Électif 10 mise en forme industrielle des sols et matériaux granulaires les ciments, liants...
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Électif 10Mise en forme industrielle des sols et matériaux granulaires
Les ciments, liants hydrauliques
Cours 3 Les ciments, liants hydrauliques 2
Définition
Norme NF P 15-301 de 1994 :
« Le ciment est un liant hydraulique, c’est-à-dire une matière inorganique finement moulue qui, gâchée avec de l’eau, forme une pâte qui fait prise et durcit par suite de réactions et processus d’hydratation et qui, après durcissement, conserve sa résistance et sa stabilité, même sous l’eau. »
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Petit historique
Panthéon de Rome :– Construction : 27 av. JC, reconstruction : 125– Béton de chaux, pierre, brique, mortier– Chaux + cendres volcaniques de Pouzzoles
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Petit historique
Louis Vicat (1786-1861) :– Recherche sur l’hydraulicité de la chaux– Travaux sur le clinker– 1840 : fabrication de ciment industriel, 80%
de carbonate de calcium + 20% de silice
« 1er » pont en béton coulé,Jardin botanique de Grenoble
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Petit historique
Joseph Aspdin (1778-1855) :– Donne le nom de ciment Portland en référence à la pierre
calcaire de l’île de Portland
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Plan
1. Fabrication des ciments (liants hydrauliques)
2. Composition du clinker
3. Ajouts au clinker
4. Normalisation des ciments
1.
Fabrication des ciments
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1. Fabrication des ciments
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1. Fabrication des cimentsSource : CIMBETON
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1. Fabrication des ciments
1. Extraction des matières premières• Se fait en carrière• 80% calcaire => carbonate de calcium
20% argile => silice, alumine et minerai de fer
2. Broyage du cru et cuisson• Broyage très fin => le cru• Passage au four => le cuit• Refroidissement brutal (trempe) => le clinker
3. Broyage du ciment et expédition• Addition de gypse (3 à 5 %), pour réguler la prise =>
ciment Portland• Autres additifs éventuels• Broyage très fin => pour obtenir un « ciment pur »
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1. Fabrication des ciments
• Matières premières– 80% calcaire
– 20% argile
• Produit de la cuisson– Transformations chimiques
– Granules de clinker
• Produits d’addition– Gypse (régulateurs de prise)
– Laitiers de haut fourneau
– Fillers
– Fumée de silice
– …
• Ciment– Broyage
– Conditionnement
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1. Fabrication des cimentsSource : CIMBETON
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1. Fabrication des ciments
• Source de carbonate de calcium = roches calcaires
• Source de silice, alumine, fer = argile
• La marne = mélange naturel de calcaire et d’argile
• Extraction en carrières
Extraction des matières premières
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1. Fabrication des cimentsSource : CIMBETON
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1. Fabrication des ciments
Préparation du « cru »
calcaire
argile
broyage 0,2 mm
le cru
Ajouts éventuels : bauxite ou
oxyde de fer
matières premières mélange conditionnement
granules
pâte fluide
Voie sèche ou semi-sèche :
Voie humide :
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1. Fabrication des cimentsSource : CIMBETON
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1. Fabrication des ciments
1. Préchauffage1. Déshydratation de l’argile2. Début de la décarbonatation du calcaire
2. Cuisson1. Four rotatif incliné : ~ 80 m (voie sèche) / ~ 150 m (voie
humide), diamètre 5 m, tôle d’acier tapissée de briques réfractaires à l’intérieur
2. Température de cuisson : 1450 °C3. Temps de cuisson : ~ 1 h (voie sèche)
Cuisson du « cru »
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1. Fabrication des cimentsSource : CIMBETON
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1. Fabrication des ciments
La trempe : refroidissement brutal du « cuit »
• Sortie du four => granules de clinker
• Clinker :– Phase solide = silicates– Phase liquide => aluminates après trempe
• Air froid insufflé au clinker
• Récupération de l’air réchauffé par le clinker
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1. Fabrication des cimentsSource : CIMBETON
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1. Fabrication des ciments
Ajout et broyage
• Gypse : régulateur de prise
• Laitier de haut fourneau
• Cendres volantes
• Fillers calcaires
2.
