques.


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La phase liquide n'est pas protge pour des tempratures trs basses car les eauxcontenant plus de 12 % de sel retardent la prise dans des proportions inacceptables.

Enfin, certains utilisateurs redoutent un endommagement des formations geles par ledgagement de chaleur des ractions d'hydratation.

4.4.2 Ciment au gypse

L'ingrdient de base est un ciment ptrolier non retard, le classe G est souvent utilis,mlangavec une forte proportion de pltre spcialement tudipour cet usage.

La phase aqueuse est protge contre le gel par addition de sel (NaCl), enfin, desdispersants et des retardateurs sont utiliss pour rendre le laitier pompable dans les conditionsd'utilisation habituelles.

La chaleur d'hydratation est libre sur une priode plus longue, ils sont donc facilementutilisables dans les cimentations de permafrost.

La rsistance la compression du ciment devrait rester toutefois modeste bien que trssuffisante dans la plupart des cas.

4.4.3 Conclusion

Les cimentations basse temprature avec des ciments Portland modifis ou spciaux restent

limites pour le moment une temprature d'environ - 10C ce qui couvre la majeure partiedes usages ptroliers.

Des laitiers drivs des deux systmes de base ont galement t tudis soit parl'adjonction de pouzzolane dans les ciments fondus pour limiter l'lvation de temprature oul'utilisation d'alcool dans la phase aqueuse la place du sel pour abaisser le point deconglation de l'eau.

Ces systmes ne prsentent pas de caractristiques fondamentalement diffrentes de cellesdont ils drivent.

Les ciments fondus donnent de trs bonnes caractristiques mcaniques avec uneadhrence trs bonne ds les premires 24 heures. Par contre, ils sont trs contaminants etpeuvent endommager les sols gels.

Les ciments au gypse sont utilisables jusqu'- 10C ; ils sont moins contaminants mais lesrsistances la compression ne dpassent pas une cinquantaine de bar, soit environ le tiers oula moitides valeurs obtenues avec un ciment fondu.

Les ciments dcrits ci-dessus permettent, dans certains cas, de rsoudre le problme descimentations de colonnes de surface en zone froide, mais ils prsentent souvent desinconvnients importants.


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4.5 Les laitiers thixotropes

4.5.1 Proprits des ciments thixotropes

Les ciments thixotropes* sont des laitiers de ciment qui possdent des propritsrhologiques particulires et auxquelles sont associes des proprits mcaniquesintressantes.

Ces ciments sont hautement thixotropes c'est--dire qu'un gel se forme rapidement enl'absence d'agitation ou d'coulement, ce gel tant toutefois dtruit si l'agitation estreprise.

Ces ciments sont expansifs, ce qui assure une meilleure liaison entre casing et

formations consolides.

La rsistance mcanique de ces ciments est convenable bien qu'elle se dveloppe pluslentement que pour un laitier classique.

L'emploi de laitier de ciment thixotrope parat bien adaptaux problmes de pertes dansdes terrains fissurs :

- densits lgrement plus basses que celles des laitiers classiques,

- la thixotropie rduit les pertes car le laitier se gle dans les fissures et empche lecheminement du gaz,

- quelques minutes aprs sa mise en place, il n'exerce pas de pression hydrostatique, dufait de son gel lev,

- malgrune viscositsuprieure celle des ciments classiques, les pertes de chargerestent faibles du fait de sa mise en place dbit rduit.

Les autres proprits sont comparables celles enregistres sur les laitiers classiques :

temps de pompabilit du mme ordre de grandeur pour des pressions et tempraturesfaibles,

filtrat sans changement.

Certains additifs usuels (acclrateurs de prise, antimousse, allgeants) peuvent treemploys sans problme.

Toutefois, ils ncessitent l'utilisation d'un retardateur spcial non dispersant.

*Appels RCF regulated fill up cement par DOWELL


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4.5.2 Ralisation des laitiers thixotropes

Lais laitiers sont raliss partir de ciment et de sulfate de calcium slectionn(CaSO4,

1/2 H2O, ).

L'aluminate tricalcique (C3A) donne avec le sulfate de calcium un sulfonate de chaux ou

de sel de CANDLOT :

OH31,CaSO3CaO,3,OAlOH25O2H,CaSO3CaO3,OAL243222432

++

Un autre composAL2O3, 3 CaO, Ca SO4, 12 H2O se formerait galement au cours del'hydratation du ciment.

