Chimie Des Ciment 2

Chapitre I Généralités1 Introduction Les normes internationales définissent le ciment Portland comme étant le résultat de la mouture du clinker obtenu par cuisson jusqu à fusion partielle (clinkérisation) d’un mélange convenablement dosé et homogénéisé de calcaire et d’argile. Le ciment est constitué d’oxydes minéraux dont les principaux sont la chaux (CaO) à fonction basique et la silice (SiO²) à caractère acide. On trouve également l’alumine (Al²O³) et le fer (Fe²O³). ils sont rendus aptes à réagir entre eux et avec l’eau par traitement thermique à des températures comprises entre 1300 et 1500°c. En présence d’eau a lieu la réaction d’hydratation consistant en la formation d’un réseau résistant (propriété hydraulique) constitué principalement de microcristaux de silicates de calcium hydratés. Certains matériaux présentant des propriétés comparables, hydrauliques ou pouzzolaniques, peuvent être mélangés et broyés avec du clinker pour former des ciments composés. Dans la suite cette présentation, seront utilisées certaines formules abrégées et certaines appellations chimiques dont le tableau 1, ci-dessous, donne la liste. Tableau 1 : Formules et abréviations usuelles Formule complète Formule Appellation courante abrégée H²O H Eau CaO C Chaux SiO² S Silice Al²O³ A Alumine Fe²O³ F Oxyde ferrique Na²O, K²O N, K Alcalis MgO M Magnésie CaSO 4 Cs Sulfate de calcium (Anhydrite) CaSO 4 .2H²O CsH² Sulfate de calcium (Gypse) 3CaO.Al²O³ C³A Aluminate tricalcique 4 4CaO.Al²O³.Fe²O³ C AF Aluminoferrite tétracalcique 3CaO.SiO² 2CaO.SiO² CaO libre MgO 3CaO.2SiO².3H²O Constituants hydratés 4CaO.Al²O³.13H²O 3CaO.AL²O³.6H²O 3CaO.Al²O³.3CaSO4 .31H²O Ca(OH)² C³S C²S Silicate tricalcique Silicate bicalcique Chaux libre Périclase Silicate de calcium hydraté (Tobermorite) Aluminate de calcium hydraté Sulfoaluminate de calcium hydraté (ettringite) Chaux hydratée Eau Constituants Chimiques Constituants hydrauliques C³S²H³ C4 AH13 C³AH 6 C³ACs³H31 CH 2 Les états de la matière (brut, sec, calciné) La proportion d’un élément chimique d’un constituant d’un matériau quelconque varie en fonction de l’état physique ou du traitement thermique subit par le matériau pendant le processus cimentier. Ces variations sont spécifiques à chaque matériau. Elles sont dues au départ de l’humidité, du produit brut exploité en carrière après séchage et au départ de la perte au feu du produit sec après calcination à plus de 1000°c. La quantité de matière est ainsi réduite après le départ de l’humidité et de la perte au feu. Prenons l’exemple d’une tonne de craie (tableau 2) exploitée dans une carrière de composition : Tableau 2 : Analyse chimique d’une craie sur matières brutes Craie SiO² % 3,00 Al²O3 % 0,50 Fe²O³ % 0,40 CaO % 47,60 Na²0 % 0,05 K²0 % 0,10 Indosés % 0,75 PF % 37,60 Humidité % 10,00 Somme % 100,00 Tonne T 1,00 Avec l’humidité, il sera possible de calculer par une simple règle de trois, à partir des caractéristiques sur matières brutes (tableau 2), la quantité et la composition des matières sèches contenues dans cette craie (tableau 3). Craie brute Quantité de matières sèches : 100 parties de craie brute vont donner (100 - 20) parties de craie sèche et 20 parties d’eau 1 partie de craie brute donnera 100 x moins de craie sèche soit (100 - 20 ) / 100, ou d’une manière générale : ? (100 - humidité) / 100 Composition sur matières sèches : La quantité d’un élément présente dans la craie brute sera toujours présente après le départ de l’humidité. Cette quantité, présente dans 100 parties de craie brute, sera toujours présente dans les (100 - 20) parties restantes de craie sèche. Le pourcentage ne sera donc plus calculé sur 100 parties (cas des matières brutes) mais sera calculé sur les (100 - 80 ) parties restantes dans la craie sèche. ? Craie sèche 16 Cette quantité. Le pourcentage ne sera donc plus calculé sur 100 parties (cas des matières sèches) mais sera calculé sur les (100 41.78) / 100.56 Fe²O³ % 0.06 K²0 % 0.41.78 ) parties restantes dans la craie calcinée.00 Somme % 100. présente dans 100 parties de craie sèche.89 Na²0 % 0. Craie sèche ? Quantité de matières calcinées 100 parties de craie sèche vont donner (100 . à partir des caractéristiques sur matières sèches (tableau 3).11 Indosés % 0.La composition sur matières sèches sera obtenue avec la formule : ? E sec = E brut x 100 / (100 .humidité) Tableau 3 : Analyse chimique de la craie sur matières sèches Craie SiO² % 3.00 Tonne T 0. il sera possible de calculer par une simple règle de trois.perte au feu) Craie calcinée 17 .78 Humidité % 0.44 CaO % 52. la quantité et la composition des matières calcinées contenues dans cette craie (tableau 4).78 parties de perte au feu 1 partie de craie sèche donnera 100 x moins de craie calcinée soit (100 . ou d’une manière générale : ? (100 .83 PF % 41.41. La composition sur matières calcinées sera obtenue avec la formule : ? E calciné = E sec x 100 / (100 .33 Al²O3 % 0.perte au feu) / 100 Composition sur matières calcinées La quantité d’un élément présente dans la craie sèche sera toujours présente après le départ de la perte au feu. sera toujours présente dans les (100 .41.90 Avec la perte au feu.78 ) parties restantes de craie calcinée.78) parties de craie calcinée et 41. dans l’analyse exprimée en pour cent augmente considérablement. d’aluminium et de fer) s’extraient essentiellement de matières minérales fort communes que l’on 18 . le chimiste transforme toutes les données sur matières calcinées.95 Fe²O³ % 0. le clinker. on ne rencontre qu’exceptionnellement dans la nature un matériau possédant une composition chimique adéquate pour la fabrication du ciment Portland. Il est en de même pour les compositions chimiques.00 Tonne T 0. Il est important pour le chimiste de conserver une uniformité et de n’utiliser qu’un seul niveau d’unité. La composition de quelques matières premières est donnée dans les tableaux de ce chapitre. Les composants principaux du clinker Portland (oxydes de silicium.4 parties de craie calcinée. La quantité de matière totale va diminuer avec le départ de l’humidité et de la perte au feu.4 parties ? 3% ? 3. On ne peut pas mélanger tonnes brutes. La plupart du temps. le cimentier doit mélanger deux ou plusieurs matières premières pour obtenir après cuisson un produit ayant les caractéristiques du clinker Portland naturel. un produit naturel.84 Na²0 % 0.10 K²0 % 0. la quantité de silice reste constante : il y a toujours 3 parties de SiO².43 PF % 0. pour les pierres trouvées dans sa région qui a donné son nom au ciment.73 Al²O3 % 0. Cette notion d’état de la matière intervient dans tout le processus cimentier. qui après cuisson et sans addition particulière. la quantité d’un élément chimique est restée constante même si la quantité relative.33 % ? 5.76 CaO % 90.524 Lors de la transformation de craie brute en craie calcinée.00 Somme % 100. Par exemple.19 Indosés % 1. Malheureusement.73 %. les 3 parties de SiO² contenues dans les 100 parties de craie brute sont contenues dans les 80 parties de craie sèche et dans les 52. 3 Les matières traditionnelles pour le cru. donne un clinker Portland. de calcium. C’est d’ailleurs l’île de Portland. tonnes sèches et tonnes calcinées. Habituellement pour le processus de cuisson.1 La fabrication du cru On trouve dans certains gisements. ? Craie brute : ? Craie sèche : ? Craie calcinée : 3 parties dans 100 parties 3 parties dans 90 parties 3 parties dans 52. La quantité relative de SiO² par rapport à la matière restante va donc augmenter en conséquence.Tableau 4 : Caractéristiques de la craie sur matières calcinées Craie SiO² % 5. En absolu.00 Humidité % 0. le ciment 3. Al²O³.1 Les matériaux calcaires (tableau 6) Les matériaux calcaires doivent contenir une quantité minimale de carbonate de calcium qui est fonction du mélange cru à fabriquer. Il arrive cependant que des compositions soient corrigées par des apports enrichissants en oxyde de fer..1. schiste Désagrégation des roches naturelles CaCO³ 0% 100% CaCO³ SiO². Fe²O³. Le terme calcaire couvre en fait une très grande variété de roches de minéralogie et de pureté différentes : ? ? ? ? ? ? calcaire craie calcaire corallien marne bancs de falun sable calcaire 19 . craie Argilo-calcaire (calcschiste. . d’aluminium au départ de minerais ou de résidus de métallurgie. généralement appelée « Titre en carbonate » : ? > 95 % CaCO³ ? calcaire à haute teneur ? > 85 % CaCO³ ? calcaire ? > 60 % CaCO³ ? marne. Tableau 5 : Classification des matériaux en fonction de leur teneur en carbonate de calcium Catégorie Composition pondérale (%) Origine Calcaire dur. marne) Dépôts marins ou lacustres Argile.rencontre partout autour de soi et qui se classent généralement suivant leur teneur en carbonate de calcium (Tableau 5).. La pureté du calcaire est caractérisée par sa teneur en carbonate de calcium (CaCO³). 3. 0 15.9 4.5 0.0 1.2 Al²O³ 1. d’aluminium ou de silicium : ? ? ? ? tuf volcanique schiste métamorphique phyllite amphibolite métamorphique Le quartz et ses dérivés constituent une autre source de matériaux siliceux : ? quartzite ? sable quartzeux ? sable argileux.0 5. suivant la teneur en carbonate de calcium..).3 0.1 1.1 0.Tableau 6 : Composition chimique de matières carbonatées pour le cru sur matières sèches Craie Calcaire Calcaire Tuf Calcaire Marne Marne riche corallien volcaniq.9 CaO 50.4 K²O 0.0 43.2 1.1 0. on obtient la formation de marne : ? marne argileuse ? marne calcaire Le cimentier utilise aussi des roches d’origine volcanique pour la préparation du cru.09 0.6 24.2 42..9 2.6 36.5 1.8 0.8 49. les matériaux siliceux se classent de la manière suivante : ? ? ? ? argile pierre d’argile (tonstein) argile schisteuse schiste argileux.4 1. Ce sont des roches sédimentaires formées à la suite de l’érosion (éolienne.2 0.8 1.0 1. Ces roches sont aussi riches en oxydes de fer. Lorsque la sédimentation de l’argile s’est faite dans des dépôts calcaires.0 15.1 8. Suivant leur degré de solidification ou de métamorphisme.2 H²O min 20.0 SO³ 0.0 4.05 0.2 0.1 39. pauvre calcaire argileuse P feu 41. Al²O³ et Fe²O³ sont apportés principalement par les matériaux siliceux qui se combinent aux matériaux calcaires pour la préparation du mélange cru.1 0. . Les composants SiO².2 Fe²O³ 0.2 1. 20 .2 13.8 43.5 0.02 0. glaciaire.1 Na²O 0.8 0.3 27.1 50.1.0 25.7 0.0 3.0 25.0 H²0 max 25.1 0.5 2.34 0.1 0.3 0.2 0.6 SiO² 3.3 33.9 4.9 32.9 0.2 Les matériaux siliceux (tableau 7) Les composants siliceux ne se trouvent généralement pas en quantité suffisante dans les sources de calcaire.8 21. maritime.3 MgO 0.7 0.6 54.7 0.2 0.0 7.5 0. d’autres roches siliceuses comme le feldpath ou le mica. Les argiles constituent les éléments principaux de cette famille.0 42.9 0. 1 46.4 0.7 1.1 Al²O³ 3.8 0.2 0.3 27.1 37.5 5.0 SiO² 7.3 0.1 0.3 SO³ 0.0 25.0 5.0 1.1.9 33.0 5.9 8.1 9.0 1.6 0.0 38.9 K²O 0.2 59.0 1.3 8.0 5.5 0.4 3.1 0.0 5.6 4.3 0.2 0.5 12.6 24.9 10.0 15..3 0.4 0.4 H²O min 15.6 6.7 90.5 99.0 18.6 51.1 CaO 1.0 15.0 2.3 1.1 0.6 1.0 0.8 1.1 0.4 43.3 H²O min 7.3 MgO 0.0 46.0 24.1 Fe²O³ 82.0 On trouve l’oxyde de fer dans : ? les minerais de fer ? les résidus de grillage de pyrite utilisée pour la fabrication de l’acide sulfurique ? les poussières récupérées dans le haut fourneau ou le convertisseur de l’industrie métallurgique. . On trouve l’oxyde d’aluminium dans : ? la bauxite ? les résidus de bauxite de la métallurgie de l’aluminium 21 .2 18.9 Al²O³ 4.2 13.1 51.0 3.4 0.0 20.0 15.8 0.34 0.0 37.6 0.19 0.2 0.6 3.0 4.8 3.3 0.1 8.2 1.1 49.3 1.1 0.4 0.7 0. à prise rapide sans C³A.17 0.1 K²O 0.4 3.0 10.0 H²O max 22.4 0.2 20.1 MgO 0. Tableau 8 : Composition chimique de matières de correction pour le cru sur matières sèches Résidus Pouss Minerais Bauxite Kaolinite Charbon Charbon de pyrite haut de fer cendreux riche fourneau P feu 2.0 5.6 SO³ 3.).0 10.3 1.3 0.4 9.4 15. le cimentier introduit souvent un troisième composant dans le mélange cru pour combler un déficit des deux matériaux principaux en Al²O³ et Fe²O³ ou pour fabriquer un ciment de composition particulière et obtenir ainsi une caractéristique spéciale (ciment blanc.0 0.0 10.3 13.3 12.0 5.1 0.9 97.0 SiO² 21.3 7.0 H²O max 25.2 0.8 5.2 12.6 CaO 39.4 4.4 Fe²O³ 1.1 0.0 13.5 19.4 0.1 0.6 0.1 1.2 2.3 1.6 2..2 0.6 1.3 1.5 0.1 0.1 0.0 0.3 33.5 0.Tableau 7 : Composition chimique de matières siliceuses pour le cru sur matières sèches Marne Marne Schiste Argile Argile Sable Kaolinite calcaire argileuse argileux brune siliceuse P feu 32.9 15.2 0.8 Na²O 0.3 Les matériaux de correction (tableau 8) Malgré la grande diversité de matériaux siliceux et calcaires.1 70.7 Na²O 0.2 1.6 0. Ces matériaux vont activer le processus de formation du clinker : ? ? ? ? ? en accélérant la décomposition du carbonate de calcium en accélérant les réactions à l’état solide en augmentant la quantité de phase solide en diminuant la température de formation du clinker .0 6. les combustibles apportent : 22 .1 1. Fe²O³.1 0.0 1.0 Anhydrite 4. d’un mélange fixé avec précision de matières premières (farine ou pâte).0 41.1 8.0 4.4 Les minéralisateurs (tableau 9) Certains matériaux sont utilisés en faible quantité dans le mélange cru pour obtenir des effets particuliers pendant la cuisson.1.0 0.1 Les combustibles (tableau 10) Les combustibles constituent une famille particulière des matières premières utilisables sous certaines conditions dans le mélange cru ou injectés à la tuyère du four.0 0.1 38. Al²O³.0 0.0 38.4 0..1 0. gazeux) qui fournissent les calories nécessaires à la cuisson.0 6. 3.0 1.0 Gypse 19.0 1.0 5.2 53.5 2.0 9.0 0.1 6.0 5.0 Scories aciérie 15. CaO).0 20. contenant essentiellement les 4 oxydes principaux (SiO².2.2 0. Tableau 9 : Composition chimique de matières de correction pour le cru sur matières sèches P feu SiO² Al²O³ Fe²O³ CaO MgO SO³ K²O Na²O H²O min H²O max Spath fluor 7. au moins jusqu’à fusion partielle.1 0.0 Laitier de plomb 18.2 La fabrication du clinker Le clinker Portland est défini dans la plupart des normes comme un produit obtenu par cuisson. ou de cuivre).0 0..? certaines argiles comme la kaolinite ou la latérite.0 31.0 20.7 0. Suivant leur origine.0 1. liquides. peuvent avoir la même action que les matériaux fluorés. D’autres matières complémentaires sont parfois introduites dans le four pour participer au mécanisme réactionnel.0 Laitier de cuivre 34. La fluorine ou spath fluor et les matières sulfatées sont les matériaux généralement utilisés comme fondant.1 0. Certains résidus de la métallurgie (laitier de plomb.9 0.0 Ces effets se présentent différemment suivant la nature du cru et la concentration du minéralisateur. La cuisson est assurée par des combustibles (cendreux.0 5. 3.0 47.0 45. D’une manière générale ces additifs sont introduits dans le cru pour augmenter le débit et/ou réduire la consommation calorifique du four et/ou améliorer la qualité du clinker. 3. principalement à cause des éléments contenus en faible quantité.1 32. 0 24.1 0.3 1.0 1.0 0.0 Al²O³ 1.0 0.7 3.4 10. Les combustibles solides sont particulièrement important pour le calcul du mélange cru ou de la composition du clinker.3 2. 23 . qui participent aux différentes réactions chimiques de formation du clinker ? des éléments. On les définit comme étant les matières cendreuses introduites par la tuyère de combustibles.0 Fe²O³ 1.6 3.1 15.3 1.2 Les matériaux complémentaires Les matériaux complémentaires ne sont pas généralisés dans beaucoup de cimenteries.9 0.0 0.2.0 H²O min 0. Al²O³ et Fe²O³ qui réagissent dans le four avec les autres constituants.0 90. aluminium et fer.4 56.6 10.3 3.0 38. en faible concentration.0 MgO 0.0 3.1 4. liquides ou solides.6 1. On parlera de combustibles cendreux ou de teneur élevée en cendres lorsque la quantité de matière solide est importante dans ce matériau (> 20 %).0 SO³ 9.? des calories nécessaires pour le chauffage et la clinkérisation de la matière ? des composés chimiques.0 H²O max 10. à base de silicium.0 K²O 0.7 25.0 CaO 1. Les combustibles se décomposent en combustibles gazeux. Ils apportent en plus des calories qui participent à la cuisson et à la formation du clinker et des cendres riches en SiO².1 33.3 0.7 90. généralement indésirables dans le clinker (vanadium apporté par le coke de pétrole ou les composés alcalins et sulfatés présents dans la plupart des combustibles).0 5.0 1.0 30. Tableau 10 : Composition chimique de combustibles pour le clinker sur matières sèches Coke de Charbon Charbon Lignite Cendres pétrole riche cendreux volantes P feu 95. Les deux exemples les plus connus sont les poussières de four récupérées dans les électrofiltres et les cendres volantes de charbon.0 SiO² 3.0 5. qui participeront aux réactions de formation des composants minéralogiques du clinker.0 Na²O 0.1 1. Le clinker réagit avec l’eau pour développer son potentiel hydraulique. les matières organiques. Ces réactions doivent être tempérées par le régulateur de prise. ou pour leur potentiel pouzzolaniques (pouzzolanes naturelles ou artificielles). Tableau 11 : Les constituants et les additions du ciment Ciment composé Ciment Portland Les additions Clinker Régulateur Hydraulique Pouzzolane Inerte Additifs de prise ? Clinker ? Gypse ? Laitier de ? Cendres ? Filler ? Agent de Portland haut volantes calcaire broyage ? Anhydrite fourneau ? Argile ou ? Adjuvant siliceux ? Cendres calcinée volantes ? Silice de lignite opaline ? Fumée de silice Contrairement à la farine ou à la pâte et au clinker où il n’existe pas de normes internationales de composition chimique. Les normes acceptent l’introduction de la plupart de ces matériaux dans les ciments courants. Ce point sera plus particulièrement abordé dans le Chapitre II 4. généralement un sulfate de calcium (gypse ou anhydrite).3... 24 . la composition des ciments est régie par des normes nationales et internationales qui fixent. pour leur potentiel hydraulique latent. la teneur en C³A. le résidus insoluble. certains paramètres chimiques ou minéralogiques comme la perte au feu.3 La fabrication du ciment Le ciment est le résultat du broyage d’un certain nombre de cons tituants qui peuvent se répartir en différentes familles : ? le clinker Portland ? le régulateur de prise ? les additions ? les additions hydrauliques ? les additions pouzzolaniques ? les fillers inertes Le clinker est produit par voie sèche ou par voie humide dans des fours rotatifs ou des fours droits. .. pour tous les constituants du ciment. Suivant sa composition chimique il aura des propriétés différentes. Des additions sont parfois utilisées pour des raisons économiques. titrant environ : ? 65 % en CaO ? 20 % en SiO² ? 10 % en Fe²O³ et Al²O³ Tous les matériaux utilisés dans la fabrication du ciment pour leur potentiel hydrauliques ou pouzzolaniques peuvent aussi être représentés dans ce diagramme triangulaire (figure 12).4 Le diagramme de Rankin Le clinker est un mélange artificiel et ses oxydes peuvent être dosés en quantité optimale de manière à saturer en chaux (CaO) les oxydes acides (SiO². Fe²O3). Al²O3. Il en résulte une composition aux tolérances assez strictes. Tableau 12 : Le diagramme de Rankin SiO² Fumée de silice Pouzzolanes naturelles Cendres volantes Laitier Cendres de lignite Clinker Ciments alumineux Filler calcaire CaO Al²O³ + Fe²O³ 25 . Chapitre I I La composition et la normalisation des ciments 26 . S. Ceux-ci. les hommes ont matérialisé les unités adoptées.1 Origine et naissance spontanée de la normalisation Dès les premiers contacts avec ses semblables. les ont répétés et utilisés à leur tour.A. ont acquis des significations compréhensibles pour ses interlocuteurs. par imitation. On pourrait encore citer une quantité d'autres exemples qui ne sont pas. L'on peut dire à présent que la monnaie est un symbole conventionnel (normalisé) de valeur. à force d’être répétés dans le même contexte. pour éviter les contestations. Mais ce dernier devint une entrave lorsque les échanges se multiplièrent tout en se diversifiant et ce jusqu'à l'adoption de la monnaie. l’homme primitif a fait des gestes. la monnaie avait une valeur intrinsèque par le métal précieux dont elle était faite. Au début. il a probablement compté combien de fois la largeur de son pouce ou de sa main. Elle a pour membres les institutions de normalisation de nombreux . que nous ne savons plus faire un choix. De là est né le langage sous toutes ses formes. Certaines entreprises ont même commencé à faire de la normalisation pour simplifier leurs études et leur stock. C’est à la même époque que l'on commença à créer des organismes de normalisation. tout foisonne. 1. reconnus comme le résultat d'actions de normalisation. il aura probablement commencé à les compter sur les doigts et à formuler les nombres. Le premier trafic entre hommes primitifs a dû se faire sous la forme de troc. les enregistrements sonores sous forme de disque. C’était un début de normalisation. Par sa fonction de valeur d'échange intermédiaire universelle. Mais cette valeur intrinsèque a évolué jusqu'à devenir quasi nulle dans le papier monnaie. Comme ces unités de mesure variaient d’un individu à l’autre. Ce furent les premiers étalons de mesure. Ensuite lorsque l’homme primitif a voulu déterminer une quantité d’objets similaires. En 1926 fut créée la Fédération Internationale des Associations Nationales de Normalisation (ISA) qui deviendra plus tard après la seconde guerre mondiale l'Organisation Internationale de Normalisation (ISO). c'est par pays ou par secteur industriel (notamment aux U. avant même que l’on ne normalise les mêmes choses à une échelle plus vaste. émis des cris. Les films. tout se multiplie.) que le besoin de normaliser s'imposa.2 Reconnaissance de la normalisation et création des organismes de normalisation Actuellement. ont des caractéristiques normalisées permettant de les utiliser sur des appareils d'origine différente. comme moyen collectif (normalisé) d’expression de la pensée. et nous nous trouvons devant tant de produits. Il nous faut absolument établir des règles réduisant ce foisonnement et permettant un choix judicieux. tout progresse. pour exprimer une dimension linéaire. Puis. on trouve des applications progressives de la normalisation. C’était un pas de plus dans la voie de la normalisation. bande magnétique sur bobine ou en cassette. Au début. on peut imaginer que plus tard. en général. articulé des sons qui. Tout au long des âges. la longueur de son pied. la monnaie a grandement facilité les échanges répétitifs des choses les plus diverses.1 Introduction 1. de sa coudée ou de son pas " allaient " dans la longueur à exprimer. Cette nécessité de simplification était déjà apparue au début du xxe siècle et c'est alors que la normalisation a été vraiment reconnue et que l'on a commencé à l'exploiter systématiquement. Sans doute cela vientil de l'étendue du domaine qu'elle touche et de la diversité des normes qui en résultent. Dans la rédaction d'une norme. Avec l’accord du Conseil de l’ISO. Si.4 Normes internationales de l'ISO Au sein de l'Organisation Internationale de Normalisation (ISO).pays (actuellement plus de 90). Après 20 ans d'existence. 1. pour la résolution rationnelle de problèmes répétitifs.. pour une raison quelconque. la terminologie.. . on commence par définir l’objet précis de la norme et les limites de son emploi : domaine d'application. Ceci évite toute confusion et sera utile ultérieurement pour l'extension de la norme sur le plan multinational ou international. La normalisation englobe l'élaboration des normes et leur application dans les domaines les plus divers. éventuellement révisés par le secrétariat du comité technique pour tenir compte des modifications proposées pendant l’enquête.3 Normalisation et normes Il est difficile de donner une définition satisfaisant de la normalisation. Une norme est un ensemble de règles. il peut être converti en projet de rapport technique a condition que la majorité des membres l’approuve. Il est en effet extrêmement utile de fixer clairement ce que veulent dire les termes techniques utilisés dans le texte. Enfin suivent des prescriptions diverses. 1. Elles sont essentiellement destinées aux organismes nationaux de normalisation pour servir de base à l’élaboration de leurs normes. car les traductions peuvent introduire des incertitudes ou des ambiguïtés qu'il faut à tout prix éviter.5 Marque de conformité aux normes nationales et internationales 50 . variables avec le sujet traité. les textes. sont envoyés au Secrétariat Central de l’ISO pour être soumis au Conseil de l’ISO. 1. Puis viennent les définitions. ce projet devient un rapport technique.. Les normes internationales ISO n’ont pas de caractère obligatoire. ou de principes servant de règles. Pour un non-initié. lequel décide si le projet peut être accepté ou non comme Norme internationale ISO. l'ISO a créé plus de 1600 comités techniques de travail occupés à élaborer les normes internationales. un projet ne peut être accepté comme Norme internationale ISO. les demandes de création de normes sont en général présentées par les comités membres (institutions nationales de normalisation) et parfois par des organisations extérieures. une norme est l'ensemble des règles traitant d'un objet précis tel que : ? ? ? ? ? ? ? ? méthode d'analyse d'un produit chimique déterminé qualité à laquelle doit répondre tel matériau de construction dimensions de tel type de vis méthode de calcul de tel genre de réservoir soumis à pression dimensions des papiers à lettre commerciaux emplacement précis des textes à y imprimer méthodes d'essais auxquelles il faut soumettre les casques de motocyclistes exigences fondamentales assurant la sécurité des installations et appareils électriques ? . Si les projets sont adoptés par la majorité des membres du comité technique et approuvés par 75 % des comités membres de l'ISO ayant exprimé un vote. mettent de plus en plus en pratique le principe du renvoi aux normes homologuées dans leurs cahiers des charges. multipliant études. la marque de conformité est une garantie pour l'utilisateur d'une qualité dans la conception et dans la fabrication des produits porteurs de la marque. Ceci garantit une constance de qualité.7 La normalisation d’entreprise La normalisation d’entreprise est l’expression normalisée qui désigne toutes les activités de normalisation au sein des entreprises industrielles et commerciales. Contrairement à une marque de fabrique qui ne définit pas et qui ne garantit pas nécessairement la qualité.8 La normalisation des produits Toute entreprise a.La qualité des produits portant une marque de conformité aux normes est constamment contrôlée par le fabricant. Elle constitue pour lui une raison déterminante d'arrêter son choix sur ces produits. utilisateurs importants. outillages et autres moyens de production. par délégation de leurs spécialistes dans les commissions des organismes de normalisation. Ceci nécessite un approvisionnement très diversifié. motive la confiance des acquéreurs et est favorable à la réputation du fabricant. Cette assurance dispense d’effectuer des essais de contrôle parfois onéreux surtout si la commande ne porte que sur un petit nombre d’unités. à la protection de leurs intérêts.6 L’information du consommateur L'apparition du consumérisme a fait ressortir l'utilité des travaux de normalisation comme contribution indispensable à l'information objective du consommateur. Elle collabore donc à la satisfaction des consommateurs. En plus de leur collaboration à l’élaboration des normes. Les grandes administrations d’état. car il sait que l’organisme chargé de la surveillance de cette marque peut à tout moment faire des prélèvements dans sa fabrication ou sur le marché. Une entreprise qui veut répondre à toute demande du marché est amenée à une production disparate. 