Téchnologie du béton K.H. Khayat
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Conférences à la licence
FABRICATION DU CIMENT ET COMPOSITION DE LA PÂTE HYDRATÉE
* Fabrication et composition du ciment Portland* Réactivité des composés du ciment * Hydratation du ciment• Structure de la pâte de ciment hydratée• Microstructure du béton
MICROSTRUCTURE ET PROPRIETES A JEUNE AGE
* L’importance de la rhéologie dans le domaine de béton* L’entraînement d’air et la résistance au gel-dégel
Kamal H. Khayat
La fabrication du ciment passe par quatre étapes
1. Obtention des matières premières
2. Préparation des matières premières
3. Cuisson du clinker
4. Mouture finale
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Sources communesdes matières premières
Chaux (CaO) 63 % +/-
- Calcaire, schiste argileux
Silice (SiO2) 22 % +/-- Argile, sable, schiste argileux
Alumine (Al2O3) 6 % +/-
- Argile, cendres volantes, schiste argileux
Fer (Fe2O3) 2,5 % +/-
- Argile, minerai de fer
Calcium Fer Silice Alumine SulfateAragoniteCalcitePoussière de four
à cimentCalcaire à cimentCraieArgileTerre à foulonsCalcaireMarbreMarneCoquillagesSchisteLaitier
Poussière de haut-fourneau
ArgileMinerai de ferLavage de
mineraisCendre de pyriteSchiste
Silicate de calciumCalcaire à cimentArgileCendre volanteTerre à foulonsCalcaireLoessMarneLavage des mineraisQuartziteCendre d’écorce de rizSableGrèsShaleLaitierTrapp
Aluminum-ore refuse
BauxiteCalcaire à cimentArgileCopper slagCendre volanteTerre de FullerGranodioriteCalcaireLoessLavage des
mineraisShaleLaitierStaurolite
AnhydriteSulfate de
calciumGypse
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Composés typiquesNom Oxyde Raccourci Poids %
Chaux CaO C 63%
Silice SiO2 S 22%
Alumine Al2O3 A 6%
Oxyde ferrique Fe2O3 F 2.5%
Magnésie MgO M 2.6%
Dioxyde de carbone CO2 C -
Eau H20 H -
Trioxyde de soufre S03 S 3%
Oxydes de sodium et de potassium 0,3 à 1%
COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND
Nom du produit Abréviation
CaO Chaux (vive = combinée,libre = non-combinée) C
SiO2 Silice SAl2O3 Alumine AF2O3 Oxyde de fer FMgO Magnésie MSO3 Oxyde de soufre SH2O Eau HCa(OH)2 Chaux hydratée (Portlandite) CH?CaO.?SiO2.?H2O Silicate de calcium hydraté C-S-HCaSO4.2H2O (Ca).SO3.2H2O Gypse CSH2CaSO4.1/2H2O Hémihydrate CSH1/2CaSO4 Anhydrite CS
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Fabrication traditionnelle du ciment Portland
1. La pierre est d’abord réduite à une taille de 125 mm, puis 20 mm, avant d’être remisée
Concasseur primaire
Situé à la carrière
Concasse le matériau à la taille d’une balle de baseball
Le matériau est alors envoyé à un concasseur secondaire qui réduit sa taille de 20 à 125 mm
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2. Les matières premières sont réduites en poudre et mélangées
2. Préparation des matières premières
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2. Les matières premières sont réduites en poudre et mélangées
ou
2. Les matières premières sont moulues, on y ajoute de l’eau pour former une boue, puis elles sont mélangées
3. La cuisson transforme chimiquement le mélange le mélange de base pour en faire un clinker de ciment
La "farine" est introduite à l'extrémité supérieure d'un four en acier de forme cylindrique qui est incliné selon un angle de 3 à 5 degrés et qui tourne à 1-2 tpm.
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1. Longueur d'un four conventionnel ~ 160 m+ ---> cuisson ~ 2 heures. 2. Longueur d'un four conventionnel ~ 50 m -- cuisson dure 1/2 heure :* préchauffage (dessiccation d'eau libre) est fait dans un four de
préchauffage * décarbonatation (CaCO3 --->> CaO + CO2) et précalcination
(argile --->> SiO2, Al2O3 et Fe2O3) sont faites dans un four de précalcination.
