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Cours Matériaux cimentaires

A. PischLCR - Lafarge Centre de Recherche

2009Cours Matériaux cimentaires


A. Pisch

Lafarge

n 90000 employées dans le monden Chiffres d’affaires : 19003 M€ en 2008 (3542 M€)n 2000 sites de production dans 76 paysn ciment, granulats : N°1 mondiale (Holcim, Cemex,…)n béton, plâtre : N°3 mondiale n 57% ciment, 35% béton et granulats, 8% plâtren Centre de Recherche (Isle d’Abeau) : 220 chercheurs,

techniciens et administratifs



A. Pisch

Ciment – Mortier - Béton

n C’est quoi ?

+ eau coulis, pâte

+ sablemortier

+ granulatsbéton



A. Pisch

Liant hydraulique

n Definition :

Un liant hydraulique est un liant qui se forme et durcit par réaction chimique avec de l’eau et est aussi capable de le faire sous l’eau.



A. Pisch

Liants hydrauliques

n Ciments (OPC ordinary portland cement, aluminates)n Laitiers de haut fourneauxn Cendres volantesn Pouzzolanes



A. Pisch

Liants hydrauliques

Pouzzolane = roche volcanique de Pouzzoles à coté de Naples (Italie)



A. Pisch

n Du béton : pour quoi faire ?

o Réussites, échecs, préjugés, …o Génie civil,o Architecture, o Urbanisme, o Environnemental …



A. Pisch

Viaduc de Millau35000 t de ciment



A. Pisch

« À la Courneuve, y'a pas d'écoles, y'a qu'des prisons et du béton »Renaud



A. Pisch



A. Pisch

n Le béton : quelques chiffres

o Le matériau fabriqué en plus grande quantité par l’homme



A. Pisch



A. Pisch

n Composition béton courant :

o Pour 1 m3 :

o Gravillons calcaires 12.5/50 777 kgo Gravillons calcaires 4/12.5 415 kgo Sable 0/5 744 kgo Ciment CEM I 52,5N 353 kgo Eau 172 kgo Fluidifianto Total 2461 kg



A. Pisch

n 1/ du béton pour le remplissage (volume)

o On parle en tonnes de cimento On parle en m3 de béton

n 2/ du béton pour les résistances à la compression

o Béton courant :o 1 jour : 5 MPao 7 jours : 20 MPao 28 jours : 30 MPao 90 jours : 40 MPa



A. Pisch

granulats

pâte de ciment durcie

sable

n Le béton : matériau homogène, hétérogène ?o À l’échelle du cm / mm :



A. Pisch

ciment anhydre

hydrates

porosité

n Le béton : matériau homogène, hétérogène ?o À l’échelle du mm / 10µm : o ciment anhydre et porosité dans un milieu apparemment continu,

les hydrates du ciment



A. Pisch

Béton fibré( fibres d’acier + fibres minerales)



A. Pisch

pore

hydratesfaiblementcrystallisés

(C-S-H)

ettringite

Microscopeélectroniqueà balayage

portlandite

n Le béton : matériau homogène, hétérogène ?o À l’échelle du 10µm / 1µm : o cristaux, hydrates faiblement cristallisés et pores



A. Pisch

Ettringite (3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O)



A. Pisch

C-S-H : Calcium silicate hydrates

Diffraction pattern exibits similarreflexions to these observedof tobermorite

100 nm

Diffraction Pattern of C-S-H

Conventional TEM image of C-S-H

CSH after annealing treatment (120 °C for 50 hours)

1,83 Ang

3,08 Ang



A. Pisch

C-S-H : Calcium silicate hydrates

0.7 nm

tétraèdres Si

plan de CaO

tétraèdres Si

TEM haute résolution



A. Pisch

1 µm - 10 nm : porosité, et les hydrates faiblement cristallisés de la pâte de ciment apparaissent comme un assemblage de petites particules

Les hydrates de la pâte de ciment

porosité

Particuled’hydrate

Microscopeà Force Atomique

(Nonat, Journée Technique de l’Industrie Cimentière, Paris, 1998)



A. Pisch

Béton – un matériaux poreux multi-échelle



A. Pisch

n Le béton : matériau homogène, hétérogène ?o Multi-phasiqueo Multi-échelle

n Le béton : un matériau évolutif :

o Du gâchage : une suspension concentrée de grains de ciment dans l’eau

o Au matériau durci : un milieu constitué d’un assemblage rigide :

o de grains anhydres o de grains d’hydrates 10 nmo et de pores



A. Pisch

Histoire : Le ciment, son évolution

Matériau lié à l’habitatFacteurs climatiques, géographiquesDisponibilité des matériaux (bois, boue, paille, pierres…)Maîtrise de températures élevées