1. par simple référence à l'indicatif de ces normes. L'apposition de la marque atteste le niveau exact de la qualité des produits. On peut donc dire que la normalisation œuvre dans le but de fournir à l’information des consommateurs des données objectives indiscutables. Le souci du 51 . 1. beaucoup de surface et de personnel compétent. notamment sur : ? les méthodes de mesure et d'analyse ? les méthodes d'échantillonnage et de statistique ? l'étiquetage informatif normalisé. des stocks importants. L’activité de la normalisation dans les questions de consommation a pris une grande extension depuis plusieurs années. 1. Le consommateur des produits portant la marque de conformité aux normes peut être certain qu’ils répondent aux exigences d’une norme mise au point par les producteurs et les utilisateurs et que ces produits ont donc bien les caractéristiques nécessaires à leur utilisation. de matières ou de services. certaines entreprises ont des activités de normalisation interne. activités confiées en général à un normalisateur d’entreprise. pour objectif de répondre aux besoins du marché dans un certain genre d’articles. en général. Elle assainit le marché en contribuant à la probité des transactions commerciales. pour contrôler si les produits restent conformes aux normes. choix d es procédés de réalisation et de production. normalisée pour cet ensemble. C’est exact et il faut le reconnaître. La normalisation apporte des économies considérables par un choix rationnel d'une gamme réduite d’éléments répétitifs. est qu'elle « facilite » les relations entre les hommes. le maximum de satisfaction. le créateur a souvent tendance à repousser toute normalisation sous prétexte qu’elle constitue une entrave à la créativité et ne lui permet pas de réaliser une vraie nouveauté. Ceci permet de réduire en outre considérablement les investissements. Il est même possible qu'une solution. A chaque nouvel article. C'est l'avantage fondamental de la normalisation. ou pourrait être normalisée pour l'ensemble de ceux qui sont confrontés avec le même problème. choix de la forme. De ce fait. cette collectivité. etc.9 Les avantages de la normalisation L'aspect fondamental de la normalisation. La gestion de l’entreprise s’en trouve simplifiée et moins coûteuse. dans son cas personnel unique. choix des matières et pièces constitutives. c'est-à-dire successivement au même endroit ou bien en des endroits différents.. une solution normalisée routinière lui conviendra. Nous y retrouvons le premier aspect de la normalisation qui est de faciliter les activités humaines. il faut 52 . qui est souvent un compromis. c’est-à-dire leur communication et leurs échanges. en évitant les malentendus. son caractère répétitif. c'est-à-dire en excluant son contexte collectif. si pas d'opposition. 1. Il est fort possible qu'il n'entrevoie pas alors. Une chose ne peut être normale que par comparaison avec d'autres choses similaires préalables. elle est un facteur d'efficience. il y a des options à prendre : choix des principes d’utilisation et de fonctionnement.. c'est-à-dire à rechercher pour d’autres options des solutions toutes nouvelles qui. Un autre aspect fondamental et limitatif de la normalisation est qu'elle s'applique uniquement aux choses répétitives. Cette discipline s'oppose à un foisonnement désordonné de solutions. Cette dernière considération est très importante. Mais il est évident que l’évolution scientifique. C’est une attitude qu’il faut combattre de la façon suivante : la normalisation ne peut s’appliquer qu'à des choses répétitives. pourront peut-être aussi être normalisées. Mais une chose peut se répéter dans le temps ou dans l'espace. bien souvent pas assez mûries. Elle les facilite. car elle peut expliquer beaucoup de cas de manque d'intérêt pour la normalisation. lorsqu’elles se répéteront à leur tour. libérant ainsi petit à petit le créateur.normalisateur d’entreprise est alors d’amener tous les responsables de l’entreprise à concevoir la production d’une gamme réduite et rationnelle de produits. qui la rend avantageuse et en a assuré le succès. Lors de la conception de nouveaux articles à fabriquer en grande série. technique et économique peut modifier les conditions dans lesquelles un problème se représente et alors. ou qu'il ne veuille pas considérer les avantages d'adopter une solution qui aurait été. . ne lui apporte pas. n'est pas d'office l'optimum économique pour chaque cas particulier d'application considéré isolément. très valable d'ailleurs. De plus. Elle évite bien des difficultés et économise donc les efforts humains. Mais les solutions de routine sont des solutions de facilité. Il gagne ainsi du temps qu'il peut consacrer à la vraie créativité. le créateur n’a plus à étudier cette question lorsqu'elle se représente pour un autre article. les contestations et les litiges. Cette gamme doit pouvoir couvrir au moins 90 % des besoins du marché avec un strict minimum de types différents et éventuellement une petite adaptation pour les autres cas très particuliers. La normalisation a aussi l’aspect d’une discipline que certains ne peuvent pas supporter et que beaucoup ont tendance à rejeter. tant qu’un problème se répétera dans le même contexte. Il faut d'ailleurs reconnaître qu'une solution normalisée. On pourrait faire remarquer que la normalisation peut mener à la routine. Un homme peut très bien ne rencontrer qu'une seule fois un problème qui se répète chez d'autres. S'il est possible de normaliser certaines de ces options. naturellement en tenir compte. imposent. La normalisation ne peut pas figer les objets auxquels elle s’applique. et non des moindres. Ceci favorise l'industrie nationale d'une façon déguisée. elle fixe pour les 5 types de ciments Portland les caractéristiques chimiques (tableaux 3 et 4) et physiques (tableau 5) à respecter. la mesure de la résistance mécanique se fait avec des dosages. Elles font une distinction entre les ciments Portland et les ciments composés. il va produire un réseau d’hydrates qui vont constituer les propriétés du béton au niveau des résistances mécaniques ou de la durabilité. en vue d'éliminer ces entraves aux échanges dits « techniques » par l'harmonisation des normes nationales. Tableau 1 : ASTM C150 Spécifications pour le ciment Portland Type Utilisation Type I Usage général Type II Chaleur d’hydratation et résistance au sulfate modérées Type III Résistance initiale élevée Type IV Faible chaleur d’hydratation Type V Résistance au sulfate élevée A Avec entraîneur d’air LA Avec faible teneur en alcalis 53 . non seulement des efforts humains. Un aspect regrettable de la normalisation est qu’elle peut être utilisée comme mesure de protection d'un marché. 2. Pour juger ces performances les différents pays ont établi des normes de spécifications ou d’essais. 2 Les normes ASTM Le ciment va développer ses propriétés lors de la réaction de ses composés minéralogiques avec l’eau dans des mortiers et des bétons : réactions d’hydratation. alors que la production nationale n'est pas toujours soumise à un contrôle aussi sévère. On assiste d'ailleurs à l'heure actuelle à une action dans la Commission des Communautés Européennes (CCE). En réagissant avec l’eau. Plusieurs pays. Associée à différentes méthodes et spécifications de mesures (tableau 2). il y a un grand nombre de normes nationales et internationales dont les résultats d’essais ne sont pas comparables entre-eux. Dans le domaine du ciment. mais aussi des moyens matériels à mettre en œuvre. que le matériel technique importé réponde à des normes de sécurité dont la sévérité est parfois poussée à un degré discutable.1 Les ciments Portlands Les ciments Portland reposent principalement sur la norme « ASTM C150 Specification for Portland Cement » (tableau 1). des rapports eau / ciment. sous prétexte de protéger leurs habitants. des méthodes de mélange et de moulage différents. elle doit être progressiste. En particulier. Et ceci est d’autant plus vrai qu’elle poursuit un but d’économie. Les normes ASTM sont les plus utilisées pour le commerce mondial du clinker et du ciment. si l'on ne veut pas freiner le progrès et en perdre les avantages. 0 28.0 0.0 16.8 0.0 Al²O³ % (maximum) 6.60 0.75 0.0 3.60 0.4 10.0 12.0 4.2 6.3 24.0 11.2 Type V 12.0 3.0 Tableau 5 : Spécifications physiques pour les ciments Portland Caractéristique Type I Type II Type III Type IV Teneur en air % (maximum) 12.75 0. fausse prise et prise rapide sur pâte C465 Additions C563 Réglage de l’optimum sulfate C917 Evaluation de la régularité des résistances mécaniques Tableau 3 : Spécifications chimiques pour les ciments Portland Eléments Type I Type II Type III Type IV SiO² % (minimum) 20.0 24.60 Type I II III IV V C4AF (%) 7.0 3. fausse prise et prise rapide sur mortier C451 Durcissement précoce.0 19.5 MgO % (maximum) 6.0 12.5 Perte au feu % (maximum) 3.8 (maximum) RC 1 jour MPa (minimum) 12.0 6.0 19.75 C³A % (maximum) 8.0 Avec air entraîné % (minimum) 16.60 0.3 SO³ % (maximum) C³A > 8 % 3.3 17.0 Finesse cm²/g (minimum) 2800 2800 2800 2800 Expansion autoclave mm 0.0 25.2 20.4 RC 3 jours MPa (minimum) 12.0 30.75 5.1 RC 7 jours MPa (minimum) 19.0 Avec air entraîné % (maximum) 22.0 22.75 0.8 0.3 3.0 2800 0.0 10.0 7.658 K²O % (maximum 0.0 C4AF + 2 C³A % C³S + C3A % (maximum pour 58.0 10.0 48.0 6.0 Type V 6.0 16.60 pour ciment low alcalis) Tableau 4 : Composition des ciments ASTM C³S (%) C²S (%) C³A (%) 55.0 49.0 56.0 Fe²O³ % (maximum) 6.0 7.0 2.0 SO³ % (maximum) C³A < 8 % 3.3 15.5 4.0 10.0 51.0 0.0 12.8 0.0 22.Tableau 2 : Méthodes d’essais et spécifications Standard ASTM Méthode ou spécification C109 Résistance à la compression C114 Analyse chimique C151 Expansion à l’autoclave C191 Temps de prise Vicat C204 Finesse par la perméabilité à l’air C266 Temps de prise Gilmore C359 Durcissement précoce.0 2.7 54 .0 12.5 Résidu insoluble % (maximum) 0.0 4.0 6.0 chaleur d’hydratation modérée) Na²O + 0.0 6.8 8.9 RC 28 jours MPa (minimum) 17.0 3.0 6.5 2.0 15. P.0 4.Gilmore Dbt/fin minute (minimum) Vicat Dbt/fin minute (minimum) 60 / 600 45 / 375 60 / 600 45 / 375 60 / 600 45 / 375 60 / 600 45 / 375 60 / 600 45 / 375 La norme ASTM ne tolère que des additions de sulfate de calcium et des agents entraîneur d’air dans les ciments. Notamment. ne peut pas varier (diminuer ou augmenter) de plus de 1 heure ou de 50 % ? l’expansion autoclave ne peut pas augmenter de plus de 0. la résistance à la compression du ciment composé doit atteindre au moins 75 % du ciment Portland de référence. La norme ASTM définit aussi les spécifications chimiques (tableau 7) et physiques (tableau 8) pour les ciments composés.1 % ? la résistance à la compression ne peut pas diminuer de plus de 5 %.0 2. 2.0 S comme SO³ % 3.2 Les ciments hydrauliques composés La norme américaine autorise l’utilisation de pouzzolane et de laitier dans les ciments composés (tableau 6) à condition de satisfaire aux spécifications de l’activité pouzzolanique.0 (maximum) Résidu Insoluble % 1.0 (maximum) 55 .0 1. D’autres additifs peuvent être utilisés à conditions de rencontrer les spécifications de la norme C465 qui fixe les écarts de propriétés des ciments admissibles en cas d’addition : ? le besoin en eau pour la consistance normale ne doit pas être augmenté de plus de 1 % ? Le temps de début de prise mesuré selon la méthode Vicat. IP MgO % (maximum) 5.0 (maximum) S comme sulfure % 2.0 4. I (S) S I (PM). Tableau 6 : ASTM C595 Spécifications pour les ciments composés Type Composition Type IS Ciment de haut fourneau avec 25 à 70 % de laitier Type IP Ciment à la pouzzolane avec 15 à 40 % de pouzzolane Type P Ciment à la pouzzolane avec 15 à 40 % de pouzzolane mais avec un développement de résistance plus faible que le type IP Type S Ciment au laitier avent minimum de 70 % de laitier utilisé avec de la chaux hydratée pour le mortier à maçonner Type I (PM) Ciment Portland à la pouzzolane contenant moins de 15 % de pouzzolane Type I (SM) Ciment Portland au laitier contenant moins de 25 % de laitier Tous ces types de ciment peuvent être conditionnés pour répondre aux critères : ? résistance modérée au sulfate (MS) ? air entraîné (A) ? chaleur d’hydratation modérée (MH) Tableau 7 : Spécifications chimiques pour les ciments composés Spécifications I (SM). Etant donné les nouveautés introduites dans la prénorme.20 0. les normes relatives aux produits de construction des différents pays européens doivent s’harmoniser et s’uniformiser sous la forme d’une norme européenne définitive remplaçant obligatoirement les normes nationales existantes. les commissions compétentes des instituts de normalisation nationaux européens ont décidé de remplacer leurs normes nationales par la prénorme européenne dans l’attente d’une harmonisation complète des normes nationales au sein de la CEE sur base de la norme EN 197 définitive. IS (MS). la nouvelle norme européenne institue un autocontrôle de la part du producteur et autorise de légers dépassements des spécifications normalisées 3 Les nouvelles normes européennes La prénorme européenne ENV 197-1 « Ciment.7 La norme ASTM C150 autorise le refus du ciment lorsqu’une spécification n’est pas respectée.20 0.3 17. Par exemple. Chaque pays européen a adapté la prénorme européenne aux conditions locales : ? ? ? matériaux disponibles habitudes locales de la construction … Le tableau des compositions des ciments courants et l’inventaire des constituants possibles de ces derniers ont été réduits pour ne conserver que les ciments à base de constituants bien connus et éprouvés dans les pays. Cette première partie de prénorme sera complétée par d’autres parties relatives aux ciments spéciaux tels notamment les ciments à haute résistance aux sulfates et les ciments à faible chaleur d’hydratation.0 4.50 (maximum) Retrait % (maximum) 0. IP IP (MS) Expansion autoclave % 0.50 0.Perte au feu % (maximum) Alcalis solubles % (maximum) 3. S I (PM).1 10.20 Début de prise Vicat min 45 45 45 (minimum) fin de prise Vicat heure 7 7 7 (maximum) RC 3 jours MPa (minimum) 12.1 24.50 0. Dans le cadre de l’Europe.3 RC 7 jours MPa (minimum) 19.3 P 0. IS.4 10.20 45 7 10.3 20.1 RC 28 jours MPa (minimum) 24. la non-disponibilité de pouzzolanes 56 .50 0.0 0.03 5. spécifications et critères de conformité Partie 1 : Ciments courants » a été adoptée le 15 avril 1993 par vote majoritaire des instituts nationaux de normalisation membres du CEN (Comité Européen de Normalisation).0 Tableau 8 : Spécifications physiques pour les ciments composés Caractéristiques I (SM).2 4. Au contraire. nécessaire pour réguler la prise. composition et désignations normalisées Le ciment courant est fabriqué par mélange et cobroyage de clinker et d’autres constituants minéraux.naturelles a conduit quelques pays à ne pas reprendre le ciment pouzzolanique de type IV dans leur éventail national. appelée filler. IV et V une lettre A. La prénorme ENV 197 . Les additifs sont ajoutés pour faciliter la fabrication du ciment ou pour améliorer ses propriétés. 42.5.1 définit 5 types de ciment dont la composition doit être conforme au tableau 10 : ? ? ? ? ? Ciment Portland Ciment portland composé Ciment de haut fourneau Ciment pouzzolanique Ciment composé Le tableau 10 reprend également les dénominations normalisées des ciments de même que les notations abrégées correspondantes. 52. suivi. Leur teneur est inférieure à 5 % du total (sulfate de calcium et additifs exclus). soit une autre matière minérale. B ou C pour indiquer la proportion des constituants ? le nombre indiquant la classe de résistance 32. les ciments peuvent contenir des constituants secondaires et des additifs. IV ou V pour indiquer le type de ciment ? pour les ciments II.5. Tableau 10 : Les 5 types de ciments courants et leur composition Notation Clinker Autres Constituants 57 . Les constituants minéraux susceptibles d’entrer dans la composition des ciments sont donnés dans le tableau 9. Leur teneur est inférieure à 0. avec une certaine quantité de sulfate de calcium. Tableau 9 : Les constituants des ciments courants et leur notation conventionnelle Constituant Notation Constituant Notation Clinker K Pouzzolanes industrielles Q Laitier granulé haut fourneau S Cendres volantes calciques W Fumée de silice D Schistes calcinés T Pouzzolanes naturelles Z Calcaire L Cendres volantes siliceuses V Filler (constituant secondaire) F Outre ces constituants. à l’exception des ciments de type III pour lesquels il peut être ajouté jusqu’à 1 % de sels chlorés.5.1 Types de ciments. Les constituants secondaires peuvent être soit l’un des constituants du tableau 9. II.5 % en masse dans tous les ciments. Les dénominations européennes sont constituées comme suit : ? CEM pour indiquer que le produit est un ciment ? un chiffre romain I. III. choisi et préparé pour améliorer les propriétés physiques du ciment. le cas échéant de la lettre R pour signaler une résistance élevée au jeune âge (2 jours). 3. Le chapitre 9 « Critères de conformité » de la prénorme ENV 197 .1 a souvent été totalement supprimé et remplacé par un règlement particulier d’usage et de contrôle de la marque basé sur les critères de ce chapitre de la prénorme européenne. III. 64 20 . 58 .90 45 . Tableau 11 : Les constituants admis dans les 5 types de ciments courants S D Z V.80 81 .39 constituants -6 .55 18 . W P.2 Exigences mécaniques.79 35 .34 5 . C’est le cas des ciments français vis-à-vis de l’AFNOR.50 secondaires 0–5 --0–5 0–5 0–5 0–5 0–5 0–5 0–5 Ciment pouzzolanique Ciment composé Les valeurs indiquées dans le tableau précédent se réfèrent au noyau du ciment à l’exclusion des sulfates de calcium et des additifs.94 65 .35 36 . filler ou bien un ou plusieurs constituants principaux.30 31 .100 80 .65 66 . physiques et chimiques Les tableaux et figure 12 à 15 synthétisent les exigences de la norme. La norme définit aussi les constituants autres que le clinker admis dans les 5 types de ciment (tableau 11). Q T L F Ciment Portland oui Ciment Portland composé oui oui oui oui oui oui oui (1) Ciment de haut fourneau oui oui Ciment pouzzolanique oui oui oui oui (1) (2) Ciment composé oui oui oui oui (2) (1) en proportion limitée à 10 % (2) W n’est pas admis dans cette famille 3. sauf lorsque ceux-ci sont déjà présents dans le ciment en tant que constituants principaux. sur simple demande de l’utilisateur. La composition des ciments doit parfois être déclarée à l’organisme de certification par le producteur qui s’engage à ne pas faire varier les proportions de chacun des constituants audelà d’une fourchette de +/. D’autres organismes de certification obligent le cimentier à déclarer les constituants principaux complémentaires.20 21 .5 points.19 65 .95 10 .Ciment Portland Ciment Portland composé Ciment de haut fourneau CEM I CEM II A CEM II B CEM III A CEM III B CEM III C CEM IV A CEM IV B CEM V A CEM V B 95 .35 36 .64 40 . On a par convention : ? Clinker + Autres constituants + Constituants secondaires = 100 Tous les ciments peuvent contenir entre 0 et 5 % de constituants secondaires. nature et pourcentage.64 20 . Cette dernière se caractérise par des résistances initiales plus élevées.5 constitue une exigence complémentaire particulièrement sévère pour les ciments certifiés faisant l’objet d’un contrôle statistique des performances mécaniques. La figure 13 montre les degrés de liberté du producteur en matière de résistance suivant le nouveau règlement de certification (voir paragraphe 3. Où : ? RC moy est la moyenne arithmétique des résistances à 28 jours mesurées sur les N échantillons contrôlés pendant la période considérée (2 échantillons par semaine pendant un semestre dans le cas de la Belgique) ? S est l’écart type de production du ciment ? Li est le seuil inférieur normalisé des résistances ? Ls est le seuil maximum normalisé des résistances 59 . A noter aussi pour chaque classe de résistance.5. L’introduction dans la nouvelle norme d’une limite supérieure (Ls) de résistance pour les classes de résistance 32.3) pour les ciments de la classe 32.5 en Belgique. Les classes de résistance deviennent 32.3. Elle s’exprime couramment en MPa ou N/mm².1 Exigences mécaniques et physiques La norme classe les ciments suivant leur résistance normale à 2 et 28 jours.5 et 42.5 et une résistance maximale à 28 jours est instaurée pour les 2 classes inférieures.1. mise en précontrainte et manutention précoce. 42. appréciées pour les opérations de décoffrage. démoulage.2.5 et 52. La résistance normale du ciment est la résistance à la compression mesurée sur mortier normalisé conservé à 20°c conformément à la norme EN 196 . la définition de 2 sous-classes de résistance au jeune âge : résistance ordinaire et résistance élevée indiquée par R (tableau 12). ? Li + Ki x S < RC moy < Ls .5 -? 16 ? 32.5 42.5 --? 20 ? 52.5 R -? 10 ? 60 42. les résistances moyennes des ciments certifiés doivent impérativement se trouver dans le diagramme triangulaire qui se rétrécit drastiquement lorsque l’écart type de fabrication augmente.Tableau 12 : Exigences mécaniques et physiques des ciments courants Résistance à la compression (MPa) Temps de Classe Résistance au jeune Résistance normale Début de Expansion âge prise (1) 2 jours 7 jours 28 jours Min mm 32. Moyenne semestrielle de résistance à la compression d'un ciment de classe 32.5 ? 45 52.5 32.5 ? 52.5 en fonction de l'écart type de production 55 RC moyenne (N/mm²) 50 45 40 35 30 0 1 2 3 4 5 6 Ecart type de production (N/mm²) Limite inférieure Limite supérieure Figure 13 Suivant le nouveau règlement de certification. et du nombre de mesures (N) sur la période considérée 60 .5 R -? 30 (1) en complément à l’essai de stabilité.5 ? 62.Ks x S Où : ? Ki représente la constante d’acceptabilité qui dépend du pourcentage de dépassement de la limite inférieure (Li) admis pour la mesure. la norme limite également la teneur en oxyde de magnésium pour les clinkers destinés au CEM I (? 5 %).5 R -? 20 ? 10 52.5 -? 10 ? 42. et du nombre de mesures (N) sur la période considérée ? Ks représente la constante d’acceptabilité qui dépend du pourcentage de dépassement de la limite supérieure (Ls) admis pour la mesure. 0 CEM II 32.1 (1) Les ciments de type III A.5 R 28 30 Où : ? Li et Ls sont les limites caractéristiques inférieure et supérieure ? Lig est la limite inférieure garantie 3.1 ? 5.5 32. 32. De plus. le pourcentage de dépassement admis est de 5 % pour la limite inférieure et de 10 % pour la limite supérieure des normes. ont modifié les niveaux normalisés inférieur et supérieur de résistance et ont introduit la notion de niveau minimum garanti qui ne peut pas être dépassé : Tableau 14 : Spécifications des résistances à la compression des ciments suivant leur classe Résistance à la compression (MPa) Classe Résistance au jeune âge Résistance normale (2 ou 7j) (28 j) Lig Li Lig Li Ls 32.5 ? 0.5 ? 0.5 R 18 20 52..5 CEM V --? 3.5 ? 0.5 52.1 CEM III A. 32. Tableau 15 : Exigences chimiques des ciments courants Type et classe Sulfates SO³ Chlorures Perte au feu Résidu (%) (%) (%) Insoluble (%) CEM I 32. B ou C peuvent contenir plus de 0.5 18 20 50 52. 52.2. 42.5 10 12. La période de contrôle considérée varie d’un pays à l’autre : trimestrielle aux Pays-Bas. le contrôle statistique sera remplacé par un contrôle par attributs.5.5 R ? 4.2. Pour les caractéristiques chimiques et les caractéristiques physiques autres que les résistances mécaniques. semestrielle en Allemagne et en Belgique. B ? 4.0 ? 0.5 62. Le ciment sera conforme lorsque le nombre de dépassement (Cd) de la caractéristique considérée sera inférieur à un nombre estimé (Ca).1 % de chlorures..5 42.5 ? 3.0 ? 5.5.5 (1) -30 32. certains pays. mais dans ce cas la teneur réelle doit être déclarée. 42. 52.2 Exigences chimiques La norme européenne définit aussi un ensemble de critères chimiques à respecter.0 CEM III C (1) ? 4.5 R 12 13. annuelle en France.5 R.5 R. . comme la France.0 CEM I 42.5 17.5 -52.3 Ciments à caractéristiques complémentaires normalisées 61 .0 ? 5.Dans la plupart des pays européens. calculé à partir du nombre de mesures (N) effectuées pendant la période de contrôle et du pourcentage de dépassement autorisé.5.5 R.5 --? 3.5 42.1 ? 