Comment alimente-t-on le four?
Charbon
Huile
Gaz naturel
Déchets
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Déchets? Vieux pneus
Huile à moteur usée
Sous-produits de l’industrie papetière
Boues
Agriculture
3. La cuisson transforme chimiquement le mélange de base en clinker de ciment
CaCO3 à + 9000 C -----> CaO + CO2
Oxydes ComposésSiO2, CaO 3CaO.SiO2 (C3S);
2CaO.SiO2 (C2S)Al2O3, Fe2O3 3CaO.Al2O3 (C3A)
4CaO.Al2O3.Fe2O3
(C4AF) + impuretés
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Clinker de cimentPCA Slide
4. Le clinker et le gypse sont mélangés pour former du ciment Portland
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Fin du broyage
Broyé avec ~5% Gypsum
95% du matériau doit passer le tamis 325 microns
En quoi diffèrent les ciments?4 composés principaux
Silicate tricalcique (C3S)
Silicate bicalcique (C2S)
Aluminate tricalcique (C3A)
Aluminoferrite tetracalcique (C4AF)
Finesse Blaine (m2/kg)
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Composés chimiques - Formuleappellation cimentaire chimique
Silicate tricalcique - alite 3CaO.SiO2 C3SSilicate bicalcique - bélite 2CaO.SiO2 C2SAluminate tricalcique - célite 3CaO.Al2O3 C3AAlumino ferrite trétracalcique - ferrite 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF
Le C3S, C2S, C3A et C4AF forment plus de 90% du clinker (massique).
D'autres phases ou composés minéraux qui font partie du clinker sont :
la magnésie (MgO), la chaux libre ou vive (CaO) et les sulfates alcalins Na2SO4 et K2SO4.
C3SSilicate tricalcique 3CaO.SiO2 -“Alite”
Favorise le développement de la résistance à jeune âge
70% de réaction à 28 jours
Habituellement présent à 40-70%
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C2SSilicate bicalcique 2CaO.SiO2 -“Bélite”
Favorise le développement de la résistance à long terme
30% de réaction à 28 jours
Présent à 20-40%
C3AAluminate tricalcique
3CaO.Al2O3 -“Aluminate”
Fournit la chaleur initiale nécessaire à l’hydratation (10 à 15 F par 100 lb de ciment)
Gypse requis pour ralentir le processus…
C3A élevé pas aussi résistant aux attaques par les sulfates
Contribue peu à la résistance à long terme
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C4AFAlumino Ferrite tétracalcique
4CaO.Al2O3.Fe2O3 -“Ferrite”
Gouverne la couleur du ciment
Présent à 1-10%
Contribue peu à la résistance
Hydratation du Ciment Portland D’où vient la poudre magique que nous appelons ciment? Quelle est la composition chimique de la poudre que nous
appelons ciment Portland? Comment ces compositions chimiques réagissent-elles et
changent-elles de propriétés avec le temps? Quelles sont les réactions chimiques qui surviennent dans
le ciment Portland? Taux de réaction et cinétique de l’hydratation Microstructure
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HydratationQu’arrive-t-il quand nous ajoutons de l’eau au ciment?
Les grains de ciment se dissolvent…
se diffusent…
se précipitent…
Composés chimiques du ciment Portland
Alite – C3S – AngulaireBélite – C2S - Rond
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Micrographes de clinker
PCA Slide
Composition typique du ciment
Nom chimique Formule Abrégé Poids
Silicate tricalcique 3CaO*SiO2 C3S 50%
Silicate dicalcique 2CaO*SiO2 C2S 25%
Aluminate tricalcique 3CaO*Al2O3 C3A 12%
Aluminoferrite tétracalcique 4CaO*Al2O3*Fe2O3 C4AF 8%
Gypse CaSO4*2H2O CSH2 3.5%
Alite – C3S Belite – C2S Déterminer les matières premières “Calcul de Bogue”