20 0000 ACCivilisation de chasse � économie de cueillette (grottes, souterrains…)Économie de cueillette � agriculture

5000 ACNil, Euphrate, Indes : construction de roseaux et argileSud Balkans : construction de terre cuiteAssyrie : brique moulée



A. Pisch

3000 ACMésopotamie: brique + bitume (béton)

2800 ACFondation de l’Égypte : ne connaissent plus la terre cuite,connaissance du verre

2600 ACLes pyramides : plâtre, chaux

2500 ACDécouverte du bronze



A. Pisch

Empire romain : le ciment romain = chaux + pouzzolanes/tuiles(pulvis Puteolanum, Pozzuali)

2000 AC



A. Pisch

1785James Parker : utilité du couple calcaire / argile = marne

quatre type de chaux:chaux grasses, non hydrauliqueschaux hydrauliqueschaux éminemment hydrauliqueschaux limites

1812Louis Vicat : mélange artificiel1824Joseph Aspdin: brevet ciment « Portland » (ressemblance avec pierre de la carrière à Portland, sud de l’Angleterre)1845Johnson : température élevée, industrialisation1887Henri Le Chatelier : explication mechanisme de prise : dissolution et precipitation1900Bied : ciment alumineux



A. Pisch

Physico-chimie du ciment

n Nomenclature cimentièreo C= CaOo S= SiO2

o A= Al2O3

o F= Fe2O3

o f = FeOo S = SO3

o K= K2Oo N= Na2O o H = H2O o C= CO2

o C3S= silicate tricalcique = 3 CaO, SiO2 = Ca3SiO5

o C12A7 = heptaaluminate dodecalciqueo nom du minéral = ettringite



A. Pisch

Silicates C3SC2S

Aluminates C3AC4AF

Mechanical performances of different mineralogical phases

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

�� C3S = the most interesting phase

Time (days)

Co

mp

ress

ive

Str

eng

hth

(MP

a)



A. Pisch

CaO – SiO2



A. Pisch

C3S

C + C2S = C3S

At 1300°C :

∆fH = +8790 J/moles∆fG = -1094 J/moles



A. Pisch

CaO – SiO2



A. Pisch

C2S

2 C + S = C2S

At 1300°C (Bredigite) :

∆fH = -117 695 J/moles∆fG = -142 563 J/moles



A. Pisch

C2S

ββββ

γγγγ

αααα’L αααα’ΗΗΗΗ αααα L

650°C

840°C

1177°C 1436°C 2130°C

Polymorphisme de C2S



A. Pisch

C2S

-5

-4

-3

-2

-1

0

700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

temperature (°C)

hea

t fl

ux

(mu

V/s

)

Heating 5K/min

840°C14300 J/mol

1425°C16800 J/mol

1170°C

γ γ γ γ −−−− αααα’L

αααα’L−−−−αααα’H

αααα’H−−−−αααα



A. Pisch

C2S

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

temperature (°C)

hea

t fl

ux

mu

V/s

αααα’L−−−−ββββαααα’L−−−−αααα’H

αααα’H−−−−αααα



A. Pisch

Calcaire

n 3 CaO + SiO2 = C3S impossible sur le plan industriel !n CaCO3 – calcairen SiO2 idéalement dans calcaires, sinon, argile

n -> matériau naturel, impuretés !



A. Pisch

C3S : 73.7%CaO + 26.3% SiO2 (rapport 2.8)



A. Pisch

Argiles



A. Pisch

CaO – Al2O3



A. Pisch

CaO – SiO2 - Al2O3



A. Pisch

CaO – Al2O3 – Fe2O3



A. Pisch

CaO – SiO2 – Al2O3 – Fe2O3



A. Pisch

DSC cru Portland

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Temperature (°C)

Hea

t F

low

(µV

/g)

Portland

décarbonatation

réaction



A. Pisch

DSC cru Portland

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500

Temperature (°C)

Hea

t F

low

(µ

V/g

)

Portland

2C+S=C2S

C2S+C=C3S

C3A, C4AF = liq



A. Pisch

DSC cru Portland

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400

Temperature / °C

Hea

t F

Lo

w /

µV

Liq = C3A, C4AF, C2S



A. Pisch

Production de ciment



A. Pisch



A. Pisch

Carrière : usine Le Teil (Ardèche)