5.5 40 42. ? Cd ? Ca 3. Dans l’attente de la norme européenne définitive EN 197 .Partie 5 : Essai de pouzzolanicité des ciments pouzzolaniques EN 196 .Partie 3 : Détermination du temps de prise et de la stabilité EN 196 .1 Méthode d’essais des ciments .3 Règlement particulier d’usage et de contrôle de la marque de conformité La nouvelle norme européenne EN 197 est subdivisée en trois rubriques : ? une première partie descriptive définit les constituants du ciment et délimite les différents types de ciments ? une deuxième partie fixe les classes de résistances.4 Méthode d’essais des ciments .1.Partie 4 : Détermination quantitative des constituants EN 196 .6 Méthode d’essais des ciments : Détermination de la finesse EN 196 . le ciment doit parfois répondre à certaines spécifications imposées par les utilisateurs. certains certificateurs nationaux ont défini des spécifications complémentaires : ? ? ? ? ? ? Ciment à haute résistance aux sulfates (HSR. en dioxyde de carbone et en alcalis dans les ciments 3.Partie 2 : Analyse chimique des ciments EN 196 .2 Méthode d’essais des ciments . ES) Ciment à teneur limitée en alcalis (LA) Ciment à faible chaleur d’hydratation (LH) Ciment pour travaux à la mer (PM) Ciment à teneur en sulfures limitée pour précontrainte (CP) Ciment blanc La norme européenne EN 197 sur les ciments fait référence à une autre norme EN 196 décrivant les méthodes d’essais applicables à tous les ciments (tableau 16).2. Tableau 16 : Méthodes d’essais des ciments normalisés en Europe Norme Méthode d’essais EN 196 .3 Méthode d’essais des ciments . dont les parties complémentaires traiteront des ciments spéciaux. les spécifications mécaniques et physico-chimiques 62 .5 Méthode d’essais des ciments .21 Méthode d’essais des ciments : Détermination de la teneur en chlorures.7 Méthode d’essais des ciments : Méthodes de prélèvements et d’échantillonnage du ciment EN 196 .4 Caractéristiques diverses du ciment A côté des caractéristiques normalisées.Partie 1 : Détermination des résistances mécaniques EN 196 . Les plus courantes sont : ? ? ? ? ? une fluidité du ciment minimale pour faciliter la manutention pneumatique une température maximale pour éviter le phénomène de fausse prise une teneur limitée en alcalis pour utiliser sans restriction des granulats siliceux réactifs une teneur limitée en sulfate pour éviter la formation différée d’ettringite dans les installations d‘étuvage à haute température en préfabrication … 3. Ce contrôle externe comprend également le prélèvement impromptu périodique d’échantillons chez le producteur avec essais croisés dans un laboratoire agréé indépendant. Le système d’assurance de la qualité européen est basé sur les normes de la série ISO 9000. il fixe les procédures pour toutes les étapes de production de manière à produire un produit de qualité. l’attestation de conformité d’un ciment à une norme nationale d’un pays européen comprend les éléments essentiels suivants : ? une période de stage probatoire comprenant des essais initiaux de conformité des produits et un audit initial de la capacité du producteur et de ses installations de fabriquer des produits conformes aux normes ? un autocontrôle permanent du producteur de la conformité de sa production à toutes les spécifications des normes correspondantes. les normes ISO 9000 ne sont pas des normes de spécifications ou de performances et elles sont pratiquement adoptées par tous les pays. de la validité et de la fiabilité de l’autocontrôle du producteur. les ciments certifiés présentent nécessairement des résistances beaucoup 63 . En effet. Pour l’utilisateur. Les règlements varient sur quelques détails d’un pays à l’autre. La certification européenne ciment fait référence à la norme ISO 9002 se rapportant à la production et à la maîtrise des procédés de fabrication 4 Conséquences de l’application des nouvelles européennes sur la variation de qualité du clinker normes Pour l’utilisateur de ciment. alors que les livraisons successives de ciments non-certifiés contrôlés par lots peuvent présenter des résistances variables entre les limites Li et Ls de la classe (variations possibles de 20 Ma entre livraisons).? une troisième partie est consacrée aux critères de conformité. représente un incitant supplémentaire majeur d’exiger des ciments certifiés dont la conformité aux normes est vérifiée de façon statistique par un triple contrôle de la production. Les procédures à suivre par les fabricants de ciments certifiés font l’objet d’un règlement particulier d’usage et de contrôle de la marque de conformité. aux procédures de leur vérification et aux seuils de garantie. D’une manière générale. La preuve de la certification est donnée par l’apposition de la marque de la marque délivrée par l’organisme certificateur sur les sacs de ciments dans le cas de ce conditionnement ou sur le bon de livraison en cas de livraison en vrac. tierce partie indépendante. ? l’obligation pour le producteur d’avoir un système de gestion de la qualité de production formalisé dans un manuel de qualité dont la bonne application fait l’objet d’audits réguliers tant internes par le producteur lui-même qu’externes par l’organisme de contrôle désigné. La référence à la norme pour un ciment implique obligatoirement que sa conformité à celle ci soit certifiée par un organisme officiel. L’avantage de cet autocontrôle est qu’il est réalisé sur un nombre important de prélèvements garantissant un niveau de fiabilité statistique des résultats qu’aucun essai ponctuel de réception ne peut donner ? un contrôle externe par un organisme de contrôle désigné. l’application du nouveau règlement de certification européen. Au niveau de l’industrie cimentière. Adopté en 1987. l’importance des textes normatifs vient de ce qu’ils sont repris dans les documents contractuels qui règlent les relations commerciales entre le fournisseur et son client ou entre l’entrepreneur et son client. producteurs et experts indépendants) ? une possibilité de recours de l’utilisateur auprès de l’organisme de certification dans tout litige avec le producteur concernant la conformité aux normes du produit fourni. Tableau 18 : Contrôle de fabrication d’un CEM I 52. Ils sont surtout utilisés pour le broyage des ciments avec une haute 64 . tandis que dès que les écarts types de fabrication dépassent 5 MPa.8 64.8 33.8 La certification européenne constitue une garantie de conformité des produits aux normes et dès lors une meilleure protection des utilisateurs contre les défauts de qualité. Avec des écarts types réduits de fabrication de l’ordre de 2 à 3 MPa.7 37. particulier et d’application) à la disposition de tous les intéressés (transparence assurée aussi par la publication régulière de listes des usagers de la marque et de leurs ciments certifiés) ? l’impartialité des attestations de conformité et de la gestion de la certification par des comités regroupant toutes les parties concernées (pouvoirs publics. L’imposition dans les cahiers de charge d’emploi exclusif de ciment certifié présente de nombreux avantages pour l’utilisateur : ? une garantie optimale de conformité aux normes sur base de contrôles statistiques incomparablement plus significatifs que n’importe quels essais ponctuels occasionnels de réception ? une garantie de conformité à toutes les spécifications normalisées et pas seulement aux quelques spécifications principales auxquelles se limitent souvent les essais de réception ? une garantie de qualité assurée chez le producteur et rendant inutile tout essai de réception dont les résultats sont souvent connus trop tard.0 2. Le producteur fabrique des ciments caractérisés par une très grande constance de qualité et par des niveaux de résistance dépassant largement les seuils minima normalisés.plus constantes d’une livraison à l’autre. la production ne sait plus être conforme aux spécifications de la norme.0 60.1 Ecart type 2.1 Les adjuvants de broyage Les agents de broyage sont des matériaux qui facilitent le broyage dans les broyeurs à boulets en éliminant le collage (coating) sur les corps broyants et en dispersant les fines particules broyées. La certification offre un relèvement incontestable du niveau de qualité des produits au profit des utilisateurs.1 maximum 28.4 67.1 Minimum 19. utilisateurs. 5 Les économies d’énergie 5. après la mise en œuvre du produit ? une uniformisation des contrôles de qualité plaçant tous les producteurs sur le même pied ? la transparence des procédures de certification basées sur des règlements (général.3 40.5 1998 (MPa) RC 1 jour RC 2 jours RC 28 jours Moyenne 24.1 2. la fourchette autorisée pour les résistances moyennes à 28 jours est déjà réduite de moitié dans la plupart des pays. 65 .1 % de matières actives / ciment). Ils éliminent les charges électrostatiques des particules et facilitent l’écoulement et le transport du ciment fini. Sous forme liquide ou solide. il est possible (et permis) d’introduire d’autres matériaux avec des propriétés hydrauliques et pouzzolaniques qui diminueront le prix de revient du ciment tout en conservant sa qualité (tableau 18).finesse (> 3500 cm²/g). Il n’y a cependant pas de règle pour calculer à priori l’efficacité d’un agent de broyage. 5. qui conserve après durcissement sa résistance et sa stabilité dans l’eau et dans l’air. Le ciment contient toujours du clinker Portland et un régulateur de prise. les agents de broyage améliorent la productivité de l’installation de broyage (augmentation possible de la production jusque 50 % et réduction de la consommation électrique en conséquence). Parfois utilisés pour améliorer une propriété du ciment. ces matériaux sont injectés dans le broyeur à des dosages très faibles (< 0. qui gâchée avec de l’eau forme une pâte qui durcit par suite de réactions et processus d’hydratation. Ce mélange se présente sous la forme de poudre finement moulue. D’une manière générale. Ils améliorent sensiblement la fluidité du ciment et limitent les effets d’autocompactage pendant le stockage dans les silos.2 Les ciments composés Le ciment est un liant hydraulique composé de plusieurs matériaux avec des propriétés spécifiques. Un essai de convenance est toujours nécessaire pour apprécier le degré d’efficacité du produit. En plus de ces matériaux de base. 0 12. CSA + H + ( CH ) ? C²AH7 + Cn SmHp ? Pour les constituants pouzzolaniques : A long terme.0 58. ? Pour le clinker : Au démarrage.0 Fe²O³ 3. C³S + C²S + H ? C³S²H³ + CH C³ACs³H31 + C³A ? C³ACsH 31 ? Pour les autres constituants hydrauliques : En régime les silicoaluminates.0 CaO 66.0 2.0 Al²O³ 5. Le clinker répond aux caractéristiques suivantes : ? CaO / SiO² ? 2 ? MgO ? 5 % Le clinker.0 60.0 5.0 MgO 2. C’est le seul constituant élaboré en cimenterie. s’hydrate rapidement au point de requérir un régulateur. les aluminates de calcium forment les premiers cristaux hydratés responsables du durcissement initial et des premières résistances.5 1.0 2.Tableau 18 : Composition chimique usuelle de quelques matériaux pour ciments composés Clinker Laitier Cendres Pouzzolanes volantes SiO² 20.0 6.0 5. renforcent la structure durcie.0 15.0 36. C³A + H + Cs ? C³ACs³H31 En régime les silicates de calcium constituent la vraie structure du ciment durci et le sulfoaluminate (ettringite) se stabilise. Il libère pendant l’hydratation une quantité importante de chaux qui ne se combine pas toujours sous forme d’hydrate et reste disponible pour d’autres réactions avec d’autres SA + CH +H ? Cn SmHp 66 .0 2.0 Lors de l’hydratation. très riche en chaux. activés éventuellement par la portlandite produite précédemment.0 26. avec la portlandite résiduelle ils renforcent la structure ? Clinker (K) Le clinker est une roche artificielle produite dans un four.0 42.0 4. il répond à des critères bien précis qui lui procurent la réactivité optimale (Voir chapitre 3). les composants du ciment vont se solubiliser progressivement et réagir ave l’eau ou entre eux avec l’eau. Par le dosage précis des matières premières et le contrôle de la cuisson. 5. pour maîtriser les premières réactions d’hydratation. anhydrite) ajouté en faible quantité aux autres constituants du ciment au cours de sa fabrication pour produire les ions sulfates nécessaire pour réguler la prise et influencer les performances finales. il existe différentes familles de ciments composés ? courants définis aussi dans les normes nationales ou internationales ? particuliers fabriqués localement ou pour une propriété spécifique. Divers matériaux sont utilisés pour la fabrication des ciments composés. éventuellement en anhydrite et modifier le comportement rhéologique du ciment : ? ? CaSO4 2 H²O ? CaSO4 ½ H²O CaSO4 ½ H²O ? CaSO 4 Le cimentier dispose à ce moment d’une palette importante de sources d’ions sulfate. Beaucoup d’usines utilisent du gypse naturel ou synthétique comme régulateur de prise. Il est obtenu par refroidissement rapide de la scorie fondue produite 67 . et détruire progressivement par attaque chimique ou dissolution des composants hydratés du béton.2. le gypse va se déshydrater en plâtre. Sous l’effet de la température atteinte pendant le broyage et le stockage. qui auraient pu pénétrer à l’intérieur de la masse durcie par le réseau de pores ou de fissures.composants du ciment. Ces matériaux suivant leurs propriétés se répartissent en 3 catégories : ? les matériaux hydrauliques forment par réaction avec l’eau des composés hydratés stables qui participent avec le clinker au développement des résistances de durcissement ? les matériaux pouzzolaniques forment en présence d’eau des composés hydratés stables avec la chaux produite par les réactions d’hydratation du clinker Portland ? les fillers améliorent certaines propriétés du ciment pendant la préparation du mortier ou du béton. A côté des matériaux naturels exploités en carrière. La chaux résiduelle produite par les réactions d’hydratation constitue une réserve d’alcalinité dans le béton qui est une barrière efficace contre la corrosion des armatures. de solubilité et de réactivité différentes.1 Matériaux hydrauliques Laitier granulé de haut fourneau (S) Le laitier granulé de haut fourneau est le matériau hydraulique le plus souvent utilisé dans les ciments composés. ou la qualité des produits hydratés durcis. A côté du ciment Portland fabriqué par le broyage d’un mélange de clinker Portland et de régulateur de prise. hémihydrate de calcium. de nombreux sulfates provenant de la désulfuration des fumées ou de l’industrie chimique sont maintenant utilisés pour la fabrication des ciments. Celui-ci évolue pendant le broyage. Régulateur de prise Le régulateur de prise est un sulfate de calcium (gypse. Une partie de ces ions sulfates sont produits par la libération des sulfates alcalins contenus dans le clinker et participent aux réactions d’hydratation. La chaux résiduelle peut aussi réagir avec des agents extérieurs comme l’anhydrite carbonique de l’air ou des sels dissous dans le milieu ambiant. Les matériaux pouzzolaniques réagissent lentement dans le ciment.0 1.2 Cendres volantes calciques (W) Les cendres volantes sont des particules pulvérulentes obtenues par le dépoussiérage électrostatique ou mécanique des gaz de combustion des chaudières alimentées au charbon pulvérulent.0 34.0 Al²O³ 6. à température ambiante en présence d’eau. ? CaO réactif ? 5 % ? SiO² > 25 % si ( 15 % < Cao réactif < 25 % ) ? propriétés physico mécaniques suivant EN 196 1 (RC 28j > 10 MPa.0 13.2.0 CaO 20. ? Masse vitreuse > 2 / 3 de la masse totale ? ( Ca0 + MgO + SiO² ) > 2 / 3 de la masse des constituants ? ( CaO + MgO ) / SiO² > 1 Le laitier est généralement moins réactif que le clinker.0 41.0 4.0 41.0 MgO 1. La composition chimique de ces laitiers.0 9.0 13.0 1.1 0. Les cendres volantes silico-calcaire présentent des propriétés pouzzolaniques et hydrauliques.0 29. D’autres types de laitier autre que le laitier de haut fourneau sont admis dans les normes européennes pour la production de ciment composé avec une teneur maximale de 15 %. Il améliore les résistances finales et la durabilité du ciment.0 7. le laitier granulé de haut fourneau doit présenter des propriétés hydrauliques latentes.1 0. Elles améliorent les résistances finales à long terme et la durabilité.0 1.0 9.0 1. Elles présentent naturellement ou après activation thermique des propriétés pouzzolaniques. sous-produits de l’industrie des non-ferreux est variable et dépend de l’origine du laitier (tableau 19).2 Matériaux pouzzolaniques Les pouzzolanes ne durcissent pas par eux-mêmes lorsqu’elles sont mélangées avec de l’eau. d’alumine et d’oxyde de fer.0 1.0 44.0 2. Pour être utilisé en cimenterie.0 4. Pouzzolanes naturelles (P) Les pouzzolanes naturelles sont des matériaux essentiellement composés de silice.0 47. Dilatation < 10 mm) 5.3 1. de la silice réactive et de l’alumine.1 3. Tableau 19 : Caractéristiques de différents laitiers de l’industrie Laitier non-ferreux Laitier ferreux Origine Plomb Zinc Nickel Cuivre Aciérie LD Haut fourneau SiO² 18.0 1.0 31.0 34.0 CaO/SiO² 1.0 FeOx MnO x 38.0 6.0 53. ? CaO en proportion négligeable ? SiO² réactif > 25 % de la masse des constituants 68 .6 1. avec l’hydroxyde de calcium.pendant la fabrication de la fonte dans le haut fourneau.0 41. mais réagissent. Elles contiennent essentiellement de la chaux réactive. 2. les schistes calcinés contiennent des phases du clinker. L’action des cendres d’écorce de riz est comparable à l’action des fumées de silice. ? Perte au feu ? 5 % ? CaO ? 5 % ? SiO² réactif ? 25 % de la masse des constituants Schistes calcinés (T) Les schistes calcinés. des laitiers de cuivre ou de plomb refroidis à l’air et d’autres produits de l’industrie des ferroalliages ? CaO en proportion négligeable ? SiO² réactif > 25 % de la masse des constituants Cendres volantes siliceuses (V) Les cendres volantes sont des particules pulvérulentes obtenues par le dépoussiérage électrostatique ou mécanique des gaz de combustion des chaudières alimentées au charbon pulvérulent. Elles proviennent de la réduction du quartz de grande pureté par du charbon dans les fours à arc électrique pour la production de silicium et d’alliages en ferrosilicium. Du fait de la composition de la matière naturelle et du procédé de cuisson. en fonction de leur granulométrie. sont produits dans un four spécial à 800°c. principalement du silicate bicalcique et de l’aluminate monocalcique. La Pouzzolane de Pozzuoli et le Trass de Bavière sont 2 roches volcaniques. Finement broyés. elles doivent respecter les impositions suivantes : ? SiO² amorphe ? 85 % ? Perte au feu ? 4 % ? Aire massique (BET) ? 15 m²/g 5.La silice se trouve dans une phase amorphe (silice opaline) ou sous forme de silicate (zéolites). Pouzzolanes industrielles (Q) Les pouzzolanes industrielles sont des argiles ou des schistes traités et activés thermiquement. naturelles ou artificielles spécialement sélectionnées. la gaize ou la terre de diatomée sont issus de dépôt sédimentaire. qui après préparation appropriée. améliorent les propriétés 69 . Le kieselguhr. Utilisées comme constituant principal.3 Fillers Les fillers sont des matières minérales. Ils contiennent aussi de petites quantités de chaux libre et de sulfate de calcium. et en particulier les schistes bitumineux. Elles contiennent essentiellement de la silice réactive et de l’alumine. ainsi que des quantités plus importantes d’oxydes réagissant de manière pouzzolanique (SiO²). ils présentent de fortes propriétés hydrauliques comme le clinker Portland en plus des propriétés pouzzolaniques ? RC 28j > 25 MPa suivant EN 196 1 ? Expansion ? 10 mm Fumées de silice (D) Les fumées de silice sont des particules sphériques très fines (< 1 µm) présentant une forte teneur en silice amorphe. Ces additifs ne doivent pas favoriser la corrosion des armatures ou influencer les propriétés du ciment.3 Le réglage de la composition des ciments La composition des ciments est réglée par les normes pour les éléments chimiques qui pourraient provoquer une dégradation des hydrates avec l’aide éventuelle d’un agent extérieur (sulfate. alcalins. Ils sont apportés par les matières du clinker ou les constituants du ciment et il est difficile de les doser dans le produit fini. La quantité de ces additifs ne dépassent pas 0.2.).. A l’exception des sulfates. ? ? ? ? CaCO³ > 75 % Teneur en argile par absorption de bleu de méthylène ? 12 g/100g Matières organiques ? 0. Ils ne doivent pas accroître sensiblement la demande en eau du ciment.5 % si performances acceptables 5. chlorure. en conservant le débit d’alimentation du broyeur constant. Ils sont obtenus par broyage fin de matières minérales naturelles ou artificielles. Il est intéressant de rechercher.5 Additifs Les additifs sont des constituants ajoutés pour améliorer la fabrication ou les propriétés du ciment. Le sulfate.2 % sans essais complémentaires Matières organiques ? 0. Pour déterminer l’optimum sulfate d’un CEM I 52. Ils peuvent être inertes ou présenter des propriétés faiblement hydrauliques. à l’exception des composés chlorés pour quelques ciments composés au laitier. . du béton ou du mortier fabriqué avec ce ciment. 9 échantillons sont prélevés et vont refléter la variation du SO³ (tableau 20). Pendant l’essai. pouzzolaniques. Les plus couramment utilisés sont les agents de mouture décrits au paragraphe 5 1.5. hydrauliques latentes. et à étudier les effets de cette variation sur les propriétés du ciment. 70 .4 Constituants secondaires Les constituants secondaires sont des constituants décrits dans les paragraphes précédents ou des fillers (F). ces éléments ne sont pas introduits volontairement dans le ciment. Le sulfate joue cependant une action importante sur la cinétique de durcissement du ciment et sur le niveau final des résistances mécaniques. pour une composition donnée.. Calcaire (L) Ce sont des produits obtenus par broyage fin de roches naturelles présentant une teneur en carbonate de calcium élevée. 5.2. La recherche de l’optimum sulfate consiste à faire évoluer la teneur en sulfate du ciment d’une valeur basse à une valeur élevée. rétention d’eau. tout en respectant les normes. compacité. la concentration optimale du ciment pour obtenir les performances optimales au niveau de la rhéologie ou du développement des résistances.physiques des ciments (ouvrabilité. apporté pour réguler la prise.5 % en masse dans tous les ciments. la SO³ est réglé de 0 à 5 % pendant une campagne de broyage. magnésie). est limité pour éviter la formation d’ettringite différée gonflante dans le ciment durci. 5. Ils respectent les critères suivants lorsqu’ils sont utilisés comme constituant principal. ni diminuer en aucune manière la résistance mécanique du béton ou la protection des armatures contre la corrosion. 5 RC 28 j (MPa) 41.5 1 2 3 4 5 6 7 8 SO3 (%) 0.1 30 170 300 Les résultats sont repris et commentés dans les graphiques suivants (figures 21 à 25).6 20.7 31.1 64.8 4.7 65.8 47.08 3.9 34.3 17.4 26.6 48.39 1.79 Blaine ( cm²/g ) 4338 4293 4362 4594 4493 4741 4446 4604 RC 1j (MPa) 4.4 RC 2 j (MPa) 18.2 21.5 64.3 19.1 33.1 15. CEM I 52.Tableau 20 : Recherche de l’optimum sulfate d’un CEM I 52.5 64.62 3.67 4.7 63.1 62.5 4.3 19.6 35 29.55 4822 16.5 : recherche de l'opt sulfate Besoin en eau 45 Besoin en eau (%) 40 35 30 25 0 1 2 3 4 5 6 SO³ (%) Figure 22 71 .9 2.01 1.4 20. La matière sulfatée se broie plus facilement que le clinker.5 : recherche de l'opt sulfate Surface spécifique Blaine 5000 Blaine (cm²/gr) 4800 4600 4400 4200 0 1 2 3 4 5 6 SO³ (%) Figure 21 L’augmentation de la teneur en sulfate entraîne une augmentation apparente de la finesse du ciment.7 Consistance (%) 41 42 43 30 30 30 30 30 Dbt prise (min) 10 20 20 120 100 110 120 130 Fin prise (min) 70 100 100 270 240 260 260 270 9 5. CEM I 52.85 1. Un minimum de sulfate est nécessaire (> 2 %). 72 .Le ciment a besoin d’un minimum de sulfate (> 2 %) pour pouvoir préparer une pâte de consistance normale avec une teneur minimale en eau. CEM I 52. CEM I 52.5 : recherche de l'opt sulfate Début de prise pâte pure 200 Début de prise (min) 150 100 50 0 0 1 2 3 4 5 6 SO³ (%) Figure 23 Pour pouvoir mettre en œuvre le béton ou le mortier. le ciment ne doit pas durcir trop rapidement. Un maximum de résistance à 1 jour est obtenu pour une valeur de sulfate comprise entre 3 et 4 %.5 : recherche de l'opt sulfate Résistance à la compression à 1 jour 25 20 RC 1j (N/mm²) 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 SO³ (%) Figure 24 Le ciment a besoin d’un minimum de sulfate pour développer les résistances mécaniques initiales dues à l’aluminate tricalcique. en substitution à un constituant traditionnel. 5. D’une manière générale. les poussières de fours augmentent les risques de : ? corrosion des armatures 73 .5 étudié. L’optimum est situé entre 2 et 5 %.5 : recherche de l'opt sulfate Résistance à la compression à 28 jours 70 RC 28j (N/mm²) 60 50 40 0 1 2 3 4 5 6 SO³ (%) Figure 25 Le ciment a aussi besoin d’un minimum de sulfate pour développer un niveau acceptable de résistance mécanique finale. un développement rapide des résistances initiales et un niveau maximum de résistance finale. le début de prise et la résistance finale 3 % < < 4 % pour la résistance initiale < 4. Cet essai permet de trouver une composition optimale pour fabriquer un ciment avec une bonne rhéologie. Elles sont chargées en chaux. en chlorure et sulfate alcalins qui sont de bons activateurs des matériaux traditionnels comme le clinker.1 Les poussières de four Les poussières de fours constituent la première source de matériaux de substitution.4 Les matériaux de substitution Un grand nombre de matières diverses peuvent être introduites dans les ciments. dans les conditions de l’essai une valeur comprise entre 3 et 4 %.4. Elles sont récupérées dans les filtres en zone amont du four ou près des by-pass et ne peuvent pas toujours. Pour le CEM I 52.CEM I 52. La quantité utilisable est limitée par les normes ciments et par l’impact négatif sur la qualité lorsqu’elles sont introduites en grande quantité. comme constituant secondaire ou comme agent de performance pour développer une propriété particulière du ciment. 5. pour le bon déroulement du processus de cuisson. le laitier ou la pouzzolane.5 % pour respecter la norme La cimenterie doit donner comme consigne de sulfate. être réintroduites dans le four. l’optimum sulfate est ? ? ? 2 % pour le besoin en eau. D’une manière générale. il est indispensable d’effectuer en laboratoire et sur chantiers choisis. 5. le ciment Portland est supérieur aux jeunes ages mais le ciment au laitier le dépasse vers 28 jours (figure 26). Pour des finesses élevées. l’avantage des matériaux pouzzolaniques est évident après quelques essais de laboratoire. mécanique et durabilité : ? ? ? ? gypse de récupération de l’industrie chimique ou de la désulfuration des fumées boues de papeterie argile calcinée microfiller 6 Performances du ciment Portland et du ciment composé Dans beaucoup de cas. pendant les premières heures (figures 26 et 27) tandis que le ciment composé atteint des performances à long terme (> 6mois) plus élevées pour les résistances mécaniques et pour la durabilité (tableau 28). de durcissement. à finesse égale. peuvent aussi servir de constituants pour la fabrication des ciments. résidus industriels. la différence s’accentue en faveur du ciment Portland aux jeunes ages et pour le ciment composé après 74 . Les ciments Portlands et composés vont se différencier au niveau des performances. le ciment Portland est toujours plus réactif.2 Autres matériaux de substitution De nombreux matériaux..4. Lors de la mise en œuvre du béton sur chantier ou dans les unités de préfabrication des problèmes de manutention. des essais de p erformance au niveau rhéologique. de rhéologie. Tableau 28 : Avantages des ciments composés sur le ciment Portland Laitier de Cendres Pouzzolanes haut volantes naturelles fourneau Besoin en eau ? ? Temps de prise ? ?? ?? Chaleur d’hydratation ? ?? ?? Résistances initiales ? ?? ?? Résistances finales ? ? ? Résistance au sulfate ? ?? ?? Perméabilité au chlorure ? ?? ?? Réactivité alcalis silice ? ?? ?? Retrait ? Pour des finesses grossières.? réaction alcalis granulat ? efflorescence ? .... Si ces matériaux ne peuvent être classés dans une des catégories évoquées dans les paragraphes précédents. apparaissent et nécessitent des corrections dans la formulation ou dans le processus de fabrication du ciment. Des essais industriels doivent être organisés pour solutionner ces défauts avant le lancement commercial du nouveau ciment composé. Le ciment Portland ne progresse plus beaucoup après 28 jours au contraire du ciment composé au laitier ou aux cendres volantes.0. Le tableau 29 donne par exemple. 