C'est la prsence du sel de CANDLOT qui donne au laitier ses proprits particulires, lalimite maximale d'utilisation tant voisine de 90C (200F). Au-delde cette temprature laraction d'hydratation se ferait de faon diffrente et aprs prise du ciment la phase solideaurait pour formule 3 CaO, AL2O3, Ca SO4, 12 H2O pour une temprature voisine de 90C.

Le sel de CANDLOT ne peut se former de faon apprciable que si la teneur en aluminatetricalcique (C3A) est suffisante.

C'est pourquoi la ralisation de laitier thixotrope doit se faire avec un ciment dont la teneuren C3A est suprieure ou gale 1 2 %.

Cependant ce qui est avancne tient pas compte des ractions qui peuvent intervenir avecles composs alcalins prsents titre secondaire dans le ciment (CaO, MgO, CaSO4, Na2SO4)et avec les sels ventuellement prsents dans l'eau de gchage (NaCl, CaCl2et sulfates). Laprsence de ces sels dplace l'quilibre chimique des solutions et les phases solides quiapparaissent ont des compositions chimiques qui peuvent tre diffrentes.

C'est ainsi que la prsence de chlorure de sodium dans l'eau de gchage augmente lasolubilitdu sulfate de calcium (que celui-ci soit contenu dans le ciment ou qu'il soit ajoutpour avoir formation du sel de CANDLOT).

Le sulfate de calcium prsent dans le laitier se combine alors presque totalement avec lesaluminates calciques alors qu'en l'absence de chlorures une partie importante du sulfate de

calcium ne ragit pas.

L'utilisation de l'eau de mer ncessite l'tude pralable d'un systme appropri.


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4.6 Les laitiers expansifs

4.6.1 Pourquoi utiliser des ciments expansifs dans les puits ?

L'tanchitdes cimentations est un problme qui n'a pas encore trsolu dans tous lescas.

En supposant respectes toutes les rgles connues et devant assurer une bonne cimentation,on pense qu'il peut y avoir manque d'tanchit, soit par retrait du ciment au cours de la prise,soit par cration d'un micro-annulaire par contraction du tubage.

Le retrait des ciments est un phnomne bien connu en travaux publics et il est admis queles ciments purs conservs sous eau s'allongent d'environ 2 mm/m alors que les cimentsconservs l'air libre diminuent d'une quantitdu mme ordre.

Les recherches qui ont tconduits sur ce sujet ont eu pour but principal non d'assurer uneexpansion proprement dite mais plutt une compensation du retrait.

tant donnque le retrait ou l'expansion dpend beaucoup du milieu de conservation danslequel se trouve le ciment, les conclusions que l'on peut tirer d'une tude peuvent tre valablesdans certains cas d'utilisation et ne pas l'tre dans d'autre cas.

La contraction du tubage conduisant la formation d'un micro-annulaire, peut tre due plusieurs causes :

changement d'une boue lourde utilise pour la chasse du laitier par une boue lgre

ncessaire la reprise du forage, fermeture du puits sous pression pendant la cimentation et ensuite ouverture du puits,

chaleur d'hydratation du ciment : lorsque le ciment fait prise, la chaleur dgage par lelaitier fait dilater le tubage ; ce dernier se contracte par la suite, il se cre alors un micro-annulaire non tanche.

L'utilisation d'un ciment expansif permettrait d'viter le retrait du ciment et la formationd'un micro-annulaire.

4.6.2 Composition des ciments expansifs

Les additifs expansifs dont il est fait le plus souvent mention dans la littrature contiennentsulfates, chaux et aluminate, les diffrentes formules et les dosages conduisantvraisemblablement la formation du sulfo-aluminate tricalcique ou sel de CANDLOT.

D'autres sels peuvent tre utiliss comme agents expansifs ; certaines bases, chaux etmagnsie en particulier, ont tproposes mais leur emploi est dangereux car, utilises enexcs, chaux et magnsie foisonnent et peuvent disloquer le ciment.


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4.6.3 Utilisation

La littrature cite un ciment expansif ou plutt retrait compensle Chemcomp qui a tutilis:

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