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Cours Matériaux cimentaires

A. PischLCR - Lafarge Centre de Recherche

2009Cours Matériaux cimentaires

Cours Matériaux cimentaires

A. Pisch

Résumé

n Béton est le matériau de construction le plus utilisé

dans le monde

n Ciment est un liant hydraulique :

anhydre qui réagit avec de l’eau pour former hydrates

= « colle »

n Différents liants hydrauliques:

ciment, laitiers, pouzzolanes, cendres volantes

n Mortier = ciment + eau + sable

Béton = ciment + eau + sable + granulats

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Silicates C3S

C2SAluminates C3A

C4AF

Mechanical performances of different mineralogical phases

Comparison of compressive strength of cement constituents(Bogue & Lerch)

���� C3S = the most interesting phase

Time (days)

Str

en

gh

th(M

Pa

)

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CaO – SiO2

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Production de silicates

n CaO + SiO2 réalisable seulement en laboratoire

n En usine: calcaire CaCO3 et Argiles (source de SiO2)

n Produit naturel = introduction impuretés

n A, F, M et N,K, SO3

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CaO – SiO2 - Al2O3

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Reactivité

n Afin de facilite l’aptitude à la cuisson d’un cru

o Optimisation de la composition (phase liquide)

o Optimisation de la granulométrie (broyage)

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Cuisson

n Au laboratoire

o Four

o Creuset en platine

o Trempe (à l’air, à l’eau)

n En usine

o Four rotatif en acier

o Briques réfractaires

o refroidisseur

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1450°C1200°C

950°C

C2SC3A

C4AFC3S

1340°C 1420°CCO2

H2O

C A

S F

Au laboratoire…

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Zone 1 Zone 2 Zone 3

H2O

% M

asses

100

clayCO2

CaOCaCO3C3S

C2S

Liqu.

Fe2O3 C2(A1F) C12A7 C4AF C3A

T°C

100

80

60

40

20

0 200 12001000800600400 1400

20

40

80

60

%

Quartz β Quartz αCristobalite

Clay

ClinkerRaw Mix

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Rotary kiln

The first rotary kiln, which is the standard today, appeared in 1897

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Different types of process

n Wet processo mixed in tanks, with water addition

n slurry 35 to 30% water

n Semi-wet processo mixed in tanks, with water addition, then filter pressed

and nodulized

n nodules 18 to 20% water

n Semi-dry processo granulation

n granules 12 to 14% water

n Dry processo only milled raw mix

n < 1% water

Dry and semi-dry

processes need a

very good quality

raw mix. No tank

mixing

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Radiation

Convection

ConductionCLINKER

Principle: a blast pipe produces a flame in a large

rotating cylinder through which the material to be

burnt is fed.

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Flame Radiation

Heat-up of walls

Radiation of the wallsnot in contact withthe material

Conduction of the wallsin contact with the material

Material bed surface Heat-up

Conduction + mixing materials

Overall heating of the material

Heat exchange in a rotary kiln

Material bed surface Heat-up

+ Convectionof the gases which carry

the heat

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Fonctionnement d’un cyclone

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Preheater Tower

n Material flow n Gas flow

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Preheater Tower

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Comparison of different process

n Kiln size vs capacity (typical figures)

4 200 t/j4,5 x 64 m

Preca

1 700 t/j4,5 x 64 mShort Kiln Dry

Process

1 500 t/j4,5 x 150 mLong Kiln Dry

Process

1 200 t/j4,5 x 150 mWet

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1,5

2,5

3,5

4,5

5,5

MJ/kg

Long Wet Long Dry Pre-heater Pre-calciner

Summary:comparison of different process

n Kiln Heat consumption

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Combustibles

n Solide

o Charbon

o Déchets (pneus, plastique, bois, carcasses,…)

n Liquide

o Huiles

o solvants

n Gazeux

o Gaz naturel

Produits de combustion (cendres) influencent la composition du clinker !

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Burner Bipe

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Cendres

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Refroidissement

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Salle de contrôle d’une cimentérie

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Clinker

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CLINKER (microscopie optique)

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CLINKER (Microscopie optique)

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A. Pisch

Le clinker : une céramique hétérogène et polyphasée

Grain de clinker (section polie, microscopie optique)

aliteC3S + imp.

béliteC2S + imp.

phaseinterstitielle

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GRAIN DE CLINKER (MEB)

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GRAIN DE CLINKER (MEB)

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Alite

M. Lacroix

optique M e b

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Bélite

M. Lacroix

optique M e b

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C3A - C4AF

M. Lacroix

optique M e b

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CaO libre

M. Lacroix

optique

CaO libre

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MgO libre ou Périclase

M. Lacroix

optique

MgO libre

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Composition du clinker : Analyse DRX Rietveld

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A. Pisch

Aspects environnementaux de la production de ciment

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A. Pisch

Emissions resultant de la production d’1 tonnede ciment (type CEM I)

n 700 kg CO2 (décarbonatation du cru + combustion)

n 170 - 500 kg vapeur d’eau

n 0,2 - 1 kg SO2

n 1 kg NOx

n 0 - 1 kg CO

n 10 - 130 kg d’eau de refroidissement

n 80 - 120 decibels dans les zones

les plus bruyantes

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A. Pisch

Quels sont les leviers pour baisser CO2 ?

n Changement de composition

o Difficilement réalisable (carrière, performances

produit)

n Optimisation procédé

o La plupart d’usines sont déjà optimisé

n Ciments composés

o Rapport C/K : levier le plus intéressant à court terme

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Types de ciments

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