7 Choix d’un ciment pour une application donnée Un ciment pour une utilisation particulière est choisi généralement suivant 3 critères : ? la résistance à la compression à 28 jours ? la résistance à court terme ? la durabilité 7. Les normes recommandent en conséquence une fourchette de ciment en fonction du diamètre maximal du granulat (tableau 30).5 65 250 280 310 340 370 Le calcul du tableau 29 est effectué pour un granulat de dimension maximale de 20 mm. l’estimation du dosage en ciment en fonction de la résistance souhaitée pour le béton à 28 jours et de la résistance normale du ciment à la même échéance.1 x E pour un béton plastique) Tableau 29 : Estimation du dosage en ciment en fonction de la résistance souhaitée pour le béton à 28 jours et de la résistance normale du ciment à la même échéance.5 45 320 360 400 440 490 42. Toute variation de ce diamètre maximal entraîne une variation du dosage en ciment de manière à conserver la quantité optimale de fines particules (ciment + filler éventuel) dans le béton.5 et 0. Classe 20 25 30 35 40 de Résistance normale du ciment à 28 résistance jours (MPa) 25 30 35 40 45 32. On parle de résistance caractéristique à atteindre. Les normes françaises et allemandes donnent des tables qui permettent le calcul des dosages et des classes de ciment en fonction des performances recherchées.6 suivant les régions) Rcciment = résistance normale du ciment à 28 jours en MPa C = dosage en ciment en kg/m³ E = quantité d’eau efficace en kg/m³ V = quantité d’air occlus dans le béton en l/m³ (0. Cette notion tient compte de la résistance minimale à atteindre pour le béton et de la dispersion ou de la régularité de la fabrication de l’utilisateur.5 55 280 310 350 380 420 52.1 Résistance finale Le ciment.5 ] Où : Rcbéton = résistance du béton en MPa Kb = coefficient relatif au squelette granulaire (entre 0. au même titre que les sables et granulats ou l’eau. Le calcul est basé sur la formule de Bolomey : ? RCbéton = Kb x RCciment x [ ( C / (E + V) .quelques mois de durcissement. est une matière première pour le béton ou le mortier fabriqué. 75 . Le choix du ciment est en conséquence fixé par les besoins ou les performances définies dans les cahiers de charge. . . avec ou sans gel en présence d’agent agressif (acide.5 R -? 32. imposent aussi un choix et un dosage en ciment en fonction des conditions du milieu dans lequel sera placé le béton. .3 Environnement Les normes béton nationales.5 ou 42. Par exemple pour la France : ? 52. dosage en ciment.) ? la température durant les premières heures.5 7..) 76 .2 Résistance initiale Les applications en béton sont généralement coulées en fin de journée et démoulées le lendemain matin. Elles couvrent l’ensemble des environnements auxquels les constructions sont exposées et définiront : ? la formulation du béton ? la cure nécessaire ? le ciment adapté pour chaque type d’environnement : ? ? ? ? sec humide sans ou avec gel en milieu marin.5 R ? 52. ouvrabilité recherchée. marin. le béton doit atteindre un niveau minimal de résistance. Le choix du ciment est naturellement important mais les performances à court terme du béton seront aussi influencées par : ? la composition du béton (E/C. squelette granulométrique.. Pour ce faire. sulfate. Le bétonnier choisit un ciment rapide en période hivernale pour des performances à court terme élevées. avec ou sans marnage.5 R ? 42. basées sur le futur projet de norme européenne.Tableau 30 : Dosage en fines recommandé en fonction du diamètre maximal du plus gros granulat Diamètre maximal (mm) 8 16 20 25 35 40 Valeur inférieure (kg/m³) 390 340 320 310 290 280 Valeur supérieure (kg/m³) 510 440 420 400 380 370 7.5 ou 32. Il choisit une classe inférieure en fonction de l’élévation de température et/ou de la diminution des exigences.. produits chimiques. Chapitre I I I La composition chimique des clinkers 77 . Ces 2 composants forment la phase liquide. de pâte ou sous une forme intermédiaire dans une installation de cuisson. Les réactions chimiques commencent sous l’effet de la température. Le mélange progressivement déshydraté. décarbonaté et calciné. L’objectif du processus de cuisson est de transmettre à la matière à cuire. se transforme en silicate tricalcique tant qu’il reste de l’oxyde de calcium non combiné. l’oxyde de calcium non combiné s’appelle chaux libre. Cette phase s’appelle clinkérisation. situé en amont de l’atelier de broyage. la quantité de chaleur qui assure la qualité désirée du produit cuit en vue de fabriquer des ciments hydrauliques suivant les spécifications des normes et de la clientèle en : ? ? ? ? minimisant les coûts de production optimalisant le débit du produit de cuisson minimisant la dépense d’énergie minimisant les variations de qualité. 2 Critères chimiques et minéralogiques du clinker Dans le four. pour une qualité donnée du cru. L’alumine restante réagit avec de l’oxyde de calcium pour former l’aluminate tricalcique (C3A). en fusion partielle. le mélange cru après séchage et décarbonatation arrive sous la forme de poudre ou de petites granules dans la zone de cuisson. . le clinker Portland. La matière produite. Il est souvent élaboré directement dans la cimenterie dans un atelier appelé clinkérie. Un mélange de roches calcaires dures ou tendres et d’autres silico-alumineuses sont introduites sous forme de poudre. Les oxydes de silicium et de calcium réagissent ensemble pour former le silicate bicalcique (C²S) qui. est refroidie rapidement tandis que les fumées sont épurées par les électrofiltres. L’oxyde de fer se combine à l’oxyde d’aluminium et à l’oxyde de calcium pour former l’aluminoferrite tétracalcique (C4AF). le clinker Portland répond à des critères précis qui lui procurent la réactivité optimale dans un domaine choisi. Ce clinker est acheté localement ou sur le marché mondial. entre enfin. entre 1200 et 1500°c.? 1 Introduction Le clinker est une roche artificielle utilisée comme matière première dans la fabrication des : ? ? ciment Portland et des ciments composés répondant à des normes nationales ou internationales des ciments particuliers répondant à des spécifications particulières. lui-même. A la sortie du four. Par le dosage précis de matières premières et le contrôle de la cuisson. Rankin et Wright. De nombreux savants ont étudié la chimie du clinker Portland et la composition chimique est maintenant bien connue (tableau 1). il est établi que le clinker est principalement constitué en proportions variables de : ? ? ? ? Silicate tricalcique Silicate bicalcique Aluminate tricalcique Aluminoferrite tétracalcique 3 CaO SiO² ou C³S 2 CaO SiO² ou C²S 3 CaO Al²O³ ou C³A 4 Ca0 Al²O³ Fe²O³ ou C4AF Tableau 1 : Composition chimique de clinker Minimum Perte au feu 0.1 4 1.3 7.? La magnésie ne réagit pas avec les autres constituants.0 MgO 1.05 Na²O 0.4 1. Bogue.3 2. Kühl. les oxydes principaux apportés par les matières premières se combinent entre eux pour former d’autres minéraux : Entre 600 et 1100°c ? ? ? ? Al²O³ 2 SiO² 2 H²O + 5 CaCO³ ? CA + 2 C²S + 2H²O ? + 5 CO² ? Fe²O³ + 2 CaCO³ ? C²F + 2 CO² ? SiO² + 2 CaCO³ ? C²S + 2 CO² ? CaCO³ ? C + CO² ? 74 ..3 1.2 0.05 K²O 0.6 0.4 0. Elle cristallise sous forme de périclase ou reste en solution solide dans la phase liquide.05 Cl 0 F 0. Une variation des constituants principaux (oxydes de calcium.8 Maximum 1.9 2. fluor. .15 Mn²O³ 0.7 Indice de saturation 84..8 3.2 SiO² 20. sulfate. Par contre.6 Module silicique 1. la minéralogie du clinker n’a pas encore livré tous ses secrets (tableau 2).) modifie d’une part l’aptitude à la cuisson du mélange cru et d’autre part les caractéristiques hydrauliques du clinker produit.1 5.8 Module aluminoferrique 0. titane.1 24..7 68.7 CaO 61. Lea et Parker. Les métaux lourds peuvent remplacer le fer dans certains cristaux.7 SO³ 0.8 Lors de la formation du clinker.. . Des travaux de Le Chatelier. de fer et d’aluminium) ou des éléments mineurs et secondaires (alcalis.05 TiO² 0.7 0. Michaelis.8 100.01 CaO libre 0.. phosphate. Les alcalis et les sulfates forment des sulfates alcalins ou réagissent avec l’aluminate tricalcique pour donner des cristaux d’alcali aluminate. de silicium.0 Al²O³ 3.7 Fe²O³ 1.1 0.05 P²O5 0. 2.7.1 Aluminoferrite C4AF 2.0.? Entre 1200 et 1450°c ? ? ? ? C²F + CA + C ? C4AF CA + 2 C ? C³A 2C + S ? C²S C²S + C ? C³S Tableau 2 : Composition minéralogique de clinker Minimum C³S 45.0 Alite Bélite C²S 5.. qui influencent la qualité du clinker produit.07 x CaO . périclase (MgO).6 x SiO² . métaux lourds.69 x Fe²O³ C4AF = 3. les résistances initiales et finales. le clinker contient du C³S associé à de la chaux libre : ? C³S = 3. sans aucune inclusion étrangère.0. Pour un clinker Portland ordinaire.6 Maximum 79. alcalis.04 x Fe²O³ Clinker sans C³A : ? ? ? ? C³S = 4. Les formules de Bogue sont utilisées mondialement pour calculer la composition minéralogique d’un clinker ou d’un ciment Portland.8 14.1. .43 x Fe²O³ C²S = 2.6 x SiO² .7 29.77 x Al²O³ C²F = 1. Clinker ordinaire : ? ? ? ? C³S = 4. Ce calcul fait l’hypothèse de la formation de réseaux cristallins bien définis.67 x Al²O³ Lorsque les valeurs calculées pour C²S sont négatives.75 x C³S C³A = 2.9 16.6.80 x SiO² .87 SiO² .35 x Fe²O³ 75 .65 x Al²O³ .72 x Al²O³ .0 Périclase MgO 0 Chaux libre CaO 0.7..07 x CaO .70 x Fe²O³ .5 5.8 Ces composants minéralogiques sont accompagnés d’éléments mineurs tels que chaux libre (CaO libre).86 x Fe²O³ C²S = 2.7 Aluminate C³A 1.2. et la durabilité (tableau 3).8 2.75 x C³S C4AF = 4. Sur mortier ISO la composition du clinker modifie la rhéologie.65 x Al²O³ .48 x Al²O³ .80 x SiO² ? CaO libre = CaO . et ne tient pas compte des oxydes secondaires apportés par les matières premières.2.1.0.4.1. la composition minéralogique est définie par les formules suivantes et calculée à partir de la composition chimique..87 SiO² . de modules ou d’indices chimiques. Une valeur élevée correspond à une valeur élevée de silice au détriment des agents fondants.2 Module silicique de Kühl ? SM = SiO² / (Al²O³ + Fe²O³) Le module silicique de Kühl est compris entre 1.3 3.7 x SO³ SiO² = SiO² totale – Résidu Insoluble Tableau 3 : Influence de la composition minéralogique du clinker sur les propriétés du ciment Portland en mortier ISO Besoin en Temps de Résistance Résistance Durabilité eau prise initiale finale C³S ? ?? ? C²S ? ?? ? C³A ?? ? ?? ? ? C4AF ? ? K²O. résultats des études de nombreux savants sur les mécanismes de formation et de réaction du clinker Portland. 3. la proportion des principaux constituants du clinker se calcule sous la forme de rapports. 3.5. Na²O ? ? ? ? SO³ ? ? ? 5 P²O ? ? - 3 Performances des ciments et composition chimique du clinker En pratique.? Dans le cas d’un ciment Portland les formules sont intégralement appliquées en tenant compte de la chaux non-combinée ou présente dans le régulateur de prise ou de la silice non combinée (résidu insoluble) : ? ? CaO = CaO totale .CaO libre – 0. 76 .5 et 5.7 et 2.1 Module hydraulique de Michaelis ? HM = CaO / ( SiO² + Al²O³ + Fe²O³ ) Le Module hydraulique de Michaelis est compris entre 1. Une valeur faible provoque un croutage excessif dans la zone de clinkérisation et nuit à la bonne marche du four.3 Module aluminoferrique de Kühl ? TM = Al²O³ / Fe²O³ Le module aluminoférrique de Kühl est compris entre 1.5 et 2. 8 x SiO² + 1.5 Module silicique 3.95 de chaleur initiales élevées ? Hautes résistances finales ? ? ? ? ? ? ? 77 .65 x Fe²O³ ) Le facteur de saturation de Lea et Parker est compris entre 0.4 Indice d’hydraulicité de Vicat ? HI = ( [SiO²] + [Al²O³] ) / ( [CaO] + [MgO] ) Les composants sont exprimés en moles et non en pour-cent.8 x SiO² + 1. Ce module exprime le rapport entre la chaux présente dans le mélange et la quantité de chaux qui peut être liée dans le clinker.5 ? Prise durcissement Prise et durcissement lent rapide ? Diminution du Favorise le croûtage dans le croûtage four Faible chaleur ? Prise rapide 1.5 Module 2.5 Module hydraulique 2. Il se présente aussi sous la forme ? LSF = 100 x CaO / (2. un standard en chaux élevé influe négativement sur la stabilité de volume du ciment hydraté (teneur en chaux libre).5 initiales faibles volume. Plus le standard de chaux est élevé.65 x Fe²O³ ) Il est alors compris entre 85 et 100.6 Facteur de saturation de Lea Parker ? LSF = CaO / (2.? 3.0.85 Indice de saturation 0.85 et 1. et plus la cuisson sera difficile et nécessitera un accroissement de la consommation calorifique nécessaire à la cuisson. L’indice d‘hydraulicité de Vicat est compris entre 0.5.5 ? Ciment alumineux d’hydratation aluminoferrique Ciment sans C³A Faible dégagement ? Résistances 0. 3. gonflement Diminution de la ? Cuisson difficile température de par manque de clinkérisation fondant 1.5 Indice de saturation de Kühl ? LSI = CaO / (2.18 x Al²O³ + 0.8 x SiO² + 1. 3.4 et 0.7 x Fe²O3) L’indice de saturation de Kühl est compris entre 0.85 et 1.1 x Al²O³ + 0. Tableau 4 : Critères chimiques de composition du clinker Inférieur ou égal Plage de variation acceptable Supérieur ou égal Résistances ? Stabilité de 1. Le standard de chaux permet de connaître le comportement du mélange à la cuisson et de prévoir la qualité du ciment. plus les résistances du ciment le seront aussi. Par ailleurs.18 x Al²O³ + 0. Il n’y a pas de formule idéale ou de formule universelle pour le clinker. 4. 4 Performances des ciments et éléments mineurs du clinker A côté de ces indices ou modules qui dépendent uniquement des éléments principaux. Des augmentations de la teneur en chaux libre peuvent provenir d’un dérèglement du processus de cuisson ou d’un manquement dans la préparation du cru : ? ? ? ? ? facteur de saturation en chaux (LSF) trop élevé broyage grossier ou hétérogénéité de la farine assimilation insuffisante des cendres injectées à la tuyère température de cuisson insuffisante décomposition de l’alite provoquée par une surcuisson ou un refroidissement trop lent du clinker ? conditions réductrices dans la zone de cuisson 4. 78 . Des clinkers bien cuits résultants d’un cru bien dosé et de bonne granulométrie présentent des teneurs inférieures à 2 %. Ces indices sont en règle générale préférés aux critères de composition chimique car ils offrent l’avantage d’exprimer les plus importants critères chimiques sous la forme d’un ratio.2 Eléments mineurs Les éléments mineurs influencent le processus de cuisson et les performances du clinker fabriqué. La composition du ciment Portland varie d’une cimenterie à l’autre principalement à cause des spécifications locales du ciment et de la composition chimique et minéralogique des matières premières de l’usine. parfois défavorablement le niveau des résistances à la compression ? les oxydes de manganèse et de chrome doivent être évités pour la fabrication du ciment blanc ou pour les possibilités d’eczéma du ciment. Toute la chaux ne peut être saturée et reste sous la forme de chaux non combinée ou chaux libre.? La longue pratique industrielle de fabrication du clinker Portland a fixé les limites de variation des différents indices (tableau 4). La chaux libre est un paramètre essentiel pour juger de la qualité et du degré de cuisson du clinker.1 Chaux libre Lorsque le facteur de saturation en chaux est supérieur à 100 %. Chaque fabrication est un cas particulier et produit un clinker unique. il y a déséquilibre entre les constituants. la teneur du clinker en éléments mineurs est aussi importante : ? une teneur en magnésie trop élevée entraîne des gonflements importants plusieurs années après la mise en place du béton ? une teneur en phosphate trop élevée retarde le temps de prise du mortier ? les sulfates alcalins influencent parfois favorablement. craie Décompose le C³S Ralentit la prise calcaire Matières premières. cycles Régulateur de prise. émissions de expansion huiles lubrifiantes SO². effet non usées. faible quantité ou la décompose en hydraulicité. Réduit la température de Effet retardateur. fuel Minéralisateur. laitier initiales Cendres volantes. se retrouve dans les Accélérateur du C³S émissions Inhibe la conversion du C²S Réduit la réaction alcalien C³S. huile usée Améliore la clinkérisation Adjuvant retardateur 79 . poussières. Décompose C³S en C²S et B²O³ est retardateur minerais de fer CaO libre Matières premières Réduit la température de Active l’hydraulicité. coke de pétrole. fuel Volatiles. le chlorure est grande quantité un accélérateur Bauxite. améliore les pétrole. Améliore l’aptitude à la Agent retardateur sous peintures cuisson. schiste. dans le four. fer température de cuisson augmente les résistances Cendres volantes. résidus Augmente la dureté Augmente la demande en d’huile eau.? As B Ba Br Cd Cl Co Cr Cu F I Li M n Ni P Pb S Sr Ti V Zn Tableau 5 : Principales sources des éléments mineurs. minerais de Décompose l’alite. Améliore la broyabilité. argile. huiles broyabilité et teinte Laitier. Volatile se retrouve dans les Retarde l’hydratation mais cendres volantes. stabilise la forme résistances charbons monoclinique de l’alite Matières premières. schiste. pneus fusion. charbon. bauxite. réduit la formation mesurable du C³S Matières premières. réfractaires sur la teinte initiales. Augmente l’hydraulicité pétrole. pneus. cycles Cl et Corrosion des armatures. charbon. se retrouve dans les En traces. schistes. clinkérisation augmente les résistances Cendres volantes Volatile se retrouve dans les Accélérateur du C³S émissions Cendres volantes. coke de Augmente la taille des alites. Effet sur la teinte Réduit les résistances cendres volantes. pneus. pneus. effet Augmente les résistances charbon. laitier. laitier Favorise l’alite en petite Expansion. minéralisation silice dans les bétons intensive Calcaire. favorise la Augmente les résistances formation du C³S initiales Charbon Volatile. formation de CaO l l’expansion due au sulfate Calcaire. pneus. sulfates alcalins Calcaire. coke de Volatile se retrouve dans les Accélérateur. réduit huiles lubrifiantes. Volatiles. huiles Volatile. concrétions. volatile forme d’oxyde Laitier. charbon poussières. réduit l’hydraulicité et les résistances Bauxite. anneaux accélère l’hydratation Cendres volantes. poussières n’influence pas les pneus résistances finales Pyrite. effet sur la teinte Cendres volantes. schiste. effets sur le clinker Sources Effet sur clinker Effet sur ciment Cendres volantes. réduit la Ralentit la prise initiale. charbon. laitier. laitier. diminuer fortement la durabilité des ouvrages en béton. par leurs réactions avec des granulats contenant une silice mal cristallisée. Pour les farines riches en éléments volatils. alcalis et soufre. les sulfates et les halogènes contenus dans les matières premières introduits avec les matériaux argileux ou avec les fondants. Leur concentration varie du ppm au dixième de pour cent. Les éléments volatils (alcalins. Tout ciment fabriqué doit se conformer aux impositions nationales et internationales en vigueur dans le pays. 4.658 x K²O Les oxydes secondaires récupérés dans les poussières de fours influencent le processus de cuisson lorsqu’elles sont réintroduites dans le four via la tuyère. 80 . Le ciment doit aussi respecter certaines caractéristiques exigées par le futur utilisateur qui induisent normalement des spécifications chimiques pour le clinker.2. sulfate et chlorure) provoquent des collages dans le système de cuisson et entraînent des dépôts. les alcalins sont très importants pour leur influence sur les propriétés du ciment (chapitre II. En forte concentration. sont parfois piégés et évacués du four avec le clinker. chapitre III fig 21 et 22). ou la qualité du ciment lorsqu’elles sont utilisées comme constituants secondaires (chapitre II 3).2. Ils se condensent alors dans les minéraux du clinker. et améliorent les propriétés et performances des ciments fabriqués. sont expulsés dans les gaz du four pendant la calcination et la clinkérisation. Quelques exemples de choix de matières premières sont donnés dans le tableau 6. 5 Impositions chimiques des normes Les normes et contraintes techniques de fabrication limitent le pourcentage de certains éléments dans le ciment fini et dans le mélange cru.2 Influence sur la qualité du clinker Les éléments volatils. Ils augmentent les résistances initiales du ciment. De nombreux autres constituants chimiques sont introduits dans le processus du four et se retrouvent finalement en grande partie dans le clinker. un by-pass est nécessaire pour éviter ces perturbations en prélevant une partie des gaz chauds chargés des éléments volatils.1 Influence sur le processus Les alcalis. principalement dans l’aluminate tricalcique.? 4. Une partie de ces éléments volatils s’échappent malgré tout du four par les fumées et polluent l’atmosphère. Dans les éléments mineurs. ils peuvent. Ils sont connus sous l’appellation d’éléments mineurs (tableau 5). Ils contrarient les écoulements de matières et de gaz et nécessitent parfois des arrêts des installations. Les alcalis sont souvent exprimés sous la forme alcalis équivalents ou Na²Oeq pour prendre en considération la différence de poids moléculaire du sodium et du potassium : ? Na²Oeq = Na²0 + 0. Ils se condensent par la suite dans les zones plus froides en amont du four et dans les poussières récupérées dans les filtres chargés de purifier les fumées avant d’être rejetées dans l’atmosphère. La fréquence des contrôles décrits dans les paragraphes suivants est différente dans les usines.? Tableau 6 : Choix des matières premières en fonction des impositions chimiques pour ciments normalisés ou particuliers Critère du ciment Portland Concentration usuelle dans Influence sur les matières le clinker (%) premières MgO < 5 % suivant spécifications ? Réduire la proportion de locales calcaire dolomitique dans la farine du four Ciment Portland à faible teneur en alcalis Na²Oeq = Na²O+0. Par exemple : 81 .658xK²O Ciment à faible teneur en C³A <8% <3% ? ? Chlore < 0. le dégagement de poussières les matières premières cristallisées sur la dégradation de la réactivité de la farine 6 Contrôle des procédés de fabrication et d’homogénéisation du clinker Il n’y a pas de mode opératoire universel pour évaluer la qualité du clinker.1 % ? ? ? ? ? < 0.6 % Choisir des matériaux avec des teneurs en alcalis très faibles pour la fabrication du ciment Low Alcali Choisir matériaux avec faible concentration en alumine Compenser alumine par un apport en fer Surveiller l’apport de sulfate dans le clinker Surveiller l’apport de chlore dans le clinker Utilisation de calcaire de très haute pureté Eliminer toutes les sources de fer Ciment blanc Fe²O³ et autres oxydes métalliques < 0. l’aptitude à la cuisson. Ces méthodes sont maintenant perfectionnées avec la mise au point d’analyseurs modernes et l’utilisation de l’outil informatique.3 % Il ne faut pas non plus oublier que la chimie joue un rôle important sur les équipements de préparation du cru et de cuisson : ? ? ? ? l’aragonite (CaCO³) sur l’élévation de la consommation énergétique lors du broyage séchage le quartz sur le broyage et la stabilité du collage dans le four l’argile sur la rhéologie de la pâte. L’exploitation de ces analyses dépend des conditions locales au niveau des matières premières et du procédé. Il existe cependant de nombreuses techniques mises au point par les cimentiers du début du siècle. ). C³A. A partir des résultats individuels. il existe une corrélation particulière entre le poids du litre et la teneur en chaux libre du clinker. 6.5 Choix de la méthode de contrôle Le chimiste choisit les grandeurs chimiques et physiques nécessaires pour un suivi de la production en fonction des objectifs fixés et des performances obtenues.2 Analyse chimique L’analyse chimique consiste à déterminer la proportion des oxydes principaux (SiO². Ce ciment de laboratoire est broyé à temps ou à finesse constante pour évaluer aussi sa broyabilité. La détermination de la chaux libre est particulièrement importante pour juger le degré de cuisson et la qualité du clinker.3 Analyse minéralogique Les modules chimiques et la composition minéralogique sont généralement calculés à partir de l’analyse chimique du clinker. CaO libre) peut être déterminée d’une manière semi-quantitative par diffraction des rayons X ou par une analyse modale microscopique.? ? ? ? ? une analyse de la teneur en sulfate dans la farine au bas de la tour a vec une fréquence de 2 heures est parfois nécessaire pour la surveillance d’un procédé en voie sèche l’analyse chimique du clinker n’apporte aucun renseignement complémentaire lorsque la cimenterie n’utilise pas de combustibles cendreux à la tuyère la détermination du K²O permet dans certaines conditions d’anticiper les variations de la teneur en chaux libre du clinker … A ce stade la collaboration du laboratoire et des services de production doit être totale car la qualité du clinker dépend de la chimie et de la cuisson de la farine. Al²O³. 82 . fluorescence et diffraction des rayons X. 6. C²S. C4AF. spectrométrie d’absorption atomique ou infra rouge. il calcule pour sur des périodes fixes (journalière. Elle est exprimée sur matières sèches ou matières calcinées et doit être complétée par la détermination de la perte au feu. 6. Il établit des tableaux de données reprenant les résultats représentant la production à un moment donné (échantillon instantané ou ponctuel) ou une période de production (échantillon moyen).4 Propriétés physico-chimiques du clinker Les propriétés physico-chimiques du clinker sont évaluées sur un ciment de laboratoire composé de 95 % du clinker à tester et de 5 % de gypse de référence. . Fe²O³.1 Densité apparente du clinker Cette méthode connue généralement sous le nom de poids du litre consiste à mesurer le poids d’un litre d’une fraction granulométrique du clinker.. Les méthodes volumétriques et gravimétriques sont maintenant remplacées par des techniques analytiques qui utilisent les derniers perfectionnements de la technique (conductimètre. torche plasma.. .. CaO) et secondaires (CaO libre. en Belgique. 6. 6. Par exemple la corrélation entre le poids du litre du clinker et la teneur en chaux libre est différente pour les 2 fours de l’usine d’Obourg. Alcalis.. Pour chaque four. La composition minéralogique (C³S..). alimentés par le même cru (figure 7). 7 0.85 Minimum 93.0 15.1 10.3 3.7 6.3 3. Tableau 9 : caractéristiques rhéologiques et mécaniques annuelles du four (308 mesures) Blaine Stab Dbt prise Fin prise Eau RC 2j RC 28 j (cm²/g (mm) (min) (min) (%) (MPa) (MPa) Moyenne 3485 3.2 34.10 Coeff var 1.5 3.0 29.8 15.03 6.2 6.2 9. Tableau 8 : Caractéristiques chimiques annuelles du four (308 mesures) LSF C ³S C²S C³A C4AF CaO L K²O SO³ (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) Moyenne 97.06 0. mensuelle.X m )² ? = ? (?