Le clinker-
Composition chimique et microstructure
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2. Composition du clinker
• Composition du ciment :– Clinker
– Gypse
– Laitier de haut fourneau
– Pouzzolanes
– Cendres volantes
– Fumée de silice
– Fillers
– …
• Ciment ordinaire :– Ciment Portland = 95 à 97% clinker + 3 à 5% gypse
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2. Composition du clinker
Composition du « cru » :
– Chaux CaO produit de la décarbonatation du calcaire :
– Silice SiO2
– Alumine Al2O3
– Oxyde de fer Fe2O3
– Alcalins : Na, K
CaCO3 (calcaire) CaO (chaux) + CO2
900 - 1000°C
source : argile
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2. Composition du clinker
Notations cimentières :
chauxsilice
alumine
oxyde de fer
Abstraction faite des « O »
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2. Composition du clinker
Composition du « cuit » :
– Silicate bicalcique Ca2SiO4 (= C2S)
– Silicate tricalcique Ca3SiO5 (= C3S)
– Aluminate tricalcique Ca3Al2O6 (= C3A)
– Aluminoferrite tétracalcique
Ca4Al2Fe2O10 (= C4AF)
– Alcalins : Na, K
Ca2SiO4 (= C2S) + CaO (= C) Ca3SiO5 (= C3S)
> 1300°C
phase solide
phase interstitielleliquide à 1400°C
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2. Composition du clinker
La trempe => durcissement des aluminates => silicates collés entre eux
Fabrication du clinker : combiner toutes les molécules de CaO avec la silice, l’alumine et le fer, pour former, à 1450°C, des silicates et aluminates aux propriétés hydrauliques
Ciment Portland (ordinaire) = clinker + 5% gypse broyés et mélangés
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2. Composition du clinker
Composition « grossière » du clinker (% massique)
C3S 50 à 60%
C2S 20 à 30%
C3A 8 à 10%
C4AF 10 à 12%
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2. Composition du clinker
Composition « fine » du clinker (en % massique)
CaO 60 à 67% TiO2 0,2 à 0,4%
SiO2 18 à 22% Na2O 0,2 à 0,4%
Al2O3 2 à 8% K2O 0,2 à 0,8%
Fe2O3 1 à 6%Chaux libre
1 à 2%
MgO 1 à 2%
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2. Composition du clinker
Section polie d’un granule de clinker observée au microscope optique :
• C3S : cristaux pseudo hexagonaux
• C2S : grains arrondis à surface lisse ou striée
400 microns
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2. Composition du clinker
Section polie d’un granule de clinker observée au microscope optique (400 microns) :
400 microns
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2. Composition du clinker
Surface de fracture d’un granule de clinker observée au microscope électronique à balayage
3.
Additions au clinker
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3. Additions au clinker
• Composition du ciment :– Clinker– Gypse– Laitier de haut fourneau– Pouzzolanes– Cendres volantes– Fumée de silice– Fillers– …
• Ciment ordinaire :– Ciment Portland = clinker + 3 à 5% de gypse
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3. Additions au clinker
Laitier de haut fourneau vitrifié
• Granulé ou bouleté
• Sous-produit de l’industrie métallurgique
• Produit hydraulique (fait prise avec de l’eau) => remplacement du clinker
• Composition :– 40% CaO– 35% SiO2
– 11% Al2O3
– 8% MgO (magnésie)
• + siliceux, - calcique que le clinker
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3. Additions au clinker
Les pouzzolanes
• « Pouzzolanique » => doit d’abord réagir avec la chaux pour devenir hydraulique
• Naturelles : cendres ou verres volcaniques
• Artificielles :– Cendres volantes de centrales thermiques au charbon– Sous-produit de l’électrométallurgie du silicium (fumée de silice)– Schistes calcinés
• Composition (silico-alumineuse) :– 45 à 70% SiO2 (90 à 95% pour la fumée de silice)– 10 à 25% Al2O3
– Jusqu’à 10% d’alcalins (Na2O et K2O)
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3. Additions au clinker
Les fillers calcaires
• Roches calcaires finement broyées
• Rôle de remplissage
• Composition : > 75% CaCO3
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3. Additions au clinker
Diagramme de Rankin
4.
Normalisation des ciments
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4. Normalisation des ciments
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4. Normalisation des ciments
Les types de ciment
Norme NF EN 197-1, article 6, tableau 1
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4. Normalisation des ciments
Les classes de résistance