A. Pisch

Chevron type

Prehomogenization



A. Pisch

Prehomogenization

Backward Forward

StackerBelt conveyor

“Zig-Zag layering”

A

A’

section A-A’



A. Pisch

Prehomogenization - Reclamation

Reclaiming direction Digging front

Bucket wheelreclaimer



A. Pisch



A. Pisch

Production clinker de ciment

n Contrôle qualité pour une bonne compositiono Analyse des matière premièreso Cible de composition en utilisant formules théoriqueso Mesures de contrôles



A. Pisch

Control chimique : formules de Bogue

C4AF = F

C3A = A-F

C3S = C-2S-3A-F

C2S = -C+3S+3A+F

Formules originales de Bogue en 1929à partir des diagrammes de phases



A. Pisch

Control chimique : formules de Bogue

C3S = 4.0710CaO -7.6024SiO2 -6.7187Al2O3 -1.4297Fe2O3

C2S = -3.0710CaO +8.6024SiO2 +5.0683Al2O3 +1.0785Fe2O3

C3A = 2.6504Al2O3 -1.6920Fe2O3

C4AF = 3.0432Fe2O3

Transformations linéaires des mesures de C, S, A, F



A. Pisch

Taylor’s averaged clinker phase compositions, based on a wide range of microprobe analyses(Advances in Cement Research, 1989)

mass%: Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 SO3 K2O CaO TiO2 Mn2O3 Fe2O3

Alite 0.1 1.1 1.0 25.2 0.2 0.0 0.1 71.6 0.0 0.0 0.7

Belite 0.1 0.5 2.1 31.5 0.2 0.1 0.9 63.5 0.2 0.0 0.9

Aluminate 1.0 1.4 31.3 3.7 0.0 0.0 0.7 56.6 0.2 0.0 5.1

Ferrite 0.1 3.0 21.9 3.6 0.0 0.0 0.2 47.5 1.6 0.7 21.4

Phase \\ mass%: Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 SO3 K2O CaO TiO2 Mn2O3 Fe2O3

Aluminate (WPC) 0.4 1.0 33.8 4.6 0.0 0.0 0.5 58.1 0.6 0.0 1.0

Ferrite (SRPC) 0.1 2.8 15.2 3.5 0.0 0.0 0.2 46.0 1.7 0.7 29.8

Phase \\ mass% : Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 SO3 K2O CaO TiO2 Mn2O3 Fe2O3

“Alkali-Aluminate” 0.6 1.2 28.9 4.3 0.0 0.0 4.0 53.9 0.5 0.0 6.6



A. Pisch

Modified Bogue calculation based on microscopic studies of industrial clinkers

(Cariou & Sorrentino, ICMA proceedings, 1988)

% alite = +5.17CaO -7.62SiO2 -5.79Al2O3 -3.12Fe2O3 +4.27MgO +12.8Rl -71.42

% belite = -4.59CaO +9.21SiO2 +4.87Al2O3 +2.74Fe2O3 -4.70MgO -16.73Rl +89.42

% aluminate = 2.02Al2O3 -1.62Fe2O3 -1.52MgO +1.49Rl +1.49

% ferrite = 2.69Fe2O3 +1.61MgO -4.62

% periclase = 0 si MgO < 2%, et = (MgO -2%) si MgO > 2%

avec:

CaO = total CaO -free CaO -1.27CO2 -0.7SO3 -0.85 sol. K2O -1.29 sol. Na2O

Rl = “alcalins réseau”



A. Pisch

Cuisson d’un cru de ciment

n Température optimale de cuissono Composition chimique

n Cinétique de cuisson (« aptitude à la combinaison »)o Composition chimiqueo Type de matière premièreo Homogénéité du mélange



A. Pisch

Aide à la combinaison

n Chimie :o Phase liquide (A,F,M,SO3,…)

n Physique :o Broyage : particules fines sont plus réactifs !



A. Pisch

Lifting Liners

Classifying liners

Chamber 1

Chamber 2

Intermediate partition

Outlet partition

Compound Ball Mill



A. Pisch



A. Pisch

Grinding Table

Grinding Roller

Feed Material

HE Separator

Air or Hot Gases

Fine Product



A. Pisch

Distribution granulométrique d’un cru



A. Pisch

Influence of particle sizing$

$

$ $ $ $ $$ $

MINIMUMCost

$ $ $

$ $

$ $

$ $ $ $

Raw Mix Grinding

Burning

Raw mix fineness atminimum cost point

$

CementGrinding

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