² ) 6.9 1.4 Minimum 3338 0 70 120 22.8 30.1 )] x ? ni ( X i . le contrôle chimique doit être accompagné de mesures sur ciment de laboratoire toujours préparé dans les mêmes conditions (composition et conditions de broyage).0 Maximum 3841 56 150 310 23.4 7.0 0.? hebdomadaire.32 9.67 0.0 0.9 13.1 45.30 0.22 E type 1.3 1.49 0.33 0.9 68.50 0.6 62.8 Pour juger de la marche du four.38 Maximum 101.2 210 14.8 0.8 0.1 11.8 21.5 76.1 2.2 12.25 2.40 0.4 8.7 23. Les tableaux 8 et 9 résument les résultats les plus importants que l’on peut obtenir à partir de ce contrôle journalier et les corrélations significatives qui existent entre les différents paramètres mesurés (figures 10 à 24).2 13.9 P²O5 (%) 0.3 5.1 11.7 E type 78 7.5 66.9 18. Le contrôle chimique n’est pas suffisant : une composition chimique correcte n’est pas une certitude absolue de qualité du clinker car elle peut simplement signifier que la composition de la farine est correcte.7 105 184 22.1 0.7 22.1 51.8 Coeff var 2. annuelle) les caractéristiques de la production avec les paramètres de : ? valeur moyenne X m = ( 1 / N ) x ? n i ( X i ) ? dispersion ? écart type ? ² = [1 / (N .8 33 0.2 4.3 0.6 Interprétation des résultats d’un contrôle journalier d’un four Il est intéressant pour une cimenterie d’instaurer un contrôle journalier de la production du four.7 0.1 Corrélation entre les résistances initiales et finales (tableau 10) 83 . il y a une bonne corrélation entre les résistances initiales et finales. Il s’agit d’un four en voie humide (résistances initiales réduites. 84 . résistances finales élevées).? Contrôles de fabrication du clinker 80 RC 28j (MPa) 70 60 50 40 15 20 25 RC 2j (MPa) 30 35 Tableau 10 Pour ce four. 85 .? Influence du LSF sur les résistances à la compression d’un ciment de laboratoire (figures 11 et 12) Contrôles de fabrication du clinker 35 RC 2j (MPa) 30 25 20 15 90 95 LSF (%) 100 105 Figure 11 Contrôles de fabrication du clinker 80 RC 28j (MPa) 70 60 50 40 90 95 LSF (%) 100 105 Figure 12 Dans la plage de variation observée. le LSF influence favorablement la résistance initiale et reste sans grand effet sur la résistance finale. le C³S est parfaitement corrélé avec le facteur de saturation. En fait. 86 .? Influence du C³S sur les résistances à la compression d’un ciment de laboratoire (figures 13 et 14) Contrôles de fabrication du clinker 35 RC 2j (MPa) 30 25 20 15 50 55 60 C³S (%) 65 70 75 Figure 13 Contrôles de fabrication du clinker 80 RC 28j (MPa) 70 60 50 40 50 55 60 C³S (%) 65 70 75 Figure 14 Le C³S est favorable au développement des résistances initiales et n’influence pratiquement pas les résistances finales. Par contre à 28 jours. 87 .? Influence du C²S sur les résistances à la compression d’un ciment de laboratoire (figures 15 et 16) Une augmentation du C²S (ou une réduction du C³S) est défavorable au développement initial des résistances. l’augmentation du C²S compense la diminution du C³S. 88 . l’influence du C³A sur les résistances n’est pas mis en évidence. Les résistances à 24 heures ne sont pas mesurées.? Influence du C³A sur les résistances à la compression d’un ciment de laboratoire (figures 17 et 18) Contrôles de fabrication du clinker 35 RC 2j (MPa) 30 25 20 15 6 8 10 C³A (%) 12 14 Figure 17 Contrôles de fabrication du clinker 80 RC 28j (MPa) 70 60 50 40 6 8 10 C³A (%) 12 14 Figure 18 Dans les conditions d’essais. Une augmentation de la chaux libre est le signe d’une dégradation de la qualité de la cuisson.? Influence de la chaux libre sur les résistances à la compression d’un ciment de laboratoire (figures 19 et 20) Contrôles de fabrication du clinker 35 30 25 20 15 0 2 CaO libre (%) 4 RC 2j (MPa) Figure 19 Contrôles de fabrication du clinker 80 RC 28j (MPa) 70 60 50 40 0 1 2 3 CaO libre (%) 4 5 Figure 20 La chaux libre est un facteur défavorable pour le développement des résistances. 89 . 4 K²O (%) 0.8 RC 2j (MPa) Figure 21 Contrôles de fabrication du clinker 80 RC 28j (MPa) 70 60 50 40 0.8 Figure 22 Les alcalis sont favorables au développement des résistances i nitiales et contrarient les résistances finales.6 0.6 0. 90 .4 K²O (%) 0.2 0.? Influence des alcalis sur les résistances à la compression d’un ciment de laboratoire (figures 21 et 22) Contrôles de fabrication du clinker 35 30 25 20 15 0.2 0. a conduit à l’utilisation de composés 91 .1 Les minéralisateurs et les fondants L’obtention d’une bonne aptitude à la cuisson (voir chapitre 4) à cause d’une saturation en chaux élevée ou de matières premières peu réactives.2 0.? Influence des sulfates du clinker sur les résistances à la compression d’un ciment de laboratoire (figures 23 et 24) Contrôles de fabrication du clinker 35 30 25 20 15 0.8 Figure 24 Le comportement du sulfate apporté par le clinker est identique au comportement des alcalis.4 SO³ (%) 0.8 RC 2j (MPa) Figure 23 Contrôles de fabrication du clinker 80 RC 28j (MPa) 70 60 50 40 0.2 0. Une autre approche consiste à travailler sur les matières premières 7.6 0. 7 Les économies d’énergie L’industrie mondiale du ciment met l’accent de façon croissante sur une amélioration de la productivité par la réduction des coûts de fabrication du clinker et du ciment tout en maintenant la qualité du produit fini par l’utilisation de moyens de production de plus en plus performants et par le suivi de la qualité des produits à l’aide de systèmes de contrôle informatisés et automatiques.4 SO³ (%) 0.6 0. Il est donc possible de produire un clinker à une température de cuisson plus basse avec des résistances à la compression comparables à celles du ciment ordinaire. 7. les matières phosphatées ou les laitiers métallurgiques sont d’autres types de minéralisateur. L’utilisation de minéralisateurs pour obtenir une meilleure réactivité du mélange cru a été appliquée.? dits minéralisateurs.SiO²]CaCO³ la spurrite. Lors de l’utilisation de matériaux de substitution. la silice et le carbonate de calcium forment une combinaison silicocarbonatée. Elles modifient la phase liquide dans le four et abaisse la consommation calorifique (10 calories par pour cent de scories). par de nombreuses usines au Mexique et en Inde. Dès 1882. Une attention particulière doit aussi être portée à la qualité du clinker qui se charge en métaux lourds. 92 . L’utilisation de matériaux de substitution nécessite la mise en place d’un procédé de contrôle particulier pour gérer l’introduction des métaux lourds avec les matières premières et leur distribution dans les fumées. des précautions particulières doivent être prises pour la protection de l’environnement au niveau des fumées. Le ciment produit avec ce clinker est caractérisé par un niveau de résistance à la compression plus élevé que celui du ciment ordinaire. Ces minéralisateurs sont généralement des sels de fluor (spath fluor). les poussières et le clinker produit par le four. l’utilisation de fluorure de calcium est signalée comme agent fondant facilitant la cuisson du clinker Portland. qui favoriserait la transition entre le silicate bicalcique et le silicate tricalcique à des températures inférieures à la normale. En présence de spath fluor. Le clinker retient les éléments nocifs sous une forme combinée et solide (tableau 25). Le minéralisateur réduit la consommation calorifique et/ou augmente le débit du four et/ou améliore la qualité du clinker.2 Les matériaux de substitution Le recyclage des déchets d’autres industries est facilité par les réactions chimiques qui se produisent entre les composants minéraux de ces déchets et les composants minéraux de la farine. Le processus complexe de réaction du minéralisateur qui dépend des caractéristiques chimiques de la farine. ces derniers temps. Les scories d’aciérie LD jouent aussi un rôle intéressant dans ce domaine.2 % sur clinker augmente la production du four de l’ordre de 5 % tout en maintenant la chaux libre sous le pour cent. 2[2CaO. n’est pas encore parfaitement connu. Elles apportent par la tuyère du fer et du C²S. l’anhydrite. D’une manière générale. le minéralisateur accélère une ou plusieurs étapes du processus de fabrication du clinker : ? ? ? ? ? accélération de la décomposition du CaCO³ accélération des réactions à l’état solide augmentation de la quantité de phase fondue diminution de la température de formation du clinker fondu influence sur l’activité hydraulique des phases du clinker. Il est particulièrement indiqué pour la p roduction de clinker Portland avec un facteur de saturation et un module silicique élevés. Le four de cimenterie est un incinérateur performant des déchets organiques tandis que les métaux lourds sont englobés dans les minéraux du clinker et encapsulés dans les hydrates produits dans les bétons. Une teneur de 0. Le gypse. ? Tableau 25 : Les matériaux de substitution Matériaux cendreux ? ? ? Laitier Cendres volantes Boue de sciage ? ? ? ? ? ? Combustibles cendreux Boue de papeterie Coke de pétrole Résidus de plastic Ordure ménagère Pneus Sciures imprégnées ? ? ? ? ? Combustibles liquides Déche ts organiques Solvants Huile usagée Résidus de peinture Déchet d’asphalte ? ? Combustibles gazeux Gaz de décharge Gaz de pyrolyse 93 . ? Chapitre I V La composition chimique du cru 94 . 80 39..07 0.00 9.34 0.80 .30 81.00 45.45 0.81 0.01 0.59 2.83 0.53 72.04 1. schiste.03 0.06 0.04 0.03 0. Ces opérations sont automatisées au niveau de la technique de fabrication et du contrôle de laboratoire.1 Introduction Le clinker est obtenu par cuisson à 1450°c d’un mélange homogène.20 45.60 0.59 0.16 0.02 0.60 2.00 0.10 0.75 1.58 1.12 0.25 0.24 0.06 0. sable.07 0. cendres volantes. L’argile est remplacée ou complétée par un ensemble de matières premières apportant silice.10 14. alumine et fer : laitier de haut fourneau.05 39.27 79.04 12.81 33.07 0. bien défini.25 0.04 0.10 2. Toutes les unités de fabrication comportent des équipements de ? de préhomogénéisation des matériaux en carrière ? de dosage et de broyage des constituants ? d’homogénéisation de la farine broyée pour alimenter le four.06 1.10 0.22 0.01 0.50 4.85 0.50 0.03 12.11 0.10 16.84 1.33 9.27 76.01 0.50 0.20 0.50 1.02 0.05 0.64 0. résidu de pyrite.63 0.50 Perte au feu SiO² Al²O³ Fe²O³ CaO MgO SO³ K²O Na²O TiO² Mn²O³ P²O5 Cl F Cr²O³ SrO C CaCO³ Exemple 39.00 3.10 0. Le cimentier mélange plusieurs matériaux de composition chimique (tableau 1) ou de composition minéralogique (tableau 2) différentes pour préparer le cru destiné à la fabrication du clinker.04 0. bauxite .20 0.00 3.01 0.10 0. Les processus de fabrication diffèrent sans doute au niveau du procédé mais les réactions chimiques de calcination et de clinkérisation sont identiques.04 0. Tableau 1 : Composition chimique de mélanges « cru » Moyenne Ecart-type Minimum Maximum 35.12 0..03 0.03 0.26 0..07 1.00 4.53 9.80 42.46 0. Cette définition théorique se rencontre rarement dans les cimenteries modernes. Le calcaire ou la craie est le matériau commun à toutes les unités modernes de production.10 0.20 1.16 0. de calcaire et d’argile.06 0.50 0.40 0.01 0.10 9.08 0. …. les clinkers destinés à la fabrication d’un ciment à haute résistance initiale ou finale. à faible chaleur d’hydratation. le chimiste doit définir des consignes de fabrication en fonction de la qualité et du type de ciment à produire.Ca)O2Al²O³10SiO² 0 6 Amorthite Al²Ca(SiO4)² 0 5 5 4 11 Actinolite Ca²(MgFe) (OH)²(Si O )² 0 1 Hédenbergite FeCa(SiO³)² 0 2 Riebeckite FeSiO³2FeNa(SiO³)² 0 1 Méta halloysite Al²Si²O5(OH)4 0 1 Kaolinite Al²O³2SiO²2H²O 0 8 Mica (K. Les consignes de fabrication du mélange cru sont définies à partir des caractéristiques visées pour le clinker et dépendent aussi des paramètres de fonctionnement du four : 114 .Mg)0.. Al²O³2SiO² 0 8 4 Pyrophyllite Al²H²(SiO³) 0 1 Montmorillonite Al²Si4O12H²H²O 0 10 Chlorure Cl 0 6 Heulandite 6SiO²Al²O³(CaN²)05H²0 0 2 Anhydrite CaSO4 0 1 2 Calcul de la composition du cru à partir des caractéristiques du clinker 2.Tableau 2 : Composition minéralogique de mélanges « cru » Formule Minimum Maximum Calcite CaCO³ 4 80 Aragonite CaCO³ orthorhombique 0 74 Dolomie CaCO³ MgCO³ 0 5 Ankerite 2CaCO³ MgCO³ FeCO³ 0 8 Quartz Si(SiO4) rhombique 1 12 Tridymite SiO² orthorhombique 0 1 Cristobalite SiO² cubique 0 5 Pyrite FeS² 0 1 Hématite 3Fe²O³ 3H²O 0 3 Magnétite Fe³O 4 0 2 Goethite Fe²O³ H²O 0 1 Boehmite Al²O³ H²O 0 2 Bayerite Al(OH)³ 0 1 Sidérite FeCO³ 0 1 Fluorine CaF² 0 1 Microcline (K. Ces différences de qualité et de composition de clinker se répercutent sur les caractéristiques à viser lors de la préparation de la farine en voie sèche ou de la pâte en voie humide. à prise rapide.Na)²Al²Si6O16 0 2 K feldspath K²OAl²O³6SiO² 0 4 Albite Na²OAl²O³6SiO² 0 4 Na feldspath (Na². Généralement. n’ont pas les mêmes compositions et les mêmes indices chimiques. à faible concentration en C³A.1 Les consignes de fabrication Avant de débuter une nouvelle fabrication ou de modifier la proportion d’un composant du mélange cru dans un processus établi. . Dans bien des cas. ou retrait (poussières d’électrofiltres) de matières pendant la cuisson dans le four. la quantité de matières injectées dans le four. poussières d’électrofiltres.. Ces matières. Toutes les matières introduites sous forme de farine ou de pâte se retrouvent intégralement dans le clinker. être utilisées dans une application étrangère à la cimenterie (en agriculture par exemple) et influencer la chimie du clinker. peuvent aussi introduire dans le four des cendres de combustibles qui modifient la composition finale du clinker ? les poussières.2 Consignes chimiques du cru identiques au consignes du clinker Lorsque toutes les matières premières cendreuses sont introduites dans le mélange cru et que toutes les poussières récupérées dans les électrofiltres sont réinjectées dans le four via la farine ou la tuyère. en fonction de leur tonnage et de leur composition chimique peuvent avoir un impact très important sur la chimie du clinker (tableau 3). sous la forme de pâte ou de farine. dégagées dans le four et récupérées dans les électrofiltres. Le cimentier. 2. additions diverses Four Pâte. peuvent être réinjectées via le cru ou la tuyère. être déviées vers les installations de broyage du ciment. dans ce cas. . le chimiste calcule la composition du cru en fonction ? des consignes visées pour le clinker ? du mouvement des matières dans le four. 2.). les consignes de fabrication du cru sont identiques aux consignes de fabrication du clinker. est égale à la quantité de matières produites sous la forme de clinker et dégagées du four sous la forme de poussières ou de fumées. n’injecte que des calories à la tuyère du four. Quel que soit le procédé.3 Consignes chimiques du cru différentes des consignes clinker Il arrive bien souvent que les consignes imposées par la fabrication du cru ne permettent pas d’obtenir un clinker convenable sans addition supplémentaire (cendres de charbon. sec ou calciné). Tableau 3 : Mouvements des matières dans le four Cendres de charbon. farine Poussières dégagées Poussières injectées Sur matières calcinées.? les matières injectées à la tuyère du four qui apportent des calories. Il est évident que cette égalité ne se vérifie que pour un état uniforme des matériaux (brut. le bilan de matières dans le four s’exprime suivant l’égalité : 115 . Farine + Combustibles cendreux + Poussières de four injectées + Additions diverses = Clinker + Poussières dégagées 3 Choix des matières premières en fonction des caractéristiques recherchées pour le clinker Avant de fabriquer. Une nouvelle matière première doit être recherchée pour répondre à l’objectif de fabrication. 116 . le chimiste étudie les possibilités de combiner les matières premières disponibles pour obtenir le clinker désiré. Quelle que soit la caractéristique utilisée pour calculer un mélange cru à partir de 2 composants ou plus. le chimiste peut modifier les consignes de fabrication pour utiliser un matériau d’appoint particulièrement intéressant pour diminuer le prix de revient de fabrication par exemple. la cimenterie est parfois amenée à utiliser des matières premières particulières : ? de l’argile de découverte d’une carrière ? un minerai reçu qui ne peut pas être stocké dans de bonnes conditions Le choix des matières d’appoint doit alors être fait en conséquence. Dans le cas contraire. la production du mélange cru à la consigne visée. la caractéristique d’au moins un composant doit être égale ou inférieure à la consigne et la caractéristique d’au moins un autre composant doit être supérieure à la consigne. la fabrication du clinker ne sera réalisable que lorsque au moins un module silicique d’un des constituants sera inférieur à la consigne. Mélange cru réalisable Consigne Matériau 1 < Matériau 2 < Consigne Matériau 1 < Mélange irréalisable Matériau 1 < Matériau 2 < Matériau 2 < Consigne Pendant certaines périodes. Si l’on se fixe par exemple une consigne de module silicique. Pour des motifs économiques. n’est pas réalisable. et lorsque au moins un module silicique d’un des constituants sera supérieur à la consigne. Voici une liste non exhaustive de contrôles réalisés dans différentes situations : ? ? ? ? ? l’humidité d’une argile ou d’un matériau correcteur : pourquoi payer pour transporter de l’eau ? le titre en carbonate d’un sable argileux : pourquoi payer le transport de carbonate de calcium disponible à proximité de la cimenterie lorsque l’usine manque de matières siliceuses ? le titre en fer ou en alumine d’une matière de correction : c’est le fer ou l’alumine qui intéresse l’usine la teneur en soufre et le pouvoir calorifique d’un combustible dont le prix est fixé à la thermie …. Des essais d’aptitude à la cuisson complètent utilement les données recueillies par le laboratoire (voir paragraphe 7. 5 Méthodes de calcul du mélange cru Il n’existe pas une procédure universelle de calcul de la composition d’un cru.2 Contrôles de réception des matières premières Les contrôles de réception des matières premières acceptées dans le processus sont plus légers. Ce nouveau matériau peut perturber les phases de préparation du cru et de cuisson du clinker. …). chimique et minéralogique du matériau pouvant influencer le procédé.4 Les analyses de caractérisation et de réception des matières premières La caractérisation et les contrôles de réception des matières premières jouent un rôle important dans le choix des matières premières et dans le calcul du mélange cru à fabriquer.1 Caractérisation d’une nouvelle matière première pour la préparation du cru Le laboratoire doit être vigilant lors de l’introduction d’une nouvelle matière première dans le procédé de cuisson. Ils sont souvent limités à la détermination d’une ou plusieurs caractéristiques de base du matériau (titre en carbonate d’un calcaire. les coûts de transport sont importants et il est intéressant de fixer des limites (maximales ou minimales). Ils sont destinés à mettre en évidence les valeurs moyennes et les variations des caractéristiques granulométrique.1 de ce chapitre) pour mettre en évidence par exemple. Des analyses granulométrique. Le nouveau matériau peut aussi détériorer la qualité du produit final. et de contrôler leur respect par le producteur. Elles doivent cependant respecter quelques principes de base. 4. chimique (majeurs et mineurs) et minéralogique sont nécessaires pour caractériser le nouveau matériau. de silice colloïdale. titre en fer des minerais de fer). Lorsque les matériaux proviennent de régions éloignées. 117 . Généralement. les propriétés de broyabilité de ce nouveau matériau et sa réactivité (silice sous la forme de quartz. Toutes les fabrications sont des cas particuliers. de silicate. 4. ces contrôles de réception servent aussi à établir la facturation des matériaux achetés à l’extérieur de l’entreprise. une valeur supérieure (ou inférieure). le chimiste ne peut résoudre le problème posé sans adapter une consigne ou introduire (ou supprimer) une matière première. 5.. Inconnues : ? Tonnage des différentes matières premières La quantité des différents matériaux qui constituent le cru.2 Détermination d’un mélange cru à l’aide d’un module ou d’un indice 118 . Equations ou inéquations : ? bilan pondéral du cru la somme des matériaux utilisés pour la fabrication ? consignes de fabrication viser une valeur précise.. Elle est utilisée pour un contrôle horaire ou journalier. Bilan pondéral de matière ? T 1 + T 2 = T cru Titre en carbonate ? T 1 x CaCO³ 1 + T 2 x CaCO³ 2 = T cru x CaCO³ cru 5. un titre en carbonate. Le calcul de ce mélange peut naturellement être effectué par la résolution d’un système de 2 équations (le bilan pondéral et la détermination du titre en carbonate dans le cru) à 2 inconnues (la proportion des 2 constituants).1 Détermination rapide d’un mélange à 2 composants On calcule rapidement la proportion de deux constituants d’un mélange grâce au titre en carbonate de calcium des 2 composants. Par contre la méthode n’est pas suffisante pour la mise au point d’une composition de cru pour la fabrication d’un clinker particulier sans autre connaissance des caractéristiques des constituants. . une plage pour le module silicique. Ce système est résolu lorsque le nombre d’équations n est égal au nombre d’inconnues m et que les tonnages proposés par la solution sont positifs ou nuls.Dans tous les cas. Le rapport des deux différences entre la teneur en carbonate de calcium d’un constituant et la teneur en carbonate de calcium visée donne la proportion des deux constituants. Dans toutes les autres situations. une teneur en fer.. le calcul de composition consiste à définir et à résoudre un système de n équations ou inéquations à m inconnues. Cette méthode rapide ne nécessite que la connaissance du titre en carbonate des constituants. Bilan pondéral ? T 1 + T 2 + T 3 = T cru Indice de Saturation LSF ? S = ( T 1 x CaO 1 + T 2 x CaO 2 + T 3 x CaO 3 ) x 100 / (T 1 x SiO² 1 + T 2 x SiO² 2 + T 3 x SiO² 3 ) + (T 1 x Al²O³ 1 + T 2 x Al²O³ 2 + T 3 x Al²O³ 3 ) + ( T 1 x Fe²O³ 1 + T 2 x Fe²O³ 2 + T 3 x Fe²O³ 3 ) Proportion fixe du matériau T 1 ? T 1 = K 1 119 .. et par des impératifs de fabrication (disponibilité du matériel. ? CaO / ( SiO² + Al²O³ + Fe²O³ ) compris entre 1.Le calcul à l’aide d’un indice est identique pour toutes les situations de mise au point d’un mélange cru à partir de 2 composants. Par exemple. de Michaelis. en aluminium. 5..3 Détermination d’un mélange à 3 composants et plus Le calcul d’un mélange à 3 composants ou plus est une extension du calcul du mélange à 2 composants. Dans ce paragraphe. Michaelis a défini un module chimique pour le calcul du cru. Bilan pondéral de matière ? T 1 + T 2 = T cru lndice de Michaelis ? ( T 1 x CaO 1 + T 2 x CaO 2 ) / (T 1 x SiO² 1 + T 2 x SiO² 2 )+(T 1 x Al²O³ 1 + T 2 x Al²O³ 2 )+( T 1 x Fe²O³ 1 + T 2 x Fe²O³ 2 ) Ce calcul est réalisé sur matières sèches ou matières calcinées.. . nous utilisons l’indice de Michaelis comme exemple. …) : ? indice de saturation. il faut définir au préalable les équations du système à résoudre en prenant dans tous les cas le bilan pondéral comme première équation. ou par tout autre module. Il peut être répété pour toute mise au point à partir d’un autre indice ou d’un autre module. ? proportion d’un constituant dans le cru ou proportion d’un constituant par rapport à un autre. T 2 . Ces équations sont définies à partir des caractéristiques fixées pour le mélange cru par des objectifs de qualité du clinker ou du ciment. . est défini par le système d’équations. A partir de ses expériences. nécessite la connaissance de la composition chimique des constituants. Le calcul de ce mélange est effectué par la résolution d’un système de 2 équations (le bilan pondéral et la détermination de l’indice de Michaelis dans le cru) à 2 inconnues (la proportion des 2 constituants). Aluminoferrique. le calcul d’un mélange cru à partir de 3 composants (T 1 .7 et 2. ? teneur du cru en fer.3. Le calcul des constituants par le module de Michaelis. Pour réaliser ce calcul de composition..T 3) sur base du module de saturation LSF = S et en fixant la proportion du matériau T 1 = K 1 % dans le mélange cru. Il est impératif de stabiliser le plus possible en amont de la chaîne de production. Supposons l’exploitation d’une carrière composée de 3 bancs de calcaire de titre en carbonate différent : ? Niveau 1 ? Niveau 2 ? Niveau 3 92 % de CaCO³ en moyenne 70 % de CaCO³ en moyenne 80 % de CaCO³ en moyenne Le calcaire est amené à proximité du concasseur à l’aide de camions de 30 tonnes et l’analyse des chargements est repris dans le tableau 4. il est intéressant de préparer un préstock. lorsque le site d’exploitation est éloigné. près du concasseur primaire.6 Contrôle des procédés de fabrication. Avant d’arriver à ce stade d’élaboration. à exploiter ? successivement sur les 3 niveaux disponibles en carrière (150 t du niveau 1. pour atténuer les variations de débit et de qualité. de préhomogénéisation et d’homogénéisation du cru L’alimentation des fours requiert une matière sous forme de farine ou de pâte. le cru alimentant le four subit en général des traitements préalables : ? ? ? ? ? ? ? ? extraction préstockage concassage préhomogénéisation dosage séchage broyage homogénéisation. suivi de 150 t du niveau 3). la variation de qualité de l’alimentation du concasseur primaire. L’usine a besoin d’un volume de 450 tonnes de calcaire. introduit directement dans le concasseur le calcaire 120 . Ces opérations de préparation des matières premières sont suivies avec grand soin par le laboratoire de la cimenterie. 6. la composition chimique (et minéralogique) des matières premières utilisées pour la fabrication du cru.1 Préhomogénéisation en carrière Lorsque la carrière de calcaire ou d’argile est hétérogène. suivi de 150 t du niveau 2. Il est évident que la mise sur le même préstock de calcaire ou d’argile extraits de strates de compositions différentes atténue. Les opérations d’homogénéisation sont essentielles pour la réussite du procédé de cuisson en cimenterie et pour assurer une qualité constante de clinker et de ciment. le chimiste commande l’exploitation des plusieurs niveaux en carrière de manière à mélanger des strates riches et des strates pauvres. Cette manière de travailler est intéressante pour compenser les variations de débits provoquées par des difficultés d’extraction ou de transport des matériaux en cas de mauvaises conditions climatiques. ayant la finesse et la composition chimique désirées. A partir des sondages préliminaires. dans tous les cas. 0 81.3 71.0 91.7 78.0 92.0 80.0 71.3 92.0 77. 