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Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*Centre universitaire de MilaCours : Matriaux de construction Chapitre 02: CimentDans ce chapitre, nous tudierons en dtail le matriau de construction qu'est le ciment. Tout d'abord, nous aborderons les diffrents modes de fabrication du ciment portland dans la section 2.2 . Dans la section 2.3, nous verrons quels sont les constituants principaux du clinker, composant essentiel du ciment, ainsi que les autres constituants du ciment tels que les calcaires, le laitier, les fillers etc... Ensuite, nous classifierons les ciments suivant leur composition et leur rsistance dans la section 2.4. Enfin, nous tudierons dans la section 2.5 les caractristiques physiques et mcaniques du ciment portland telles que, la prise, le retrait, la rsistance la compression etc... Dans la rubrique Expriences, nous dcrirons quelques essais qui vous permettront de mesurer en laboratoire les caractristiques physiques et mcaniques du ciment.

Le Contenu de chapitre 2:

Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche

Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*C'est le matriau du 20e sicle, langlais Joseph Aspdin qui en 1824 fait breveter le ciment Portland. Le ciment est un produit moulu du refroidissement du clinker qui contient un mlange de silicates et d'aluminates de calcium port 1450 1550 C, temprature de fusion. Le ciment usuel est aussi appel liant hydraulique, car il a la proprit de shydrater et de durcir en prsence deau et par ce que cette hydratation transforme la pte liante, qui a une consistance de dpart plus ou moins fluide, en un solide pratiquement insoluble dans leau. Ce durcissement est d lhydratation de certains composs minraux, notamment des silicates et des aluminates de calcium. 2.2 Principe de fabrication ciment portland :La fabrication de ciment se rduit schmatiquement aux trois oprations suivantes: prparation du crucuisson broyage et conditionnement le constituant principal du ciment est le clinker qui est obtenu partir de la cuisson d'un mlange appropri de calcaire et d'argile, en proportion moyenne 80 et 20% .Il existe 4 mthodes de fabrication du ciment qui dpendent essentiellement du matriau: voie humide , voie semi-humide , voie sche , voie semi-sche

2.1.Gnralit sur le ciment :


Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*2.2 Principe de fabrication ciment portland :

Vue arienne dune cimenterieLa compos de base des ciments actuels est un mlange de silicates et daluminates de calcium rsultant de la combinaison de la chaux (CaO) avec la silice (SiO2), lalumine (Al2O3), et loxyde de fer (Fe2O3). La chaux ncessaire est apporte par des roches calcaires, lalumine, la silice et loxyde de fer par des argiles. Les matriaux se trouvent dans la nature sous forme de calcaire, argile ou marne et contiennent, en plus des oxydes dj mentionns.


Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*2.2 Principe de fabrication ciment portland : Le principe de la fabrication du ciment est le suivant: calcaires et argiles sont extraits des carrires, puis concasss, homogniss, ports haute temprature (1450 C) dans un four. Le produit obtenu aprs refroidissement rapide (la trempe) est le clinker. Un mlange dargile et de calcaire est chauff. Au dbut, on provoque le dpart de leau de mouillage, puis au del de 100 C, le dpart deau. A partir de 400C commence la composition en gaz carbonique (CO2) et en chaux (CaO), du calcaire qui est le carbonate de calcium (CaCO3). Le mlange est port 1450-1550 C, temprature de fusion. Le liquide ainsi obtenu permet lobtention des diffrentes ractions. On suppose que les composants du ciment sont forms de la faon suivante: un partie de CaO est retenu par Al2O3 et Fe2O3 en formant une masse liquide. SiO2 et CaO restant ragissent pour donner le silicate bicalcique dont une partie se transforme en silicate tricalcique dans la mesure o il reste encore du CaO non combin. a.Extraction et concassage:Les matires premires sont extraites de carrires gnralement ciel ouvert.On a recours actuellement lutilisation dexplosifs (tirs de mine) pour faciliter lextraction de la roche.


Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*a.Extraction et concassage:

Les blocs obtenus sont transports vers latelier de concassage et rduits dans en lments d'une dimension maximale de 50 mm. Ces concasseurs sont situs parfois surles lieux mme de l'extraction.


Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*b. prparation de la matire premire: Les grains de calcaire et dargile sont intimement mlangs par broyage et dlayage, dans les proportions dfinies, en un mlange trs fin . A cette occasion, des corrections de composition peuvent tre effectues en incorporant des ajouts en faible proportion: oxyde de fer,). Le cru est prpar automatiquement sous forme de poudre(voie sche) ou de pte (voie semi-humide ou humide), en fonction de la technique de fabrication utilise.i., Voie sche: La voie sche est la technique la plus utilise aujourd'hui. La matire premire est prpare sous forme de poudre. La prhomognsation permet d'atteindre un dosage parfait des deux constituants essentiels du ciment par superposition de multiples couches.

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Hall de Prhomognsation


Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*i., Voie sche:A la sortie du hall de prhomognsation, le mlange est trs finement broy dans des broyeurs scheurs, qui liminent l'humidit rsiduelle et permettent d'obtenir une poudre qui prsente la finesse requise.

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Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*i., Voie scheCette poudre "le cru", est une nouvelle fois homogns par fluidisation, corrige si ncessaire puis stocke en silo avant introduction au four.Lhomognisation et le stockage sont raliss dans la mme tour qui comporte sa partie suprieure un silo d'homognisation dans lequel le cru est brass par aircomprim, il est ensuite stock dans le silo la partie infrieure de la tour.ii., Autres techniques de prparation de la matire :Les autres techniques de prparation sont moins employes. Elles consistent agglomrer la matire sous forme de granules (voie semi-sche) ou la transformer en une pte fluide (voie semi-humide ou humide).Voie humide :Les blocs sont dverss dans un bassin de dlayage (aliment deau), lintrieur duquel tourne qui divise la matire. La pte ainsi obtenue qui est encore grossire est ensuite broye et envoye dans des bassins de stockage pour y tre Homognise mcaniquement


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Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*c. Cuisson ou calcination :Quelque soit la technique labore pour la prparation du cru, les installations de cuisson sont similaires et comportent deux parties :Un changeur de chaleur comportant 4 5 cyclones dans lesquels la poudre dverse la partie suprieure progresse jusqu' l'entre du four. Elle se rchauffe au contact des gaz chauds sortant de ce four et se dcarbonate en partie. Une dcarbonatation plus complte peut tre obtenue par l'ajout d'un foyer complmentaire situ dans le cyclone infrieur (prcalcination).La poudre est ainsi porte d'environ 80 1000 C en un temps trs court.Il s'agit dans la deuxime partie, d'un four horizontal cylindrique en tle d'acier avec revtement Rfractaire intrieur de 60 150mtres de long et de 4 5 mtres de diamtre, lgrement inclin et tournant environ 1 tour /minute.


Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*c.Cuisson ou calcination :Le cru pntre l'amont du four o s'achve la dcarbonatation et progresse jusqu' la zone de clinkrisation (1450 C). Sous l'effet de la chaleur, les constituants de l'argile (silicatesd'alumine et d'oxyde de fer), se combinent avec la chaux provenant du calcaire pour donner des silicates et aluminates de chaux.2 CaO + SiO2 2 CaO,SiO2 C2S : Blite3 CaO + SiO2 3 CaO,SiO2 C3S : Alite3 CaO + Al2O3 3 CaO,Al2O3 C3A : Clite4 CaO + Al2O3 + Fe2O3 4 CaO,Al2O3,Fe2O3 C4AF : CliteLa cuisson est une opration forte consommatrice d'nergie. La source de chaleur est apporte par une tuyre qui peut brler diffrents combustibles : gaz naturel, fuel, charbon,.A la sortie du four, le clinker tombe sur des refroidisseurs grille qui ramnent sa temprature 70 C; ce choc thermique donne naissance des granules de diamtres variant entre 1 et 10 mm.d., Broyage:Il est ensuite vhicul vers les trmies des broyeurs o il est finement broy avec 3 5% de gypse afin de rgulariser la prise. Dans certains cas, en plus du gypse, on ajoute d'autres constituants tel que le laitier de Haut-fourneau, les pouzzolanes, les cendres volantes ou les fillers pour l'obtention de diverses catgories de ciment.


Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*Les compositions chimiques et minralogiques du clinker sont comprises dans les limites suivantes (tableau 2.1) :

Les grains de ciment tant rcuprs la sortie du broyeur sont expdis vers des silos de stockage. Ces silos sont cylindriques et de capacit pouvant aller jusqu' 10.000 tonnes. Le ciment qui est produit un prix unitaire relativement bas, supporte mal, en cot, de longs transports.


Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*2.3 Constituants principaux et additions :2.3.1 Constituants du clinker :Les principaux composants anhydres obtenus lors du refroidissement rapide du clinker sont: Le silicate tricalcique 3CaO.SiO2 (C3S) (50-70% du clinker). Le silicate bicalcique 2CaO.SiO2 (C2S) (10-30% du clinker). Laluminate tricalcique 3CaO.Al.O3 (C3A) (2-15% du clinker). Lalumino-ferrite ttracalcique (Ferro-aluminate tetracalique) 4CaOAl2O3.Fe2O3 (C4AF) (5-15% du clinker). Le clinker contient encore en faibles quantits, sous forme de solution solide ou pris dans des combinaisons complexes, des alcalis (Na2O, K2O), de la magnsie (MgO), diverses traces de mtaux. La teneur en alcalis et magnsie doit rester faible, car ces matires peuvent influencer dfavorablement la stabilit du ciment durci. 2.3.2 Les autres constituants des ciment :Le ciment portland est compos de clinker moulu auquel on ajoute une quantit de gypse, destin rgulariser la prise. Pour modifier les proprits du ciment, on ajoute les autres constituants associs au clinker grce leurs caractristiques chimiques ou physiques. Les constituants les plus utiliss sont: Calcaires: Les calcaires sont considrs comme un des constituants principaux du ciment. Ils doivent prsenter une proportion de carbonate de calcium CaCO3 suprieure 75% en masse.


Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*Laitier granul de haut fourneau: Le laitier est un sous-produit de l'industrie mtallurgique ayant des proprits hydrauliques. Il est obtenu par refroidissement rapide (trempe) de certaines scories fondues provenant de la fusion du minerai de fer dans un haut fourneau. Cendres volantes (V ou W): Elles sont les produits pulvrulents de grande finesse, provenant du dpoussirage des gaz de combustion des centrales thermiques. On distingue: Les cendres volantes siliceuses (V) qui ont des proprits pouzzolaniques; Les cendres volantes calciques (W) qui ont des proprits hydrauliques et parfois pouzzolaniques. Schistes calcins: Ce sont des schistes que lon porte une temprature denviron 800 C dans un four spcial. Finement broys, ils prsentent de fortes proprits hydrauliques et aussi pouzzolaniques. Fillers: Ce sont des constituants secondaires des ciments, donc ils ne peuvent jamais excder 5 % en masse dans la composition du ciment. Ce sont des matires minrales, naturelles ou artificielles qui agissent par leur granulomtrie sur les proprits physiques des liants (maniabilit, pouvoir de rtention deau).


Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*2.4 Les principales catgories de ciment. Les ciments peuvent tre classs en fonction de leur composition et de leur rsistance normale. 2.4.1 Classification des ciments en fonction de leur composition Les ciments constitus de clinker et des constituants secondaires sont classs en fonction de leur composition, en cinq types principaux. Ils sont nots CEM et numrots de 1 5 en chiffres romains dans leur notation europenne (la notation Algrienne est indique entre parenthse): CEM I: Ciment portland (CPA - dans la notation algrienne). CEM II: Ciment portland compos ( CPJ). CEM III: Ciment de haut fourneau (CHF). CEM IV: Ciment pouzzolanique (CPZ). CEM V: Ciment au laitier et aux cendres (CLC). 2.4.2 Classification des ciments en fonction de leur rsistance normale :Trois classes sont dfinies en fonction de la rsistance normale 28 jours; des sous classes R sont associes ces 3 classes principales pour dsigner des ciments dont les rsistances au jeune ge sont leves. Ces classes sont notes, classe 32,5, classe 42,5, classe 52,5. Elles doivent respecter les spcifications et valeurs garanties du tableau 2.3. Les valeurs entre parenthses sont les valeurs garanties lorsquelles peuvent tre infrieures aux valeurs spcifies.


Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*Tableau 2.2: Dsignation des diffrents types de ciment en fonction de leur composition


Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*Tableau 2.3: Spcification et valeurs garanties en fonction de la classe


Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*2.5. Les caractristiques du ciment portland :2.5.1 La prise :Ds que le ciment anhydre a t mlang avec de l'eau, lhydratation commence et les proprits de la pte ainsi obtenue sont volutives dans le temps. Tant que cette hydratation n'est pas trop avance la pte reste plus ou moins mallable, ce qui permet de lui faire pouser par moulage la forme dsire. Mais au bout dun certain temps, les cristaux dhydrayes prenant de plus en plus d'importance, le mlange a chang de viscosit et se raidit, on dit quil se fait priser. Le dbut de prise correspond au moment o l'on observe une augmentation de la viscosit , ou raidissement de la pte, ce qui, dans la pratique, se mesure au moyen de l'aiguille normalise (appareil de Vicat) et correspond au temps coul depuis le gchage de la pte jusqu'au moment o l'aiguille sarrte une distance (d = 4 mm 1 mm) du fond de lanneau de 40 mm de hauteur remplie de pte pure de ciment. De mme, la fin de prise correspond au moment o l'aiguille ne s'enfonce plus dans lanneau.


Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*Le phnomne de prise du ciment est li de nombreux paramtres tels: la nature du ciment, la finesse de mouture du ciment; plus son broyage a t pouss, plus le temps de prise est court.la temprature; alors qu' zro degr la prise est stoppe, plus la temprature ambiante est leve plus la prise est rapide, pour un ciment donn le dbut de prise sera de 18 heures 2 C, de 5 heures 10 C, de 3h 30 20 C et de 30 min 35 C (fig 2.5).la prsence de matires organiques dans l'eau ou dans l'un des autres constituants du bton qui ralenti la prise.l'excs d'eau de gchage qui a, entre autres inconvnients, une action retardatrice sur la prise (Fig 2.7) En fonction de leur classe de rsistance, les normes spcifient un temps de prise minimum qui est, la temprature de 20 C, de: 1 h 30 pour les ciments de classes 35 et45. 1 h pour les ciments des classes 55 et HP. Il est noter que pratiquement tous les ciments ont des temps de prise largement suprieurs ces valeurs minimales, l'ordre de grandeur tant de 2 h 30 3 h pour la majorit des ciments.



Fig 2.6: Influence de la temprature sur la prise des ciments Fig 2.7: Influence du E/C sur le temps de prisefig 2.5: Evolution du temps de prise en fonction de la temprature


Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*Evolution physico-chimique de la pte de ciment: En gchant le ciment avec leau, on obtient une pte dans laquelle leau entoure chaque grain de ciment en formant un rseau capillaire. Les composs anhydres du ciment sont alors attaqus en surface par leau pour produire des composs hydrats. Dans le cas des silicates de calcium C3S et C2S, la chaux hydrate se dissout et il se dpose des cristaux de Ca(OH)2 alors que les silicates de calcium hydrats forment un gel compos de fines aiguilles la surface du ciment. Ces aiguilles se dveloppent en dimension et en nombre tout en rduisant les interstrices capillaires entre les grains. Quand les aiguilles entre les grains de ciment se rapprochent, la pte devient plus raide. Cette rigidit est au dbut faible et peut encore tre facilement dtruite mcaniquement. Cest le dbut de la prise. Aprs quelques heures, les interstrices capillaires sont partiellement combles par le gel. La pte de ciment acquiert une certaine rsistance. Cest le durcissement qui commence. La rsistance continue crotre mesure que le gel devient plus compact, dune part, parce quil y a un accroissement de la cohsion entre les aiguilles et accroissement du feutrage des aiguilles, dautre part, parce quil se formerait des joints de soudure entre les aiguilles de tobermolite des divers grains de ciment.


Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*Evolution physico-chimique de la pte de ciment: Dans les ptes de ciment durcies, il reste de ce fait toujours des grains de ciment non hydrats.

fig 2.9: L'volution physico-chimique de la pte de ciment .2.5.3 Le retrait :La pte de ciment se rtracte dans l'air sec (alors qu'au contraire elle gonfle dans l'eau), ce phnomne se poursuivant dans le temps et ceci pendant des dures d'autant plus longues que les pices sont massives. C'est le retrait qui est cause des fissures que l'on observe dans des pices en bton.


Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*2.5.3 Le retrait :En fait il existe plusieurs types de retrait: Le retrait avant prise d essentiellement la perte rapide d'une partie de l'eau de gchage par vaporation et dont l'amplitude est dix fois celle du retrait hydraulique classique. Ce retrait qui provoque des contraintes de traction suprieures la rsistance du bton la traction, qui est alors pratiquement nulle, se traduit par l'apparition, la surface du bton encore plastique, de grosses crevasses peu profondes, pouvant tre refermes par talochage, le retrait hydraulique, qui dcoule d'une part de la contraction (le volume des hydrates est infrieur au volume des constituants de dpart) et d'autre part du retrait de dessiccation (contraction au schage), est de l'ordre de 0,2 0,4 mm/m pour les btons. Dans le cas de bton faible rapport E/C, la dessiccation d'origine "endogne" (consommation de l'eau de gchage pour hydratation) peut tre prpondrante sur la dessiccation par change avec le milieu externe, le retrait thermique, qui est d la contraction du bton lors de son refroidissement. L'importance du retrait hydraulique, en dehors du facteur de temps, est fonction de nombreux paramtres parmi lesquels: la nature du ciment le dosage en eau (fig 2.12) la propret des sables la forme et la dimension des granulats


Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*3. Mesure des temps de dbut et de prise Objectif de lessai Il est ncessaire de connatre les dbut et fin de prise des ptes de ciment ( des liants hydrauliques ) afin de pouvoir valuer le temps disponible pour la mise en place correcte des mortiers et des btons qui seront ensuite confectionns. Les essais se font laide de laiguille de Vicat qui donne deux repres pratiques: Le dbut de prise et la fin de prise. Principe de essai Lessai consiste suivre lvolution de la consistance dune pte de consistance normalise; lappareil utilis est appareil de VICAT quip dune aiguille de 1,13 mm de diamtre. Quand sous leffet dune charge de 300 g laiguille sarrte une distance d du fond du moule telle que d= 4mm 1 mm on dit que le dbut de prise est atteint. Ce moment, mesur partir du dbut du malaxage, est appel TEMPS DE DEBUT DE PRISE . Le TEMPS DE FIN DE PRISE est celui au bout duquel laiguille ne senfonce plus que de 0,5 mm. Equipement ncessaire Salle climatise: Lessai doit se droule dans une salle, dont la temprature est de 20 C 1 C et dont lhumidit relative est suprieure 90%. A dfaut dune telle humidit relative, lchantillon test pourra, entre deux mesures, tre entrepos dans de leau maintenue 20 C 1 C.


Cours de matriaux de construction , Mr. A. Guettiche*- Malaxeur normalis: avec une cuve de 5 litres de contenance et dune pale de malaxage pouvant tourner 2 vitesses ( dites lente 140 tr/mn et rapide 285 tr/mn ). - Appareil de VICAT ( du nom de lingnieur franais ). Lappareil est compos dun moule tronconique de 40 mm de hauteur et dune tige coulissante quipe son extrmit dune aiguille de 1,13 mm de diamtre. - Balance prcise 0,1 g prs. - Chronomtre prcise 0,1 s prs. Conduite de essai Le mode opratoire de lessai est fix par la norme EN 196-3. Il sagit de confectionner une pte de consistance normalise: On prparera 2 Kg de ciment, une pte pure de rapport E/C=0,26. Ceci permettra de prparer 5 moules. Pour acclrer les phnomnes, on dissolvera dans leau de gche du chlorure de calcium (CaCl2) en prenant comme poids de CaCl2, 2% du poids deau calcul pour la gche. On versera leau avec lacclrateur de prise dissous dans la cuve du malaxeur, contenant le ciment, on dclenchera les deux chronomtres, ( un pour la gche, un autre pour base du temps, pour la manipulation ).



La pte est alors rapidement introduite dans le moule tronconique pos sur une plaque de verre, sans tassement ni vibration excessifs. Il faut enlever lexcs de pte par une mouvement de va-et-vient effectu avec une truelle maintenue perpendiculairement la surface suprieure du moule. Puis lensemble est plac sur la platine de lappareil de vicat. Quatre minutes aprs le dbut du malaxage, laiguille est amene la surface de lchantillon et relche sans lan ( sans vitesse ). Laiguille alors senfonce dans la pte. Lorsquelle est immobilise ( ou aprs 30 s dattente ), relever la distance d sparant lextrmit de laiguille de la plaque de base. Recommencer lopration des intervalles de temps convenablement espacs ( ~ 10-15 mn ) jusqu ce que d= 4mm 1mm. Cet instant mesur 5 mn prs est le temps de dbut de prise pour le ciment concern ( tudi )


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