121 .5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Moyenne Ec type Nivea Nivea Nivea Sortie u1 u2 u3 90 70 80 92 70 85 95 75 75 90 65 80 92 70 80 90.3 81.1 Par cette simple opération de constitution d’un préstock en carrière. Tableau 4 : Caractéristiques des camions des 3 niveaux (CaCO³ %) Camion Niveau 1 Niveau 2 Niveau 3 1 90 70 80 2 92 70 85 3 95 75 75 4 90 65 80 5 92 70 80 En supposant une homogénéisation de 3 camions successifs pendant l’opération de concassage.0 76.3 3.0 80.7 80. Tableau 5 : Simulation d’exploitation avec et sans préstock en carrière (CaCO³ %) Sans préstock Avec préstock Nivea Nivea Nivea Sortie u1 u2 u3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Moyenne Ec type 90 92 95 90 92 70 70 75 65 70 80 85 75 80 80 90.7 80.3 80.0 70.3 84.7 81.3 83. on calcule les variations du titre en carbonate du calcaire à la sortie du concasseur avec ou sans préstock (tableau 5).7 78.0 80..? en parallèle sur les 3 niveaux .3 79.0 80.7 80. la dispersion du titre en carbonate est diminuée de plus de la moitié pour la sortie du concasseur primaire (figures 6 et 7).3 85.0 80.7 82.0 78. elle constitue un préstock à proximité du concasseur primaire avant d’alimenter ce dernier.3 8.7 70.3 92. Actuellement. La 122 .Variation du titre en carbonate du calcaire sans préstock Titre en carbonate (%) 100 90 80 70 60 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Camion Camion Sortie Figure 6 Variation du titre en carbonate du calcaire avec préstock Titre en carbonate (%) 100 90 80 70 60 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Camion Camion Sortie Figure 7 6. le cimentier introduit de 50 à 80 % des additions siliceuses lors de la constitution du tas de préhomogénéisation. Le solde est introduit lors du broyage final de la farine en fonction des analyses obtenues à la sortie de l’installation de broyage. n’est plus suffisante et il est nécessaire d’installer d’autres méthodes d’homogénéisation. Lorsque la composition des matières premières p résente des fluctuations importantes. le calcaire présente les fluctuations de caractéristiques les plus importantes. Suivant les variations de composition. La méthode adoptée est celle du parc de préhomogénéisation utilisée depuis de nombreuses années dans les industries de traitement des minerais et charbons. la technique d’extraction sélective. le stockage s’effectue avec préhomogénéisation simultanée des composants calcaire et siliceux en fonction des proportions déterminées lors de l’échantillonnage en carrière. vu l’accroissement des capacités de production des cimenteries modernes et l’accroissement subséquent de la taille des engins en carrière. Auparavant on évitait cet inconvénient en pratiquant une extraction sélective en carrière pour réduire les fluctuations du titre en carbonate de calcium. équivalente à la technique du préstock.2 Préhomogénéisation en tas Parmi les composants du cru. à partir d’un seul point de déversement au faîte du toit. La granulométrie de la matière est plus grossière au bas du stock et plus fine au sommet du stock. Cette méthode est plus raffinée en raison du choix possible du nombre de lignes et de la distance entre ces lignes. L’inconvénient de cette méthode est lié à la distribution granulométrique du matériau. Le parc de préhomogénéisation est constitué de deux stocks : ? un premier stock en cours de constitution ? un second en cours de reprise Il existe plusieurs techniques de constitution des stockpiles. Toutefois.2.préhomogénéisation d’une ou plusieurs matières consiste à déposer cette ou ces matières en couches successives de façon à former un stock généralement longitudinal (mise en tas) et de reprendre ensuite ce stock en tranches perpendiculaires à l’axe longitudinal (reprise du tas) de façon à réduire les fluctuations de composition et opérer ainsi une préhomogénéisation. elle requiert un système de mise au tas plus élaboré en raison de la multiplicité des points de déversement. 6. Méthode en chevron (figure 8) La méthode consiste à déposer la matière en couches successives. La cimenterie choisit en principe une technique particulière pour commander l’installation de remplissage et d’extraction auprès des fournisseurs spécialisés. Figure 10 Méthode par les côtés longs (figure 11) 123 . Figure 8 Méthode Windrow (figure 9) Cette méthode permet d’éviter l’inconvénient dû à la ségrégation granulométrique par mise au tas de la matière selon des lignes juxtaposées et superposées. même en cas de distribution granulaire peu serrée. constituant ainsi un stock en forme de toit. Cette méthode permet d’obtenir une répartition homogène de la matière.1 Méthodes de mise en tas Le parc de préhomogénéisation est généralement constitué en stock longitudinal ou circulaire. Figure 9 Méthode par couches horizontales (figure 10) Le stock est constitué par une mise en couches horizontales en un seul ou en plusieurs points de déversement. Evolution du titre en carbonate des échantillons prélevés toutes les 10 minutes par une chaîne d ‘échantillonnage Evolution de la composition chimique d'une carrière 80 75 CaCO³ 70 65 60 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Heures Figure 14 124 . Ces matières premières ont des caractéristiques chimiques qui présentent des fluctuations dans le temps.2 Effets de la préhomogénéisation Le parc de préhomogénéisation à pour but d’homogénéiser les matières premières. Figure 12 Figure 13 6. Les diagrammes ci-après représentent les fluctuations mesurées par analyse chimique de la teneur en carbonate d’un calcaire à l’entrée d’une préhomogénéisation et les trois premières harmoniques de ces fluctuations (Figures 14 à 17).2. Figure 11 Méthode continue et méthode alternée (figures 12 et 13) La méthode continue de mise au tas consiste à construire le stock à partir d’un cône de départ dont on s’éloigne progressivement par tranches successives. Les points de déversement sont multiples et situés du même côté de l’axe longitudinal. La méthode alternée de mise en tas consiste à construire le stock à partir de 2 cônes de départ chacun à une des extrémités longitudinales du stock et ensuite à déposer la matière par tranches alternées (une fois d’un côté puis une fois de l’autre) tous en se rapprochant du point médium de l’axe longitudinal.Cette méthode permet une répartition homogène de la matière. toutefois avec le désavantage de la ségrégation granulométrique. Harmonique court terme T = quelques minutes 125 . on obtient des valeurs de E élevées. Si la matière au départ est très hétérogène.Harmonique long terme T = plusieurs heures à plusieurs jours L’efficacité du parc de préhomogénéisation est jugée par le rapport de l’écart type à l’entrée du tas en constitution et de l’écart type à la sortie lors de la reprise de ce tas. de réaliser en voie sèche le mélange et l’homogénéisation des matières premières. et à la cimenterie en particulier. 6. La possibilité d’obtenir un cru sec sous la forme d’une farine aussi homogène qu’un cru humide ainsi que le renchérissement du coût des combustibles expliquent l’abandon progressif du procédé cimentier par voie humide.3 Homogénéisation en silos L’homogénéisation en silos est opérée sur le mélange cru à la sortie du broyeur sécheur. on obtient des valeurs de E moins élevée. Suivant le système de constitution du stock (par le long ou le petit côté). bien que la matière soit plus homogène à la sortie. ? E = ? entrée / ? sortie L’efficacité du mélange est corrélée au nombre de couches (N) de la préhomogénéisation suivant la relation ? E = ? ( N / 2) L’efficacité E d’un stock constitué de 100 à 400 couches de matière. Les progrès réalisés dans la connaissance de l’aérodynamique ont permis à diverses industries.3. Historiquement. et entre 6 et 15 s’il y a une homogénéisation des fluctuations à court terme dans une tranche reprise. 6. tandis que si la matière est déjà relativement homogène au départ. la reprise présente des ségrégations importantes si elle est réalisée de la même manière que la constitution. L’installation de mélange et d’homogénéisation a deux tâches à remplir : ? offrir une possibilité de procéder à une correction de la composition chimique du cru à envoyer au four ? rendre ce cru suffisamment homogène pour en assurer une bonne cuisson. est généralement comprise entre 3 et 6 s’il n’y a pas d’homogénéisation des fluctuations à court terme dans une tranche de reprise.1 Méthodes diverses d’homogénéisation (Figures 18 et 19) Il existe différents procédés d’homogénéisation en fonction du nombre et du mode d e fonctionnement des silos 126 . le procédé par voie humide a permis de réaliser d’excellentes homogénéisations car le mélange et l’homogénéisation de diverses matières premières sous forme de pâte sont très aisées. Figure 19 : Silos à étages pour l’homogénéisation et le stockage Homogénéisation Homogénéisation Stockage Stockage L’homogénéisation peut se faire par batch ou en continu avec la vidange dans la partie stockage. de correction et d’homogénéisation et une phase de vidange. Procédé discontinu Le procédé discontinu comprend au moins 2 silos pour l’homogénéisation de la farine qui se déroule en une phase de remplissage. le silo est homogénéisé. ? Remplissage et homogénéisation Pendant le remplissage. L’installation d’homogénéisation pneumatique fonctionne suivant un procédé continu ou un procédé discontinu. Le silo est équipé éventuellement à sa base d’une chambre de mélange. d ’un écoulement en entonnoir. Ces 2 phases se déroulent alternativement dans les 2 silos.Figure 18 : Série de silos d’homogénéisation par charge et silo de stockage Silo d'homogénéisation n° 1 Silo d'homogénéisation n° 2 Silo d'homogénéisation n° 3 Silo de stockage Les silos d’homogénéisation sont placés en parallèle ou en série (procédé en cascade). 127 . Après le remplissage et la correction de la farine. des échantillons sont prélevés et analysés pour calculer la correction nécessaire de manière à respecter les objectifs de fabrication. ? Vidange A la fin de l’étape d’homogénéisation, la farine est envoyée vers les silos de stockage et d’alimentation du four. Procédé continu En général, les installations d’homogénéisation en continu n’exigent qu’un seul silo. Le cru sec est alimenté en continu et soutiré de la même manière et en quantité correspondante. D’une façon analogue à ce qui se passe pour l’homogénéisation par charges, une turbulence provoquée par l’air insufflé engendre l’effet de mélange et d’homogénéisation dans le silo. Les grands producteurs de matériels cimentiers proposent des systèmes originaux d’homogénéisation pneumatique grâce à des unités d’aération placées dans les fonds des silos selon différentes variantes. La caractéristique commune à toutes les méthodes d’homogénéisation consiste à amener de l’air aux unités d’aération concernées de façon que la matière soit d’abord aérée et ensuite homogénéisée par un violent courant de turbulence sur une partie du fond de silo. Pour les opérations d’aération et d’homogénéisation, le fond de silo est divisé en ? ? ? ? 4 quadrants chez Fuller 9 quartiers chez Polysius 5 bandes chez VEB 5 couronnes chez Geyser 6.3.2 Comparaison entre l’homogénéisation pneumatique discontinue et l’homogénéisation continue. La principale différence entre les 2 procédés réside dans le fait que les écarts de la matière crue par rapport à la valeur prescrite se situent à l’intérieur de très larges limites et peuvent avoir des durées relativement importantes lorsqu’on a à faire à l’homogénéisation par charges. Au contraire, dans le cas de l’homogénéisation continue, les écarts doivent être de courte durée et se maintenir dans d’étroites limites d’amplitude. D’une matière générale, l’investissement pour une homogénéisation continue avec chambre de mélange est moins lourd. 6.3.3 Effets de l’homogénéisation pneumatique Pour estimer le rendement des installations d’homogénéisation pneumatique, on prend généralement en considération la teneur en carbonate ou le facteur de saturation. Si l’on prélève dans le cru n échantillons sur lesquels on mesure la valeur du paramètre chimique, ces valeurs se distribuent selon une loi statistique que par hypothèse on identifie à la loi de Gauss. Dès lors, la dispersion du cru s’estime à partir de l’écart type des valeurs mesurées : ? ? = ? ( ? ( Xi - Xm ) ² / ( N - 1) ) avec : ? ? = l’écart type des mesures ? N = nombre d’échantillons analysés 128 ? Xm = moyenne arithmétique des résultats Lorsque le cru arrive dans le silo d’homogénéisation, il est plus ou moins hétérogène et son hétérogénéité est estimée par la valeur de son écart type (? entrée) de titre en carbonate ou de facteur de saturation. Au cours du processus d’homogénéisation, l’écart type diminue et la décroissance est exponentielle. La loi de décroissance de l’écart type est la suivante : ? ? T = ? entrée x e - A T avec : ? ? ? ? ? T = écart type au temps T ? entrée = écart type avant préhomogénéisation T = temps de mélange A = coefficient de mélange. Dès lors, on peut calculer les 2 paramètres caractéristiques de la préhomogénéisation. ? valeur du coefficient de mélange ? A = - Ln (? T / ? entrée ) / T ? durée T de demi mélange ? T = Ln 2 / A Toutefois, l’étude de l’atténuation de l’écart type des fluctuations du cru depuis l’entrée jusqu’à la sortie, ne suffit pas pour caractériser une installation d’homogénéisation. En fait les fluctuations du cru suivent une loi périodique dont la transformée de Fourrier permet de connaître le fondamental ainsi que les diverses harmoniques d’où la possibilité d’étudier le spectre de fréquences (les atténuations sont fonction des fréquences des fluctuations). Ces principes sont valables pour la préhomogénéisation par lits ou par tas, et pour l’homogénéisation pneumatique. Pour un stock de préhomogénéisation, on a pu démontrer l’évolution du rapport de la variance de sortie et de la variance d’entrée en fonction de la capacité ou du temps de remplissage du parc et ce, pour différentes valeurs du nombre de couches N : ? ? sortie² = ( 1 / N ) x ? entrée ² + ......... ? l’existence d’un minimum (optimum) pour le rapport ? sortie² / ? entrée² ? la variance de sortie tend à la limite vers le Néme de la variance d’entrée. Pour un silo d’homogénéisation pneumatique, on a pu démontrer l’évolution de l’écart type de la matière à la sortie en fonction de l’écart type de la matière à l’entrée et de la fréquence moyenne des oscillations de cette dernière : ? ? sortie = ? entrée x e - k T ? l’absence d’homogénéisation lorsque la période d’oscillation lors du remplissage du silo est nettement plus grande que la durée de remplissage du silo 129 ? la diminution du rapport ? sortie / ? entrée avec la diminution de la période d’oscillation, toute autre chose restant égale ? l’absence d’homogénéisation, quelle que soit la valeur des fréquences d’oscillation à l’entrée du silo, lorsque la durée d’oscillation est nulle ? la diminution du rapport ? sortie / ? entrée, pour un type d’oscillation donné, avec l’augmentation de la durée de mélange Lorsque l’homogénéisation est assurée par un soutirage simultané de N silos statistiquement indépendants, l’effet d’homogénéisation est donné par la formule : ? ? sortie / entrée = ? (N) Lorsque l’homogénéisation est assurée par proportion des divers composants du cru, l’effet d’homogénéisation, bien que limité par le temps mort du système, est d’autant meilleur que l’intervalle unitaire est faible (en pratique entre 2 et 4). 6.4 Projet et tendances Chaque procédé cimentier constitue un cas particulier et il n’est donc pas possible de tirer des règles universelles d’homogénéisation. Quelques règles essentielles définissent cependant le processus à installer : ? les caractéristiques du gisement à exploiter et ce, couche par couche, notamment en ce qui concerne la moyenne, l’écart type et les fluctuations du titre en carbonate ? le compromis entre le coût d’investissement et la sécurité d’exploitation (12 heures d’alimentation four) ? la robustesse et la simplicité des installations. On observe dans toutes les nouvelles installations la présence d’un parc de préhomogénéisation équipé d’un concassage en carrière et d’une installation imposante d’échantillonnage. Le régime de travail de la carrière est indépendant de celui à feu continu des fours avec la constitution d’une capacité de stockage de 5 à 10 jours au minimum. Les grandes fluctuations (amplitude et fréquence) sont amorties par les préstocks en carrière. La cimenterie travaille avec une installation d’homogénéisation pneumatique continue avec chambre de mélange d’une capacité d’alimentation du four de plus de 24 heures. Le ratio d’homogénéisation oscille entre 3 et 5 dans les installations performantes. 6.5 Contrôle du cru Pendant longtemps, la composition du cru a été réalisée à partir du titre en carbonate des matières premières. La mise au point des analyseurs modernes permet de réaliser rapidement des analyses complètes dans des laboratoires automatisés intégrés dans les lignes de production. Toutes les opérations de production sont analysées en permanence dans le but d’augmenter la production de l’usine, de réduire les coûts de production et d’améliorer la qualité. D’énormes efforts sont entrepris pour développer des systèmes automatiques d’échantillonnage et remplacer les prélèvements manuels dans tous les départements de production. 6.5.1 Contrôle du ciment Grâce aux essais prévus par les normes pour le ciment, le broyage est suivi pour produire un ciment conforme aux spécifications du marché. 130 l’échantillonnage est établi en fonction des particularités locales de l’usine. Il est généralement admis que l’échantillon prélevé représente entre 0. avec le moins de chaux libre. 7 Les économies d’énergie 7. L’objectif des stations de prélèvement installées près des systèmes de préparation et d’homogénéisation de la farine ou de la pâte est de prélever un échantillon représentatif des matériaux utilisés. en une poudre fine analysée en automatique par un analyseur par fluorescence X ou par des méthodes traditionnelles en laboratoire. constitué par la farine ou la pâte portée à une certaine température. dureté. La rapidité avec laquelle le système physico-chimique.5. la précision recherchée dans la mesure. définit son aptitude à la clinkérisation.2 et 2 % du débit de matières. L’objectif du contrôle est de limiter la variation de l’alimentation du four (écart type de composition de 0. il est aisé de démontrer qu’une variation de titre en carbonate de 1 % sur la farine.2 % en carbonate de calcium ou de 3 % en C³S). La connaissance de cette aptitude permet au cimentier de préciser les conditions techniques et économiques nécessaires à l’élaboration d’un clinker de qualité : 131 .2 Contrôle du clinker Le four est conduit pour produire un clinker régulier au niveau de la chimie et de la minéralogie.1 L’aptitude à la cuisson La clinkérisation met en jeu des réactions entre des phases solides en présence d’une phase liquide. Par calcul.6.4 La chaîne d’échantillonnage Les chaînes d’échantillonnage sont chargées de s écher et de réduire le volume initial d’échantillon prélevé dans le circuit de production. la broyabilité et l’aptitude à la cuisson de la farine. La quantité prélevée augmente avec la dispersion de qualité des matériaux. entraîne une variation de 10 à 15 % de C³S dans le clinker 6.5. Dans la plupart des cas.3 Contrôle de la farine : Le cru est préparé avec une composition chimique et une granulométrie convenables et constantes pour assurer la régularité de la manutention. Il n’y a pas de règles strictes d e standardisation des stations d’échantillonnage et des procédures de contrôle du cru.5. évolue vers son état final. leur granulométrie. des propriétés physiques (granulométrie. 6. humidité) et chimiques (dispersion de la composition des matériaux en fonction de leur granulométrie) des matériaux à échantillonner et à analyser. Le laboratoire contrôle principalement la chimie et la granulométrie au niveau : ? ? ? de la carrière pour anticiper les variations du calcaire et des constituants principaux (contrôle à partir des sciures de carottage) et préparer ainsi la constitution du tas de préhomogénéisation du broyage séchage pour le dosage des différents constituants de la farine et la régulation des installations de broyage (contrôle en continu) de l’alimentation du four pour une vérification finale (contrôle horaire). est le silicate tricalcique. Les premières méthodes de mesure de l’aptitude à la cuisson d’un cru s’inspiraient fortement des techniques d’analyses thermogravimétriques et mesuraient la réactivité du mélange cru à 880°c en atmosphère de CO². Les réactions se faisant en partie à l’état solide. Le constituant essentiel du clinker obtenu par cuisson à haute température d’un mélange de matières premières constituées principalement de silice et de chaux. la consommation calorifique. Elle influence par la suite la broyabilité du clinker. La présence d’alumine et d’oxyde de fer facilite énormément la formation de la phase liquide. l’avancement de la réaction est mesuré par l’évolution de la perte au feu (cinétique de décarbonatation) et de la teneur en chaux libre (cinétique de cuisson) du cru finement broyé en fonction de l’élévation de température jusque plus de 1400°c sur une 132 . La considération quantitative de chaque facteur n’est pas possible et seule une méthode d’étude groupant un certain nombre de paramètres peuvent être mis en œuvre dans les laboratoires d’usines pour comparer ou apprécier des aptitudes à la cuisson de différents crus. la bonne tenue des réfractaires.? ? ? ? ? préparation du cru choix des combustibles température de cuisson nature du revêtement réfractaire … L’étude des réactions à l’état solide fait intervenir de nombreux facteurs qu’il n’est pas toujours possible d’étudier dans un laboratoire cimentier : ? ? ? ? ? ? ? ? ? homogénéité du cru dimensions des particules énergie de surface de contact nature minéralogique des constituants défauts de structure cristalline facilitant le réarrangement à l’échelle moléculaire défauts de structure réticulaire facilitant les migrations ioniques ou électroniques apparition d’une phase liquide vitesse de diffusion dans la couche réactionnelle liquide …. le degré de facilité de cuisson dépend principalement des paramètres suivants : ? ? la composition chimique quantité des 4 oxydes principaux présence d’oxydes mineurs la nature minéralogique des matières premières qui influe directement sur la réactivité de ses éléments la chaux apportée par du calcaire ou de la craie la silice apportée par de l’argile ou du quartz la finesse de mélange la finesse des différents oxydes la courbe granulométrique du mélange la présence ou l’absence de minéralisateur l’homogénéité du mélange ? ? ? L’aptitude à la cuisson intervient sur le débit du four. L’aptitude intervient donc sur le prix de revient de la cuisson du clinker et de la mouture du ciment. Actuellement. L’utilisation de la méthode permet de faire rapidement un calcul de rentabilité d’un changement de matières premières dans un procédé et d’éviter ainsi de longs essais industriels. 7. 133 . Il s’agit de méthodes comparatives qui permettent d’apprécier l’importance d’un paramètre que l’on modifie sur un cru donné. tout matériau contenant principalement les 4 oxydes principaux du clinker. A partir d’une température donnée. peuvent être utilisés comme matières premières dans le cru à conditions de respecter quelques principes de base : ? ? ? ? ne pas détériorer le cycle de production en modifiant fondamentalement la broyabilité des constituants en voie sèche ou la rhéologie de la pâte en voie humide ne pas introduire avec les matières prem ières des éléments volatils perturbateurs du cycle de cuisson ne pas introduire d’éléments chimiques en trop forte concentration qui pourraient dégrader la qualité du clinker et du ciment ne pas introduire de matières organiques dans le cru qui pourraient se dégager dans les zones amont du four et polluer dangereusement l’atmosphère.2 Les matériaux de substitution Au niveau de la préparation de la farine ou de la pâte.pastille de cru de porosité constante. Une mesure comparative de l’aptitude à la cuisson donnera des indications qualitatives pour juger de l’opportunité d’introduire ou de refuser une nouvelle matière première dans un cru. un cru est d’autant plus facile : ? ? à décarbonater qu’il reste moins de CO² à dégager à cuire qu’il reste moins de chaux libre à combiner. Chapitre V Exercices pratiques 134 . 40 42.10 2.50 0.00 0.00 ) = 42. on calculera le tonnage de matière sèche et la perte au feu de cette craie exprimée sous matière sèche suivant les formules : ? Tonne sèche = 1 x ( 100 .00 1. Nous utiliserons uniquement les valeurs d’humidité et de perte au feu pour calculer le tonnage théorique de clinker obtenu à partir de cette craie.464 T 135 .00 0.800 T de craie sèche ? PF sur sec = 33.00 100.42.35 33.80 x ( 100 .20.00 ) / 100 = 0.Exercice n° 1 Enoncé : Une cimenterie exploite une carrière de craie dont la composition chimique est donnée sur matière brute dans le tableau suivant.60 20.00 ) / 100 = 0.00 On demande la production théorique de clinker que l’on pourra obtenir à partir d’une tonne de craie extraite en carrière.20. Craie % % % % % % % % % % T SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 Indosés PF Humidité Somme Tonne 1.00 % Reste maintenant à calculer les matières calcinées qui seront produites par les 800 kg de craie sèche avec une perte au feu de 42 % : ? Tonne matières calcinées = 0. A partir des caractéristiques sur matières brutes.60 x 100 / ( 100 . Solution : L’énoncé du problème nous donne une quantité d’informations qui ne sont pas nécessaires pour la résolution du problème.05 0. Les humidités de ces matériaux sont respectivement de 5 et de 10 %.40 ) / 100 ] = 51.3 kg de matières calcinées Les 10 kg d’argile apporteront ? ( 10 / 100 ) x [ (100 .10 ) / 100 ] x [ (100 . Un mélange de 100 kg de farine sera composé de 90 kg de calcaire et de 10 kg d’argile.10 ) / 100 ] = 8.Exercice n° 2 Enoncé : Quelles sont la production et la composition chimique d’un clinker d’un four alimenté à partir d’un mélange de 90 % de calcaire et 10 % d’argile.4 kg de matières calcinées Caractéristiques chimiques du clinker : La composition chimique sur matières calcinées est calculée à partir de la composition sur matières sèches suivant la formule : ? Elément calciné = Elément sec x 100 / (100 .PF ) 136 .3 + 8.1 kg de matières calcinées La production de clinker sera de ? 51. Caractéristiques chimiques des matériaux sur matières sèches P F (%) SiO² (%) Al²O³ (%) Fe²O³ (%) CaO (%) Calcaire 40 3 2 1 52 Argile 10 70 10 5 5 Solution : Production de clinker : La production de clinker est calculée à partir de la composition du mélange et des caractéristiques des 2 matériaux (perte au feu et humidité). La composition sur matières sèches est donnée dans le tableau suivant.1 = 59.5 ) / 100 ] x [ (100 . Les 90 kg de calcaire apporteront ? ( 90 / 100 ) x [ (100 . 67 5.00 10.00 10.00 CaO % 52.00 ce qui donne : Composition sur matières calcinées Calcaire Argile SiO² % 5.92 Al²O3 % 4.00 5.12 137 .00 77.56 Somme % 96.Composition sur matières sèches Calcaire Argile SiO² % 3.40 SiO² % 14.00 Somme % 98.00 La composition du clinker sera calculée à partir des tonnages et de la composition sur matières calcinées des 2 composants suivant la formule : ? Elém clinker = ( T cal Calc x Elém cal Calc + T cal Arg x Elém cal Arg ) / (T cal Calc + T cal Arg ) Composition du clinker Clinker Tonnage T/h 59.00 70.00 100.00 5.67 5.11 Fe²O³ % 1.20 CaO % 75.39 Fe²O³ % 2.00 PF % 40.61 Somme % 97.67 100.00 Al²O3 % 2.56 CaO % 86.33 11.00 Fe²O³ % 1.78 Al²O3 % 3. 63 % Eau combinée.2 x 44 / 84 = 0.2 % de MgCO³ et 0.5 x 44 / 100 = 34.4 % combiné comme eau de cristallisation et matières organiques. de l’eau combinée et des matières organiques. matières organiques 0.63 + 0.57 % 138 .5 % de CaCO³.54 + 0.54 % MgCO³ ? MgO + CO² CO² du MgCO³ = 1.4 % Perte au feu = 34. Quelle est la perte au feu de cette farine ? Solution : La perte au feu de cette farine est composée du CO² qui se dégage des carbonates (CaCO³ et MgCO³).Exercice n° 3 Enoncé : Une farine d’alimentation d’un four contient 78. CO² : CaCO³ ? CaO + CO² CO² du CaCO³ = 78.4 = 35. 1. 00 0. sur matières calcinées pour le matériau 3.20.72 0.00 100.60 0. Il est nécessaire de choisir une unité : les matières brutes.00) = 52 % ? Titre en carbonate = 52 x 100 / 56 = 92.11 0.06 0. sur matières sèches pour le matériau 2. il faut choisir les matières sèches en fonction de l’énoncé et de la question posée.50 52.85 33.Exercice n° 4 Enoncé : La composition de 3 matériaux est donnée dans le tableau suivant.99 SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 Indosés PF Humidité Somme 100.13 2. Les analyses sont exprimées sur matières brutes pour le matériau 1. Dans ce cas.86 % Matériau 3 139 .60 20. Matériau 1 ? CaO sur sec = 41.00 100.00 2 2. les 3 matériaux ont la même composition chimique et par conséquent le même titre en carbonate théorique sur matières sèches.10 1.40 41.22 3. les matières sèches ou les matières calcinées. En réalité.05 0. Quel est le matériau qui a le titre en carbonate le plus élevé sur matières sèches ? Solution : Il faut d’abord remarquer que les compositions chimiques ne sont pas exprimées de la même manière. 1 1.80 0.60 0.45 1.00 Le titre en carbonate de ces 3 matériaux peut être calculé sur matières sèches à partir des compositions chimiques.00 0.86 % Matériau 2 ? CaO sur sec = 52 % ? Titre en carbonate = 52 x 100 / 56 = 92.66 0.00 1.31 42.00 3 3.60 x 100 / (100 .86 89. Théoriquement.66 % = CaO sur calciné du matériau 3. ? CaO sur calciné du matériau 2 = 52 x 100 / (100 . En examinant les données de l’exercice. il n’est pas possible de calculer le titre en carbonate à partir des indications contenues dans l ’analyse chimique du matériau 3. correspond au matériau 2 avec son analyse sur matières sèches. ? Titre en carbonate du matériau 3 = Titre en carbonate du matériau 2 140 .42.00) = 89. avec son analyse sur matières calcinées. on voit que le matériau 3. 11 3.7 141 .9 72.0 70.6 31.7 62.9 32.6 0 27 80 184 18 31.5 61.3 133 263 22.3 67.2 0 3.8 67.13? M-1.7 49.4 4.4 0 27.3 61 63.4 66 67.5 sous la forme de 2 tableaux reproduits ci-dessous.28? Blain Cm2/g 113 4423 5108 0 3934 0 84334 290 6.1 0 26.2 49.1 85 192 18.4 31.5 45.70? M+1.5 Rhéologie Résistances mécaniques Stab Eau Dbt Fin 1j 2j 7j 28 j 56 j mm % Min Min MPa MPa MPa MPa MPa 65 113 113 113 101 113 12 113 4 0 28.2 38.1 Nombre Moyenne Max % > Max Minimum % < min S² ? V% M+1.1 1.0 64.2 60.2 64.1 44.53? M-1.6 2 30 200 380 28.56 4794 3747 3930 4916 3805 3863 4867 4052 90 j MPa 4 69.33 5.2 65.1 65.6 65. Caractéristiques physiques annuelles du CEM I 52.7 68.0 64.7 38.5 67.4 31.3 0 29.2 171 320 25.83 0 29.8 2.1 59.28? M-2.9 75 177 17.25 1.8 56.5 35.4 90 190 18.9 64.4 47.7 0 67.6 0 29.33? M-1.4 601 1351 4.07 9.3 90 200 18.2 2.Exercice n° 5 Enoncé : Une usine remet les résultats de l’autocontrôle annuel d’un ciment CEM I 52.1 1.70? M-2.4 1.3 40.93? M+1.1 2.2 67.4 55.6 25 37 2.4 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0.61 71.5 71.5 63.1 63 0 27.5 101 216 19.8 33.8 14.1 39.8 65.9 63.0 26.5 0 0.8 67.1 2.3 64.8 66.8 67 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 24.59 9.1 165 310 25.12 18.3 176 326 26.1 60.9 46.4 62.0 5.8 0 27.2 4. 65 0.93? M+1.57 0.1 4.11 3.31 0.53 1.48 19.34 0.58 2.99 0.70? M+1.08 0 0.71 0.34 0.13 0.25 0.08 0.99 1.52 1. Il n’est pas à faible teneur en alcalis (Na²Oeq= 0.77) et n’a pas de résistance particulière au sulfate.77 0.69 Quelles sont les remarques que l’on peut formuler sur ces tableaux ? Solution : Composition du ciment : ? ? ? Il s’agit d’un CEM I qui ne peut contenir que du clinker et du régulateur de prise avec éventuellement 5 % de constituants secondaires.26 0.68 0.65 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.98 1.57 0.85 0.77 1.28? M-2.38 2.56 0.28 0.75 Caractéristiques chimiques annuelles du CEM I 52.67 0.34 0.56 0.96 0.26 12.02 0.27 0.04 4.61 0.06 0.06 0.63 0.67 16.3 0.7 7.08 1 1.66 0.48 1.3 19.16 0.47 1.06 0 0.88 0.01 2.01 2.7 0.01 3.08 0.79 0 1.64 0.76 0.8 1.53? M-1.01 2.24 0.54 0.72 20.86 0.27 0.98 0.33 4.75 0.Nombre Moyenne Max % > Max Minimum % < min S² ? V% M+1.27 0.08 2.18 18.98 4.03 33.93 4.63 0.07 0.93 0.28 0.78 0. RI).56 4.78 1.77 0.04 3.01 0.79 0.21 19.99 0.41 1.5 Composition chimique Alcalis R.21 5.9 1.56 0.13? M-1.97 5.I SiO² Al²O³ MgO CO² Cl SO³ Na²O K²O T % % % % % % % % % % 63 113 113 113 12 36 113 113 113 113 0.17 1.11 0.87 0.70? M-2.33 0.28? PF % 62 2.14 0.5 0.1 0.56 4.03 0.24 19.25 6.03 0.66 19.27 0.01 0 0.02 0.59 0.85 6.06 29.15 18. Ce ciment contient sans doute un filler calcaire (CO² élevé) comme constituant secondaire qui pourrait être de la poussière de four (Cl.45 8.1 18.02 5.08 0.69 19.94 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0.06 0.03 0 0 0 0.91 0.5 2.55 0.79 0.03 3.21 4.06 2.19 1.72 1. 142 .89 0.02 3.33? M-1.05 3.01 2.78 20.37 0.05 3.54 0.94 0.69 0.84 0.91 5.03 0.82 1.64 2. Le laboratoire de l’usine effectue quelques déterminations complémentaires pour l’assistance de la clientèle par exemple.93 et de 1. ? ? Caractéristiques physiques : Classe de résistance ? Le ciment répond aux spécifications des classes 52.5.11 %). le nombre acceptable de défauts est de 5 pour un nombre d’essais de plus 100 avec un risque consommateur de 10%. Pour les résistances mécaniques. Pour un contrôle par attribut. Prise : ? La vitesse de prise est conforme aux spécifications de la norme européenne Caractéristiques chimiques ? ? La teneur en sulfate est conforme pour la classe de ciment.5 et 52. Le nombre acceptable de défauts est de 5 pour un nombre d’essais de plus 100 avec un risque consommateur de 10%. la perte au feu et le résidu insoluble sont conformes. Il dépasse la limite supérieure de la classe 42.Nombre d’essais : ? Le nombre des essais imposés par la norme est respecté pour toutes les caractéristiques normalisées (2 par semaine de livraison). Malgré la présence éventuelle de poussière de four. Le nombre d’essais est compris entre 100 et 149.5 R pour les limites inférieures caractéristiques et limites inférieures garanties des 2 classes (tableau 12 et 14). ? 143 . Le ciment est par conséquent conforme.53 pour un risque consommateur de 10 %. la constante d’acceptabilité pour un risque consommateur de 5 % est de1. On enregistre un dépassement du maximum autorisé pour le chlore (max = 0. Il s’agit pour la composition chimique d’un contrôle par attribut. 0 1.5 1.0 0.0 58. Il est cependant nécessaire de demander des précisions complémentaires au client sur la dénomination « ciment spécial ».5 3.5 3.5 5.1 CaO 67.3 2.0 20.0 1.1 64.1 Fe²O³ 4.0 2.0 0. Choix du clinker : En principe.0 44. Un client important lui demande un « ciment spécial » avec des résistances initiales élevées Caractéristiques chimiques des matériaux disponibles dans l’atelier de broyage Clinker Clinker Clinker Laitier Cendres Filler Gypse Anhydrite A B C volantes calcaire PF 0.0 0.0 0.0 0.1 0.0 40. Pour répondre à la demande du ciment (ciment avec résistance initiale élevée).0 57.5 R.0 55.6 36.1 0. suivant les performances obtenues.0 0.0 4.4 0.1 A partir des composants du tableau précédent ? ? Solution : Choix du type et de la classe de ciment : Il faut en premier lieu choisir le type de ciment.Exercice n° 6 Enoncé : Un atelier de broyage dispose de 3 clinkers et de différents matériaux hydrauliques et pouzzolaniques pour sa production de ciments. l’atelier de broyage doit préparer un ciment Portland avec une finesse élevée qui devra éventuellement répondre aux spécifications du CEM I 52.5 2.0 4. que peut-on proposer au client comme formulation de ciment ? quels sont les essais préliminaires à effectuer avant de mettre ce nouveau ciment sur le marché ? 144 .0 12. il est possible de répondre à la demande du client à partir des 3 clinkers.1 0.0 64.4 1.5 0.0 K²O 0. Ils pourront peut-être.2 0.08 0.5 20.0 Na²0 0.0 1.0 0.1 0. être utilisés comme constituants secondaires (< 5 %).5 0.0 0.1 -0. Les 3 clinkers n’ont pas la même composition chimique et minéralogique et ne peuvent être utilisés indifféremment dans toutes les formulations de béton ou dans tous les environnements. Dans cet exercice.1 0.1 45.0 25. il ne faut plus tenir compte des autres constituants hydrauliques ou pouzzolaniques comme constituants principaux.0 43.7 6.0 SO³ 0.1 Al²O³ 3.0 32.0 2.6 20.40 1.0 SiO² 21.4 0. 0 0.0 1.0 0.0 0.6 36. il est nécessaire de broyer le ciment à une finesse élevée.2 0.0 2.0 SO³ 0.0 2.Il est important de visualiser la composition minéralogique avant de choisir le clinker qui servira à la nouvelle fabrication.0 20.2 0. La nécessité d’utiliser un mélange de gypse et d’anhydrite ne doit pas être rejetée.0 Na²0 0.4 55.3 0.5 3. Cette quantité doit être recherchée par la détermination d’un l’optimum sulfate.0 K²O 0.0 0.5 0.1 0.7 10.0 58.5 A partir de la composition minéralogique.0 44. il est possible de choisir le clinker en fonction du milieu : ? ? ? Pas de précaution particulière ? pas de restriction Présence d’agents agressifs dans le milieu (sulfate) ? limiter la teneur en C³A Utilisation de granulat réactif ? choisir un ciment à faible teneur en alcalis Choix du ciment en fonction de l’environnement Ordinaire Présence de sulfate Granulats réactifs ++ ++ + ++ + + + Clinker A Clinker B Clinker C Choix du régulateur de prise Pour répondre aux spécifications du client.1 0.2 11.0 57.6 99.4 0.0 40.5 C³S 78.8 0.0 4.6 20.5 5. L’optimum sulfate apportera aussi une réponse.5 3.2 65.0 25.5 20.1 C³A 2.1 0.0 55.0 0.5 1.0 4.1 0.5 0.1 Al²O³ 3.6 10.2 0.4 1.1 0.0 32.1 0.32 C²S 2.0 0.1 Fe²O³ 4.5 2.0 0.4 1.3 C4AF 13.0 SiO² 21. La réactivité initiale du ciment nécessite une certaine quantité de sulfate soluble pour la mise en œuvre du béton dans des conditions acceptables.1 .6 10.1 CaO 67.6 LSF 99.7 6.3 2.3 7.4 94. 145 .0 1.9 0.0 64.0 0.0 12.1 45.1 64.2 0.0. Caractéristiques chimiques des matériaux disponibles dans l’atelier de broyage Clinker Clinker Clinker Laitier Cendres Filler Gypse Anhydrite A B C volantes calcaire PF 0.1 Na²Oeq 0.0 1.0 43.9 17.4 0. Exercice n° 7 Enoncé : Une cimenterie produit un ciment Portland CEM I 42.5 utilisé pendant la période estivale pour la réalisation de grands travaux routiers dans une zone désertique. L’entrepreneur rencontre de grosses difficultés pour réaliser des dalles en béton de bonne qualité. De l’eau doit toujours être ajoutée sur le chantier pour pomper le béton et des fissures apparaissent moins de 24 heures après la mise en place du béton. Quelles sont les démarches à entreprendre par la cimenterie pour fabriquer un ciment répondant aux spécifications de l’entrepreneur ? Données complémentaires : La cimenterie produit le CEM I 42.5 avec un clinker très réactif dans un moulin en circuit ouvert avec comme consignes de fabrication : ? ? ? Blaine : 3000 à 3200 cm²/g Clinker : 95 % Gypse : 5 % Le ciment sort du broyeur à une température de plus de 80°c et est stocké dans un grand silo en moyenne pendant 1 semaine en attendant le chargement d’un train de wagons destiné au chantier routier. Le laboratoire prélève des échantillons instantanés à la sortie des ateliers de broyage et à la sortie des stations d’expédition une fois par jour. On ne remarque pas d'anomalie dans la composition chimique, la vitesse de durcissement ou l’évolution des résistances mécaniques pour les 2 familles de ciment prélevées à la sortie de l’atelier de broyage ou à la sortie des silos. 146 Blaine 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Moy E type 3109 3151 3021 3007 3159 3028 3113 3095 3162 3049 3102 3196 3072 3045 3187 3023 3073 3155 3063 3182 3023 3195 3099 3073 3131 3139 3012 3056 3132 3119 3051 3097 59 Sortie broyeur Perte RC 2 au feu jours 2,7 1,9 1,9 2,8 2,6 2,1 1,7 2,7 2,1 1,7 1,8 1,6 2,7 1,9 3,2 2,6 2,9 2,1 2,0 3,0 2,0 2,0 1,7 2,7 3,2 2,9 2,9 2,4 1,3 2,7 3,1 2,3 0,5 10,3 14,1 14,3 14,8 14,2 10,0 10,5 14,6 14,3 11,8 11,6 10,3 14,6 10,1 11,1 12,9 12,1 13,8 10,4 10,3 12,7 12,8 11,2 14,1 10,3 12,0 10,2 13,6 14,0 11,2 14,3 12,3 1,7 CEM I 42.5 juillet 1998 Sortie Silo RC 28 Blaine Perte au RC 2 jours feu jours 40,9 42,2 49,7 46,9 40,2 49,1 45,9 48,9 41,3 46,3 47,3 44,4 45,7 47,3 41,4 45,1 42,8 45,0 46,3 49,1 43,1 44,9 42,3 45,1 43,8 49,0 46,8 40,5 45,6 44,6 40,0 44,9 2,9 3049 3112 3176 3167 3095 3065 3189 3062 3078 3000 3095 3056 3009 3115 3121 3165 3099 3112 3137 3067 3038 3140 3177 3093 3084 3048 3158 3153 3136 3011 3159 3102 53 1,3 2,3 2,7 2,5 2,3 1,1 2,4 2,0 1,7 1,5 2,4 2,9 2,6 1,8 1,9 2,1 3,0 2,0 1,4 1,4 1,7 1,3 1,2 2,3 1,9 2,7 2,9 1,8 2,7 2,5 1,9 2,1 0,5 10,2 11,3 12,5 8,9 11,0 12,7 12,8 10,2 9,4 8,2 13,0 11,9 11,1 11,0 8,3 11,0 8,7 12,0 11,3 10,5 10,0 11,0 8,1 10,0 11,6 11,3 11,8 12,4 12,7 8,9 10,9 10,8 1,4 RC 28 jours 40,6 42,9 42,5 40,0 43,0 42,7 43,3 40,3 47,2 47,2 41,8 39,3 41,3 41,0 44,8 38,1 42,7 46,3 40,8 38,8 38,2 43,5 43,1 42,4 47,8 46,4 44,2 40,6 39,9 39,0 47,1 42,5 2,8 Solution : Pour comprendre le problème rencontré, nous devons examiner les résultats de fabrication de l’usine. Entre la sortie de la mouture et la sortie du silo, on constate : ? ? ? Un maintien du Blaine Une diminution de la perte au feu Une diminution des résistances à la compression à 2 et 28 jours. Sortie Mouture + modifications (délais, propriétés) liées au stockage = Sortie Silo Cette évolution est provoquée par un changement de qualité du ciment pendant le stockage. 147 Sur chantier, cela se traduit par une augmentation du besoin en eau du ciment pour compenser une perte d’ouvrabilité du ciment qui peut être imputée à un raidissement précoce ou au phénomène de fausse prise. Dans ce cas, le raidissement est provoqué par la fausse prise car : ? ? ? Il n’y a pas d’anomalie signalée dans le contrôle de la prise en laboratoire sur les échantillons prélevés à la sortie de la mouture et du silo La diminution de perte au feu entre les échantillons sortie mouture et sortie silo est provoquée par une déshydratation du gypse en plâtre pendant le stockage du ciment à une température de plus de 60°c L’eau dégagée par le gypse hydrate en partie le ciment et entraîne une réduction des résistances à la compression à 2 et 28 jours. La fausse prise nécessite une addition d’eau dans le camion mixer qui a une répercussion négative sur la qualité du béton. Cet excès d’eau est responsable de la fissuration précoce du béton. Pour résoudre ce problème, le cimentier doit investiguer dans plusieurs directions : Vérifier l’optimum en sulfate du ciment L’important n’est pas de fabriquer un ciment avec une teneur donnée en soufre exprimée sous la forme de sulfate mais de disposer d’une quantité suffisante de sulfate soluble (gypse, plâtre, anhydrite, sulfate alcalin du clinker) pour maîtriser le clinker sans entraîner la fausse prise plâtre Choisir les matières sulfatées Un remplacement partiel du gypse par de l’anhydrite peut solutionner le problème. Constituant secondaire Ajouter un constituant secondaire (calcaire par exemple) dans le ciment pour diminuer la réactivité du ciment. Il y a une réserve suffisante de résistance dans le ciment. Choisir autre ciment Proposer un ciment composé qui développera rapidement son potentiel hydraulique ou pouzzolanique dans les conditions du chantier. 148 il faut dresser un schéma du four avec les matières entrantes et sortantes. Le four dégage 400 tonnes de poussières par jour entier de production. Ces poussières sont recueillies dans des électrofiltres et réinjectées dans le four (90 %) ou utilisées comme filler pour la production de ciment (10 %). La perte au feu de ces poussières est de 20 %. On injecte chaque heure 30 tonnes de charbon sec à 60 % de cendres.30) / 100 ] x [ (100 .320 + 288 = 3004 t de clinker Mouvements des matières dans le four Cendres de charbon = 432 t Four Poussières injectées = 288 t Poussières dégagées = 320 t Pâte = 2604 t 149 . 38 % de perte au feu sur matières sèches.Exercice n° 8 Enoncé : Quelle est la production d’un four rotatif sachant qu’il est alimenté par 6000 tonnes de pâte avec une humidité de 30 %. et veiller au préalable à transformer tous les matériaux sur matières calcinées. Quantités de matières : Pâte clinkérisée : [ 6000 x (100 . Solution : Pour réaliser le calcul de production.38) / 100 ] = 2604 t Cendres de charbon : 30 x 24 x 60 / 100 = 432 t Poussières dégagées : 400 x (100 .20 ) / 100 = 320 t Poussières injectées : 320 x 90 / 100 = 288 t Production du four : 2604 + 432 . 51 2.06 0.47 5.25 0.00 % % % % 150 .98 100.84 9.17 2.Exercice n° 9 Enoncé : Calculer les indices principaux et la composition minéralogique du clinker suivant SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 Indosés Somme Solution : Le calcul est réalisé suivant les formules du chapitre III énoncées dans les paragraphes 2 et 3 du chapitre III.74 0.85 60. ce qui donne : Facteur saturation en chaux (LSF) Module hydraulique (HM) Module silicique (SM) Module aluminoferrique (TM) C³S C³S C³A C4AF % 93.57 9.98 2.04 1.08 % % % % % % % % 22.99 67.86 18. 30 2.00 Argile 20.03 0.16 1.00 Correctif 2. il est possible de déterminer le tonnage et la composition du clinker : Tonnage T/h Clinker 79.43 10.34 0.59 80.64 1.15 70.26 0.12 0.56 1.56 100.53 1.01 0.00 Argile 20.76 42.22 1.00 15.31 100.00 Tonnage SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 Indosés PF Somme T/h % % % % % % % % % Quelle est la teneur en alcalis équivalents du clinker fabriqué ? Solution : Pour répondre à la question.32 100.11 0.71 151 .02 100.51 0.71 93.71 1.46 72.48 10.11 0.11 1.94 1.45 15. d’argile et d’un matériau de correction suivant les données du tableau ci-dessous exprimées sur matières sèches : Calcaire 98.10 15.50 1.01 0.41 54.12 1.22 1.21 0.44 100.12 0.70 80.31 15.52 0.30 0.15 0.00 Correctif 2.33 0.83 0.Exercice n° 10 Enoncé : Une cimenterie fabrique un clinker ordinaire à partir du mélange de calcaire.11 100.00 Tonnage SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 Indosés Somme T/h % % % % % % % % A partir de ces caractéristiques sur matières calcinées. il faut d’abord calculer la composition chimique et le tonnage des 3 matières premières sur matières calcinées en fonction des tonnages et de la composition chimique des 3 matériaux de base donnés sur matières sèches dans le tableau de l’énoncé : Calcaire 56.20 0.41 0.70 1.81 0. 51 2.74 0.SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 Indosés Somme % % % % % % % % 22.47 5.98 100.00 Les alcalis équivalents se calculent suivant la formule : Na²Oeq = Na²O + 0.658 x K²O Na²Oeq = 0.25 0.99 67.74 ) = 0.74 % 152 .06 0.658 x0.25 + ( 0. 71 22.98 100.51 3.65 x Al²O³ .51 – 1.74 0.25 0.65 X 4.69 x Fe²O³ Pour répondre à la question. quelle devrait être la teneur en Fe²O³ du clinker pour obtenir une teneur en C³A de 5 % ? Solution : La teneur en C³A est donnée suivant la formule : C³A = 2.Exercice n° 11 Enoncé : Un clinker répond à la composition suivante : Clinker 79.1.00 Tonnage SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 Indosés Somme T/h % % % % % % % % Pour cette concentration en Al²O³.06 0. il suffit de résoudre l’équation : 5 = 2.11 % de Fe²O³ 153 .99 67.47 4.69 X Fe²O³ = 4. 33 0.00 5.50 0.41 53.60 0.00 2.10 0. Elle dispose à proximité de 3 anciennes carrières de calcaire (Calc B.00 1.00 2.20 0.10 1.00 0.10 1. A partir du tableau des caractéristiques des matériaux.00 0.00 Arg 1 22.00 0.15 70.00 0.51 0.00 0.00 0.00 4. Calc A 99.76 38.68 1.10 1.00 Corr 1 2.00 4.81 0.72 1.00 2. Calc C.00 0.00 23.04 100.22 1.00 44.00 Calc D 1.51 0.00 75.00 0.10 0.00 Arg 2 80.20 0.00 0.00 5.10 0.44 100.79 100.86 100.00 0.00 0.57 100.00 Calc B 4.00 1.01 0.60 0.00 0.10 0.15 0. Calc D) et d’argile (Arg 2) exploitées anciennement par d’autres cimenteries qui ont cessé leurs activités.57 100.10 0.50 0. d’une argile (Arg 1) et d’un matériau de correction (Corr 1).00 0.00 3.00 0.00 Calc C 1.10 0.20 4. 154 .10 0.00 0.54 0.70 0.00 0.87 3.10 0.20 0.10 0.24 40.07 42.30 0.20 1. Le tableau suivant résume les caractéristiques chimiques du mélange actuel utilisé pour fabriquer la farine sur matières sèches.00 15.Exercice n° 12 Enoncé : Une cimenterie fabrique un clinker à haute résistance à partir d’un calcaire (Calc A). il est nécessaire de caractériser le clinker fabriqué a ctuellement.00 9.10 52.00 1.93 100.00 5.00 0.00 Découv 62.48 10.86 100.20 52.74 43.10 15. Le calcaire utilisé est exploité dans une carrière avec une découverte importante (Découv) qui est évacuée.00 0.00 1. il est possible de calculer les caractéristiques du mélange actuel sur matières calcinées et du clinker fabriqué.12 0.00 2.30 0.00 T SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 P²O5 Cl MgO Indos PF ? T/h % % % % % % % % % % % % Existe-t-il une formulation plus économique pour fabriquer un clinker équivalent à partir de ces matériaux ? Est-il possible de fabriquer un clinker avec moins de 3 % de C³A ? Solution : Caractéristiques du clinker actuel : Avant de commencer à rechercher une réponse aux questions posées. 55 100.25 0.27 % 0.69 0.56 1.00 0.00 Arg 1 21.12 x 24 = 2019 T/j 155 .03 0.00 0.20 0.10 0.91 100.17 1.18 0.78 0.22 1.52 0.03 0.16 % 0.00 % 97.30 % 5.00 T SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 P²O5 Cl MgO Ind ? Clinker T/h 84.02 0.10 0.00 Arg 2 81.98 1.99 0.12 % 21.49 68.27 70.10 0.83 2.73 100.00 Découv 64.00 Calc C 1.46 10.18 1.13 11.69 3.00 Saturation en chaux (LSF) Module hydraulique (HM) Module silicique (SM) Module aluminoferrique (TM) C³S C³S C³A C4AF % % % % La production théorique du four est de 84.48 0.45 8.91 9.14 5.06 2.00 0.65 76.17 0.32 6.38 1.10 0.46 4.95 1.69 100.16 1.00 1.17 87.95 0.20 0.32 100.12 % 1.35 0.71 92.62 0.18 0.20 5.01 0.25 % 0.78 1.92 3.00 0.02 0.61 0.37 % 3.00 Calc D 1.21 1.20 15.00 1.28 9.00 Corr 1 2.46 6.31 % 100.52 0.41 100.50 0.46 1.94 5.54 23.38 0.08 2.36 92.12 100.17 1.24 4.85 % 0.74 0.73 % 0.00 0.84 71.36 1.00 0.17 0.20 1.22 100.20 0.51 0.00 Calc B 6.T SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 P²O5 Cl MgO Indos ? T/h % % % % % % % % % % % Calc A 60.18 15.62 % 66.41 0.26 0. Les teneurs en alumine et fer sont aussi élevées ? Calcaire C Il s’agit d’un calcaire d’une haute pureté. la qualité du produit final. Critique des matériaux disponibles : Matériaux calcaires ? Calcaire A : Le calcaire est exploité dans la carrière de l’usine pour la fabrication du clinker actuel. Il peur être pris comme référence pour évaluer les autres matériaux. Pour cette raison. 156 . L’introduction de la découverte dans la farine modifiera fondamentalement l’apport d’alumine et par conséquent la qualité du clinker. ? Matériaux siliceux : ? Argile 1 : Ce matériau peut être pris comme matériau de référence pour les apports de silice. si ces éléments se retrouvent dans le clinker. Argile 2 : La deuxième argile est aussi un sable argileux qui ne contient pas d’élément chimique indésirable par rapport au matériau siliceux de référence. Son utilisation sera limitée par sa teneur en phosphate qui aura une répercussion sur la vitesse de durcissement du ciment. Ce matériau ne pourra être utilisé qu’en faible proportion dans la farine. Il s’agit sans doute d’un sable argileux au vu du rapport silice et alumine. son utilisation est certainement avantageuse sur un plan économique.1. Arg 2 peut remplacer Arg 1. L’utilisation du calcaire C doit être limitée car il contient des quantités importantes de chlore et d’alcalis qui perturberont le bon fonctionnement du four avant de modifier. L’énoncé ne donne aucune indication sur les finesses ou la broyabilité de ces matériaux. A priori. Au niveau chimique il s’agit aussi d’un sable argileux avec une quantité plus importante en alumine que les 2 autres matériaux siliceux (rapport silice/alumine plus faible). ? ? Découverte : Ce matériau constitue la découverte de la carrière de calcaire actuellement en exploitation. ? Calcaire D : Il s’agit d’un calcaire de haute pureté. Il ne peut certainement pas être utilisé seul mais éventuellement en faible quantité. Il a le gros désavantage d’apporter une quantité importante de magnésie. Calcaire B : Le calcaire B est un calcaire pauvre. 10 0.00 Corr 2 2.10 1.78 0.54 0.73 0.24 4.36 1.04 100.00 0.22 1.00 1.56 1.41 100.51 0.00 0.25 0.14 23.10 0.10 0.00 0.00 1.00 5.00 4.00 T SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 P²O5 Cl MgO Ind ? T/h % % % % % % % % % % % 157 .00 0.00 Calc B 4.60 0.00 1.03 0.00 Cal D 1.00 1.26 0.07 42.10 52.10 0.20 15.18 0.46 4.10 1.22 1.30 0.00 11.50 0.70 0.51 0.00 15.81 10.00 T SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 P²O5 Cl MgO Ind PF ? T/h % % % % % % % % % % % % Caractéristiques sur matières calcinées Calc A 59.95 1.62 0.00 Arg 2 Découv 11.00 2. Cette action a comme avantage de réduire la quantité de matière de correction.00 1.74 43.99 0.61 0.57 100.86 100.20 1.00 0.57 3.54 9.60 0.00 Calc C 0.69 0.41 53.00 0.00 9.17 0.00 Arg 1 75.02 0.44 100.72 0.00 0.01 0.20 0.00 3.20 0.08 5.00 1.10 1.00 0.20 4.35 10.00 6.02 0.69 3.81 0.18 0.38 1.00 0.00 80.03 5.00 0.20 2.52 0.00 2.20 0.00 76.00 0.78 1.10 0.55 100.28 64.00 5.00 0.84 71.46 1.38 0.95 0.00 Calc C 1.10 0.10 0.87 1.00 62.15 0.00 0.10 0.00 0.01 0.00 0.18 15.69 100.00 5.24 40.86 100. Elle ne modifie pas fondamentalement la composition et les caractéristiques du clinker : ? ? ? Légère diminution du module silicique Légère augmentation de la magnésie Diminution des alcalis équivalents Caractéristiques sur matières sèches Calc A 104.00 2.10 0.79 100.00 Cal D 0.00 0.00 2.17 0.00 0.92 3.20 52.51 0.00 Arg 2 Découv 12.30 0.18 1.68 1.00 100.17 1.35 0.52 0.16 1.76 38.57 81.00 Corr 2 2.20 0.86 1.74 0.10 0.22 100.91 100.33 0.00 Arg 1 0.10 15.32 100.00 23.17 1.2.71 92.12 0.32 6.00 1.48 0.10 0.10 0.50 0.00 100.27 70.06 2.12 100.00 44.46 6.33 10.20 0.36 92.20 1.15 70.00 4.50 0.41 0.17 87.00 0.00 0.00 0.10 0.00 0.94 5.00 0.00 Calc B 0. Mélange destiné à la fabrication d’un clinker de qualité équivalente : La solution économique consiste à introduire une certaine quantité de découverte dans le mélange pour constituer la farine.20 0.00 0.93 100. 75 % 0.16 0.22 % 0.21 1.73 0.75 0.58 T SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 P²O5 Cl MgO Ind ? Facteur saturation en chaux (LSF) Module hydraulique (HM) Module silicique (SM) Module aluminoferrique (TM) C³S C³S C³A C4AF % % % % Comparaison des 2 formulations Référence T SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 P²O5 Cl MgO Ind ? T/h % % % % % % % % % % % % 84.46 % 0.58 8.07 5.91 9.63 11.00 Proposition 84.39 0.69 3.46 0.89 2.63 11.37 3.30 5.85 1.49 67.45 8.12 1.85 0.81 % 66.49 67.58 8.22 0.31 100.00 97.57 21.34 100.98 1.13 11.27 0.87 9.87 9.85 1.58 Saturation en chaux (LSF) Module hydraulique (HM) Module silicique (SM) Mod aluminoferrique (TM) C³S C³S C³A C4AF % % % % 158 .18 1.12 1.39 % 0.49 68.12 21.69 % 3.15 0.62 66.07 % 5.81 66.89 2.57 % 21.12 % 1.15 % 0.00 97.25 0.83 2.18 1.00 % 97.Caractéristiques du clinker Clinker T/h 84.34 % 100. 00 Arg 1 0.00 5.67 0.18 1.74 43.35 0.10 0.51 0.00 0. Caractéristiques sur matières sèches Calc A 104.01 0.00 0.38 1.10 0.00 62.00 1.70 10.68 1.07 42.15 0.00 0.00 Arg 2 Découv 21.10 0.10 0.00 3.78 0.95 1.03 5.00 1.00 Cal D 1.00 0.20 4.41 0.00 0.57 100.10 0.00 2.84 71.86 100.50 0.00 0.94 5.52 0.22 1.00 9.92 3.56 1.00 4.17 1.12 0.46 6.76 38.69 100.00 15.00 1.54 0.10 0.00 0.73 0.10 0.95 0.20 0.60 0.00 2.00 Calc C 0. Mélange destiné à la fabrication d’un clinker avec une teneur en C³A < 3 % : La réduction de la teneur en C³A peut être obtenue de 2manières utilisées conjointement ou séparément en choisissant les matières premières pour : ? ? Augmenter la teneur en fer Réduire la teneur en alumine Par exemple une solution peut être obtenue à partir du calcaire A.06 2.69 0.00 0.00 0.10 0.00 76.10 1.03 0.79 100.25 0.36 1.22 1.27 70.00 81.00 Corr 2 3.67 10.04 100.00 0.00 Calc C 1.18 15.69 3.00 0.62 0.44 100.18 0.99 0.74 0.02 0.00 80.01 0.00 6.24 40.08 5.00 Calc B 0.00 4.28 64.91 100.00 0.30 0.20 0.10 52.41 100.00 5.86 1.72 0.00 23.24 4.46 4.12 100.20 0.00 5.18 0.57 3.20 52.00 Arg 1 75.00 1.55 100.52 0.00 1.00 0.00 1.41 53.17 0.20 0.10 0.00 0.20 0.20 1.22 100.00 0.10 15.10 1.51 0.00 0.10 0.00 1.10 0.00 T SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 P²O5 Cl MgO Ind PF ? T/h % % % % % % % % % % % % Caractéristiques sur matières calcinées Calc A 59.17 0.15 70.71 92.50 0.02 0.48 0.20 1.51 0.10 0.93 100.81 0.3.00 Cal D 0.17 87.00 100.14 23.26 0.46 1.78 1.10 1.86 100.32 6.00 0.17 1.20 15.00 Arg 2 Découv 20.00 T SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 P²O5 Cl MgO Ind ? T/h % % % % % % % % % % % 159 .20 0.54 9.33 0.16 1.00 2.32 100.20 2.00 Calc B 4.00 0.60 0.00 0.36 92.00 0.30 0.50 0.70 0.00 0.10 0.61 0.00 2.00 0.00 44.87 1. de l’argile 2 et du matériau de correction.38 0.00 100.00 0.00 Corr 2 3. 30 5.52 % 0.20 14.24 % 0.12 1.37 3.78 % 3.44 8.33 100.00 96.16 0.12 21.91 4.93 2.Caractéristiques du clinker Clinker T/h 84.24 0.12 1.45 8.25 0.17 2.21 1.18 2.78 0.62 66.49 0.00 97.52 0.91 9.49 68.12 % 1.20 14.62 % 0.27 0.44 8.83 2.78 3.93 2.91 % 4.68 Saturation en chaux (LSF) Module hydraulique (HM) Module silicique (SM) Mod aluminoferrique (TM) C³S C³S C³A C4AF % % % % 160 .62 0.15 0.81 72.78 0.83 % 66.13 11.98 1.00 % 96.85 0.00 Proposition 84.68 T SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 P²O5 Cl MgO Ind ? Facteur saturation en chaux (LSF) Module hydraulique (HM) Module silicique (SM) Module aluminoferrique (TM) C³S C³S C³A C4AF % % % % Comparaison des 2 formulations Référence T SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 P²O5 Cl MgO Ind ? T/h % % % % % % % % % % % % 84.73 0.18 2.83 66.20 21.81 72.49 % 0.31 100.15 % 0.17 2.20 % 21.33 % 100. 15 70.10 0.00 On demande de proposer une composition de farine pour répondre à cet objectif Et de calculer le tonnage horaire des matières premières à préparer.87 3.81 0. SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 P²O5 Cl MgO Indosés PF Somme % % % % % % % % % % % % Calcaire 1.00 1.Exercice 13 Enoncé : Une cimenterie désire fabriquer un clinker pour puits de pétrole à partir de 4 matières premières disponibles à proximité de l’usine : ? ? ? ? Calcaire (10 % d’humidité) Découverte de la carrière (10 % d’humidité) Argile (10 % d’humidité) Minerai de fer (3 % d’humidité) Le clinker doit avoir un facteur de saturation compris entre 97 et 100 % et une teneur en C³A < 3 %.00 0.10 15.00 2.00 Argile 62.20 0.01 0.50 0.00 0.10 0.00 Découverte 80.15 0.50 0.51 0.51 0.00 9. Les compositions sur matières sèches de ces matériaux sont données dans le tableau suivant.00 0.57 100.00 0.00 23. Solution : On demande de fabriquer un clinker avec 3 caractéristiques : ? ? ? le tonnage de clinker à produire (100t/h ) la saturation de ce clinker doit être comprise entre 97 et 100 % la teneur en C³A du clinker doit être en dessous de 3 % Ce système de 3 équations sera résolu avec 3 inconnues : 161 .10 1.54 0.00 Minerai fer 10.00 0.10 0.93 100. La cuisson est menée au gaz naturel et la marche du four ne nécessite pas de by pass de poussières.00 5.79 100.00 5.00 5.00 0.41 53.20 1.12 0.44 100.00 0.00 0.30 0.00 1. La production du four est de 100 t par heure de marche en régime.00 0.07 42.72 1.20 0. 65((Tccalciné x fe²O³ccalciné) + (Tdcalciné x Fe²O³dcalciné) + (Tfcalciné x Fe²O³fcalciné)) = 99 Teneur en C³A : 2. Brut Calcaire Découverte 162 Argile Minerai fer . Bilan matières : Tc calciné + Td calciné + Tf calciné = 100 Avec : ? ? ? Tc brut = Tc calciné / ( ( 100 – 10 ) / 100 ) x ( ( 100 – 42. matière argileuse à déplacer pour l’exploitation du calcaire.44) / 100) Td brut = Td calciné / ( ( 100 – 10 ) / 100 ) x ( ( 100 – 1.65((Tccalciné x Al²O³ccalciné) + (Tdcalciné x Al²O³dcalciné) + (Tfcalciné x Al²O³fcalciné)) 1. L’argile est éliminée dans le calcul si les disponibilités en matières argileuses dans la découverte sont suffisantes.57) / 100) Tf brut = Tf calciné / ( ( 100 – 3 ) / 100 ) x ( ( 100 – 0.79) / 100) Facteur de saturation : 100((Tccalciné x CaOccalciné) + (Tdcalciné x CaOdcalciné) + (Tfcalciné x CaOfcalciné)) / 2.5 t/h Minerai de fer :4 t/h Les diverses transformations de matières brutes en matières sèches et matières calcinées sont résumées dans les tableaux suivants.? ? ? la quantité de calcaire (matière de base) la quantité de minerai de fer (nécessaire pour réduire la teneur en C³A) la découverte. qui contient le moins d’alumine par rapport à la concentration de silice.6 La résolution de ce système de 3 équations à 3 inconnues à comme solution : ? ? ? Calcaire : 139 t/h Découverte : 27.8((Tccalciné x SiO²ccalciné) + (Tdcalciné x SiO²dcalciné) + (Tfcalciné x SiO²fcalciné)) 1.18((Tccalciné x Al²O³ccalciné) + (Tdcalciné x Al²O³dcalciné) + (Tfcalciné x Al²O³fcalciné)) 0.69((Tccalciné x fe²O³ccalciné) + (Tdcalciné x Fe²O³dcalciné) + (Tfcalciné x Fe²O³fcalciné)) = 2. 00 Minerai fer 3.94 5.30 0.00 1.00 0.74 0.18 15.00 23.20 0.71 92.50 10.07 42.12 100.00 0.00 0.81 0.00 27.57 100.51 0.50 0.00 5.12 0.00 4.00 Minerai fer 3.44 100.20 1.00 1.20 5.02 0.20 0.00 Argile 0.10 15.20 0.00 Découverte 24.00 3.15 0.14 5.95 0.00 0.41 0.51 0.00 0.10 0.15 70.00 0.00 0.00 Argile 0.10 0.17 0.00 5.10 0.03 0.95 1.00 0.20 0.20 1.51 0.00 0.10 0.54 23.00 1.91 100.00 5.00 64.28 9.27 70.00 T/h % % % % % % % % % % % % T/h % % % % % % % % % % % 163 .52 0.50 0.50 0.17 1.54 0.01 0.00 0.26 0.00 0.08 2.00 10.41 53.72 1.93 100.20 0.56 1.52 0.00 Calcaire 72.00 2.00 5.00 0.02 0.73 100.79 100.10 0.01 1.Tonnage Humidité Sec Tonnage SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 P²O5 Cl MgO Indosés PF Somme Calciné Tonnage SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 P²O5 Cl MgO Indosés Somme T/h % 139.10 1.00 9.00 0.88 10.87 3.10 1.75 80.36 81.00 62.00 Calcaire 125.55 100.00 Découverte 24.85 10.00 0. Tonnage SiO² Al²O3 Fe²O³ CaO Na²0 K²0 P²O5 Cl MgO Indosés Somme T/h % % % % % % % % % % % Clinker 100.55 Facteur saturation en chaux (LSF) Module hydraulique (HM) Module silicique (SM) Module aluminoferrique (TM) C³S C³S C³A C4AF % % % % 164 .24 0.55 3.82 0.52 0.18 3.59 13.82 4.20 2.14 0.26 2.38 2.46 67.50 0.22 21.86 78.32 0.00 99.12 1.32 100. 39 11.38 47.15 1.02 46.33 2.30 2.31 2.36 1.96 47.20 8.28 2.46 47.33 2.17 10.03 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Moy E Type SiO² 10.70 47.58 47.25 1.41 9.27 0.35 1.31 2.Exercice 14 Enoncé : Les résultats d’analyse à l’entrée et à la sortie d’un silo d’homogénéisation de cru avant l’alimentation d’un four sont repris dans les 2 tableaux suivants.35 2.90 10.11 1.26 47.12 1.33 2.45 9.07 0.99 1.48 11.93 9.15 1.70 47.45 47.59 LSF 146 153 153 149 153 148 141 142 145 147 145 154 156 153 152 149 166 172 148 130 129 132 145 148 10 165 .01 1.34 1.36 46.95 10.28 10.90 46.39 10.35 2.15 9.03 1.38 47.58 47.40 45.00 10.33 2.06 1.28 2.49 47.56 47.20 1.25 1.55 47.36 1.44 10.92 1.83 9.32 2.26 2.65 47.02 1.30 11.94 9.33 0.93 1.31 10.30 2.02 1.32 0.93 1.32 1.61 CaO 47.32 2.94 10.15 1. Décrivez le procédé utilisé et calculez le rendement d’homogénéisation de ce silo ? Remplissage du silo Al²O³ Fe²O³ 2.82 10.30 1.00 1.60 47.38 10.99 48.48 47.22 1.36 1.00 1.64 10.90 9.94 1.18 47.33 2.05 1.34 2.85 1.96 46. 53 2.10 12.59 0.70 1.75 45.53 2.47 2.71 1.12 44.6 LSF 10 2 5.48 2.70 1.5 et supérieur aux valeurs moyennes pour ce genre d’installation.45 2.03 Fe²O³ 1.52 2.49 2.51 2.72 1. SiO² 0.0 Fe²O³ 0.70 1.72 1.23 Al²O³ 2.10 44.41 12.69 1.48 2.70 1.82 12.42 12.08 44.15 11.49 12.49 2.23 2.92 45.67 1.52 2.12 0.68 1.46 45.41 2.71 1.04 45.00 44.71 1.95 45.54 2.32 12.45 44.40 12.26 12.51 2.50 2.95 45.68 1.01 CaO 44.72 1.12 12.86 11.25 0.03 4.51 2.70 1.47 2.Correction et vidange du silo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Moy E Type Solution : SiO² 12.40 44.6 Al²O³ 0.70 0.75 44.72 1.45 11.90 44.70 1.50 0.92 11.49 2.85 12.00 44.54 2.69 1.70 1.69 1.40 44.50 2. Il est >2.36 12.0 Entrée Sortie E 166 .90 0.50 2.56 2.71 1.34 45. Cette farine ne peut servir seule à la fabrication du clinker.80 45.03 0.01 44.24 45.50 12.68 1. Il est nécessaire d’ajouter une quantité importante de matières siliceuses pour ramener son facteur de saturation de 117 % à une valeur < 100 % lors de la cuisson.47 2.41 12. La saturation passe de 148 % en moyenne à l’entrée du silo à 117 % en moyenne à la sortie du silo. il est évident que des opérations de correction chimique sont réalisées pendant l’homogénéisation de la matière.01 3.05 44.40 12.50 2.25 12.98 45.41 LSF 114 116 119 122 115 117 116 118 116 115 116 118 122 115 115 117 118 121 115 116 118 119 116 117 2 En comparant les analyses des 2 tableaux Entrée et Sortie silo.0 CaO 0.90 12.49 12.72 1.96 44.61 0. Le rapport d’homogénéisation (E) est défini par le rapport des écarts type entrée et sortie silo.42 11.35 12. Etude de l'utilisation potentielle d'argiles dans un cru de cimenterie 1 Objectif de l'étude Etablir un diagnostic sur l'utilisation de matériaux siliceux disponibles près d’une cimenterie pour la fabrication d'un clinker. 2 Echantillons à évaluer - Argilite prélevée entre 488 et 489 mètres. L'échantillon est constitué de 8 morceaux de carottes de 85 mm de diamètre et 40 mm de hauteur. - Silt Argileux prélevé entre 590 et 613 mètres (Silt en abrégé). L'échantillon est constitué de 3 morceaux de carottes de 100 mm de diamètre et de 100 mm de hauteur. 3 Résultats Les résultats sont résumés dans les tableaux et les graphiques en annexe. 4 Modes opératoires 4.1 Schéma général de travail Un échantillon de ± 1 kg de matière est constitué pour l'étude en prélevant un morceau sur chacune des 8 carottes d'Argilite et des 3 carottes de Silt. L'humidité est déterminée avant la réduction complète de l'échantillon en dessous de 200 µm dans un broyeur à couteaux. La caractérisation chimique et la mesure de la courbe granulométrique sont réalisées à ce stade. Pour évaluer l'aptitude à la cuisson des 2 matériaux argileux, des farines synthétiques sont préparées en mélangeant ces matériaux avec une farine de base avec un module LSF de 125. Les mélanges sont obtenus par un broyage de 30 secondes dans un broyeur oscillant en milieu humide. Deux matériaux traditionnellement utilisés en cimenterie sont pris comme référence pour cette évaluation. L'évolution de la teneur en chaux libre des farines en fonction de la température de calcination servira à caractériser l'aptitude à la cuisson de l'Argilite et du Silt. 4.2 Méthodes analytiques 4.2.1 Humidité L'échantillon de ± 1 kg constitué de morceaux de carottes concassés en dessous de 10 mm de diamètre est porté à 100 °C dans une étuve ventilée. L'échantillon est maintenu jusque poids constant. La perte de poids constitue l'humidité de l'échantillon. 4.2.2 Concassage Le concassage des échantillons secs est réalisé dans un broyeur rotatif à couteaux. La sortie du broyeur est équipée d'une grille de maille de 200 µm. 4.2.3 Broyage 167 Un broyeur à anneaux oscillants est utilisé pour le broyage final en dessous de 100 µm des échantillons concassés. L'homogénéisation de la farine (Matériaux ANDRA et farine de base de LSF 125) dont l'aptitude à la cuisson sera ensuite déterminée, est réalisée pendant le broyage. Pour éviter une agglomération de la matière sur les parois du broyeur, le broyage se fait en milieu humide (acétone). La pâte ainsi préparée est séchée pour éliminer le liquide de broyage. 4.2.4 Perte au feu La perte au feu est déterminée suivant la norme EN 196-2 : Méthodes d'essais des ciments, analyse chimique des ciments (détermination en atmosphère oxydante à 975 °c). La même détermination peut être réalisée à d'autres températures. 4.2.5 Résidu insoluble Le résidu insoluble est déterminé suivant la norme EN 196-2 : Méthodes d'essais des ciments, analyse chimique des ciments. RI (1) : insolubilisation dans une solution d'acide chlorhydrique dilué. RI (2) : double insolubilisation à l'acide chlorhydrique dilué et au carbonate de soude. 4.2.6 Dosage du soufre par spectrométrie infrarouge Le soufre de l'échantillon est libéré sous forme de SO2 par chauffage en milieu oxydant. L'absorption quantitative du rayonnement infrarouge est utilisée pour la détermination du soufre total quelle que soit sa forme minéralogique. 4.2.7 Dosage potentiométrique des chlorures Après mise en solution, les chlorures de l'échantillon sont précipités par une solution de nitrate d'argent. Le point d'équivalence est mis en évidence par la brusque variation de potentiel entre deux électrodes. 4.2.8 Dosage coulométrique de l'anhydrite carbonique L'anhydrite carbonique libérée par l'attaque acide de l'échantillon est absorbée quantitativement par la monoéthanolamine. La mesure coulométrique est réalisée dans une cellule photoélectrique. 4.2.9 Dosage de la chaux libre La chaux libre dans une matière calcinée est déterminée suivant la méthode de SchlapferBukowski. La chaux libre est dissoute dans l'éthylène glycol. Le glycolate de calcium formé est dosé après filtration par une solution d'acide chlorhydrique. 4.2.10 Analyse chimique Un spectromètre séquentiel à Rayons X est utilisé pour la caractérisation chimique des matériaux. L'analyse des éléments majeurs est réalisée sur un verre synthétique préparé à partir de l'échantillon à analyser, de tétraborate et de nitrate de lithium. L'analyse des mineurs est effectuée sur une pastille préparée à partir de l'échantillon à analyser, après broyage et pastillage. 4.2.11 Modules et indices 168 L'analyse chimique est exprimée sur matières sèches ou sur matières calcinées à perte au feu nulle. A partir de l'analyse chimique le cimentier calcule des modules chimiques pour qualifier les farines ou les clinkers. Mod de saturation en chaux = 100 x CaO/(2.8 x SiO 2 + 1.18 x 1Al 2O3 + 0.65 x Fe2O3) Module silicique = SiO 2/(Al 2O3 + Fe2O3) Module alumino-ferrique = Al2O3/Fe2O3 La composition minéralogique potentielle des clinkers est déterminée à partir des formules de Bogue. La chaux libre et les sulfates présents ne sont pas pris en considération. Alite = 4.71 x CaO - 7.602 x SiO 2 - 6.718 x Al2O3 - 1.43 x Fe2O3 Bélite = 2.867 x SiO 2 - 0.7544 x Alite Aluminate = 2.65 x Al2O3 -1.692 x Fe2O3 Ferrite = 0.43 x Fe2O3 4.2.12 Analyse granulométrique laser La lumière cohérente issue d'un laser hélium-néon traverse une suspension de l'échantillon à mesurer. La courbe granulométrique est calculée à partir de la diffraction du faisceau lumineux liée à la dimension des grains diffractants. 4.3 Aptitude à la cuisson du cru de cimenterie 4.3.1 Principes de la méthode La cuisson du cru (farine ou pâte) en clinker est une étape importante du processus cimentier. Le clinker est en fait constitué de quatre composants qui se combinent pendant la cuisson. De nombreux paramètres physiques ou chimiques influencent cette opération. Aussi il est primordial pour le cimentier de connaître ou d'évaluer l'aptitude à la cuisson de son cru. Le constituant essentiel du clinker est le silicate tricalcique. Ce corps est obtenu par cuisson à haute température de matières premières constituées principalement de silice et de chaux. La présence d'alumine et d'oxyde de fer facilite énormément la cuisson par formation de phases liquides. Les réactions se faisant en partie à l'état solide, le degré de facilité de cuisson dépend principalement des paramètres suivants: ? la composition chimique : - les quatre oxydes principaux de silicium, calcium, aluminium et fer - la présence d'oxydes mineurs; ? la nature minéralogique des matières premières qui influe sur la réactivité propre des éléments (calcaire ou craie, silicate ou quartz, ...); ? la finesse et l'homogénéité du mélange; ? la présence ou l'absence de minéralisateurs. L'aptitude à la cuisson est un paramètre important dans le processus de fabrication cimentier. Elle intervient sur le débit du four, la consommation calorifique, la bonne tenue des 169 pour obtenir les caractéristiques de la farine à calciner (tableau 2. graphique 1). On peut suivre l'avancement des réactions qui se produisent dans un four de cimenterie par la diminution de la perte au feu et de la teneur en chaux libre de la farine en fonction de l'élévation de température. Les deux composants sont mélangés de manière à obtenir une farine finale de module LSF de 97. Les résidus insolubles obtenus par simple insolubilisation à l'acide ou par double insolubilisation acide-base sont comparables aux caractéristiques des matériaux traditionnels (tableau 2.1). deux farines préparées à partir de matériaux connus sont prises comme référence. Commentaires 5. Cette méthode est de caractère empirique mais permet de tester de façon pratique l'influence d'un paramètre minéralogique ou chimique sur les réactions de combinaison de la chaux ainsi que la cinétique de ces réactions. Aptitude à la cuisson = 600 / (C800 °C + 2 x C900 °C + 2 x C1000 °C + 3 x C1100 °C + 3 x C1200 °C + 4 x C1300 °C + 4 x C1400 °C) 5.2 Sur les caractéristiques chimiques Les deux matériaux siliceux prélevés par la cimenterie A présentent un apport siliceux intéressant mais comportent aussi une teneur élevée en carbonate (tableau 1. L'aptitude à la cuisson est une méthode comparative qui permet d'apprécier l'importance d'un paramètre. une nouvelle matière première dans le cru par exemple.1). 5. Pour tenir compte des différences de composition chimique des deux farines à tester. D'un point de vue cimentier. Il n'est pas possible de maintenir constant tous les modules chimiques sans introduire un matériau supplémentaire qui influencera aussi les résultats d'aptitude à la cuisson. 1100. 4. L'Argilite contient une humidité résiduelle de 6% qui devra être éliminée pendant le broyage (tableau 1.2.1).2 Description de la méthode Une farine synthétique est préparée à partir des matériaux siliceux à tester avec une farine de base ayant un module LSF de 125. Le creuset est ensuite refroidi rapidement à la température ambiante. La farine à tester est broyée pour obtenir un diamètre de grain maximum de 32 µm.1. et en définitive sur le prix de revient de la cuisson proprement dite.3. sable argileux ou cendres volantes.1 Sur la broyabilité Le broyage du Silt est plus difficile. La calcination est maintenue pendant 15 minutes. sur la cuisson du clinker. le Silt dépasse à partir de 32 µm le refus des matériaux traditionnels ou de l'Argilite et nécessitera sans doute une énergie plus importante pendant le broyage industriel (tableau 2. 900. Le coefficient d'aptitude à la cuisson est calculé en fonction des teneurs en chaux libre des 7 farines calcinées. 170 .3. 5 g de farine sont placés dans un creuset de Pt/Au et introduits dans un four à moufle dont la température a été préalablement stabilisée à la température d'essai. la silice des deux échantillons fournis par la cimenterie se présente sous une forme assimilable. 1300 et 1400 °C. Dans nos conditions d'essais.2). 1000.réfractaires. Le test est reproduit pour les températures de 800. 1200.1.1. Il faut 50% d'Argilite en plus ou 20% de Silt en plus que les matériaux siliceux traditionnels. 3 Sur l'aptitude à la cuisson Il est possible de préparer des farines synthétiques en laboratoire à partir d'Argilite et de Silt (tableau 2. Dans nos conditions d'essais. L'Argilite présente de meilleurs résultats à mettre en relation avec le module silicique plus faible. Conclusions Sur base des analyses réalisées sur les matériaux de la cimenterie.18 pour le Silt. il est possible d'introduire l'Argilite et le Silt dans des crus de cimenterie.1). Le Silt nécessite une énergie de broyage plus importante. L'aptitude à la cuisson des deux matériaux de la cimenterie.1.2 et 2. Les caractéristiques chimiques des deux farines sont relativement proches des caractéristiques chimiques des deux farines de référence pour les modules silicique et alumino-ferreux et pour la composition minéralogique potentielle calculée suivant les formules de Bogue (tableaux 2. les écarts entre la courbe granulométrique du Silt et les courbes granulométrique de l'Argilite. L'Argilite qui apporte aussi de l'aluminium et du fer.5. L'apport de ces deux oxydes par pour-cent de silice est de 0. 0. Les teneurs en phosphates et en chlores sont faibles (tableau 1. du sable argileux ou des cendres volantes ne se sont pas reproduits pendant le broyage final des farines synthétiques en laboratoire (tableau 2.1). 5.2.3).5. comparable à l'aptitude à la cuisson des matériaux de référence.62 pour les cendres volantes. Les teneurs en soufre ou en alcalis sont importantes et pourraient provoquer des irrégularités dans certains processus cimentiers (tableau 1. est bonne (tableaux 2.2). ? ? ? Les deux matériaux contiennent une quantité importante de carbonate de calcium.4).1).1.34 pour l'Argilite. En ce qui concerne les éléments mineurs.1. 0.3.3. 0.1 et 2. graphiques 2 et 3). 2.L'Argilite apporte une quantité non négligeable d'oxydes d'aluminium et de fer.16 pour le sable argileux. doit être séchée.1. la teneur en chrome est relativement élevée dans l'échantillon d'Argilite (tableau 1.3.2). 171 .1. Il faudra tenir compte de cet apport de phase liquide en cas d'utilisation en quantité importante d'Argilite dans un cru de cimenterie (tableau 1. 6. Ce facteur n'influence donc pas les résultats des tests d'aptitude à la cuisson. 25 0.04 0.95 0.97 10.36 0.85 2.46 5 4 4 3 5 1 6 3 84 28 62 32 128 150 Silt Argileux 53.44 4.57 100.36 14.31 3.66 0.95 5 4 4 3 5 1 6 3 45 22 40 130 75 80 SO³ Cl P au Feu Somme PF 500°c CO² Humidité Te Sb Cd Pb Br Se As Tl Zn Cu Ni Co Cr V 172 .08 0.01 2.05 0.09 1.05 1.08 100.69 7.03 15.61 0.62 4.82 17.55 0.1 Caractéristiques chimiques des échantillons 1.24 5.01 18.74 4.07 0.16 12.03 17.49 0.37 1.30 1.1 Analyse sur matières sèches Argilite SiO² Al²O³ Fe²O³ CaO MgO Na²O K²O Mn²O³ TiO² P²O5 % % % % % % % % % % % % % % % % % ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm ppm 41. 48 0.11 2.90 Silt Argileux 63.06 1.01 100.23 12.06 0.74 0.04 100.30 3.08 0.19 1.76 0.91 21.61 0.38 3.74 4.2 Analyse sur matières calcinées Argilite SiO² Al²O³ Fe²O³ CaO MgO Na²O K²O Mn²O³ TiO² P²O5 % % % % % % % % % % % % % 51.03 0.12 0.36 1.73 SO³ Cl Somme 173 .11 0.34 20.79 3.1.59 8.58 0. 95 0.5 1.6 15.0 1.45 3.09 1.97 10.0 100.7 41.49 0.18 0.0 32.5 4.26 5.8 100.7 33.0 24.0 96.6 95.9 27.2 70.0 128.1.4 5.4 174 .1 12.85 2.0 96.3 100.37 100.0 16.30 1.08 0.2 15.43 0.05 1.20 0.7 98.0 90.2 66.3 8.0 87.1 13.15 0.01 6.12 3.4 7.2 Aptitude à la cuisson 2.9 49.1 10.03 15.25 0.69 7.57 100.25 0.0 46.11 0.5 20.07 0.24 6.05 0.0 11.55 0.2 Courbe granulométrique (passants laser) 192.30 0.03 17.0 100.0 3.14 0.1 3.2 74.1 92.0 6.2 33.8 14.0 µm µm µm µm µm µm µm µm µm µm µm µm µm µm µm µm % % % % % % % % % % % % % % % % 100.7 20.68 0.5 22.7 5.0 4.0 27.1 Analyse sur matières sèches SiO² Al²O³ Fe²O³ CaO MgO Na²O K²O Mn²O³ TiO² P²O5 % % % % % % % % % % % % % % 41.0 70.01 36.0 98.4 19.0 99.7 100.0 58.99 0.26 54.6 58.4 5.31 3.0 97.0 100.6 94.2 100.3 35.0 57.0 92.53 0.19 1.01 18.5 4.2 64.9 88.86 45.79 SO³ Cl P au Feu Somme 2.0 8.4 7.8 38.7 80.3 85.11 8.1 6.74 53.0 100.49 0.14 0.01 2.05 0.04 0.4 59.0 64.4 86.88 100.50 1.46 0.7 29.14 0.45 27.07 100.0 78.0 98.0 78.36 0.6 89.60 2.44 4.01 3.1 88.09 0.9 40.66 0.0 48.3 51.0 12.06 1.1 68.61 0.5 18.25 0.10 72.24 1.1.0 95.4 28.3 23.68 0.58 2.3 25.62 11.9 50.1 20.1 Caractéristiques des échantillons Référence Référence Silt Argileux Cru ciment Sable argileux Référence Cendres volantes Argilite 2.0 2.08 100.8 43.82 17.90 1. 00 2.26 0.73 0.29 2.24 1.00 3.08 0.555 6.09 9.83 0.3.43 0.05 0.3.50 0.60 71.01 10.25 0.00 3.141 95.810 94.23 0.77 10.23 22.16 21.190 4.55 97.27 0.3.80 0.49 9.72 0.78 0.08 0.43 4.86 4.71 1.35 5.40 4.16 66.68 0.07 72.27 0.28 0.98 67.73 0.08 1.90 3.33 0.34 1.25 66.3 Composition minéralogique (Bogue) C³S C²S C³A C4AF % % % % 68.32 9.30 0.859 93.35 2.81 2.00 2.21 TiO² P²O5 SO³ Cl Somme 2.445 91.28 0.97 11.96 0.08 0.2 Composition des crus synthétiques Référence Sable argileux Référence Cendres volantes Argilite Silt Argileux Argilite Silt Cru base Sable Arg CV % % % % % 8.02 100.45 6.94 0.2.1 Analyse chimique des clinkers synthétiques SiO² Al²O³ Fe²O³ CaO MgO Na²O K²O Mn²O³ % % % % % % % % % % % % % 21.00 7.37 6.07 65.89 175 .05 1.335 2.33 0.29 10.65 9.21 22.26 0.44 97.02 100.08 0.665 5.27 0.71 0.3 Caractéristiques chimiques des crus synthétiques Référence Sable argileux Référence Cendres volantes Argilite Silt Argileux 2.32 12.24 0.98 67.02 100.94 0.02 100.2 Modules chimiques LSF Silicique Al/Fer 97.88 3.46 97. 0 97.0 2.8 18.0 3.0 12.0 83.0 100.3 41.0 61.0 100.8 21.5 Argilite Silt Argileux 192.0 µm µm µm µm µm µm µm µm µm µm µm µm µm µm µm µm % % % % % % % % % % % % % % % % 100.0 100.0 8.0 6.3 96.0 100.0 100.7 92.6 44.0 100.2.5 92.0 98.7 58.8 43.8 96.4 100.9 92.0 100.0 54.8 176 .0 64.5 1.8 28.0 100.0 73.2 93.1 20.9 28.0 100.0 128.0 96.0 100.0 100.0 4.0 62.5 70.0 100.8 26.3 82.0 100.3 83.0 96.0 100.0 41.3 65.0 99.1 57.0 Référence Cendres volantes 100.4 Caractéristiques granulométriques des crus synthétiques Référence Sable argileux 100.7 90.3 75.8 55.8 75.0 48.0 100.6 88.5 88.0 24.3 65.0 99.0 1.0 32.9 89.0 16.7 77.0 25.2 81.5 19.0 100. 7 21.5 34.4 35.0 36.7 36.7 45.9 45.1 36.0 36.5 10.8 177 .2 17.6 35.0 3.5.4 35.4 35.4 1.4 32.2 17.6 35.6 43.2 Evolution de la perte au feu 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 °c °c °c °c °c °c °c % % % % % % % 19.5 35.3 35.8 45.6 35.2 1.7 7.3 10.3 35.2.7 7.5.5 35.4 4.9 35.5 35.7 35.5 42.1 Evolution de la chaux libre 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 Aptitude à la cuisson °c °c °c °c °c °c °c % % % % % % % 14.2 37.1 29.1 4.6 35.8 36.5 35.5 25.3 49.7 35.7 50.6 3.5 39.4 1.4 2.2 18.4 42.4 15.6 14.1 35.5 Test d'aptitude à la cuisson Référence Sable argileux Référence Cendres volantes Argilite Silt Argileux 2.0 12.2 1.7 36.5 34.4 35. Etude de l'utilisation potentielle d'argiles dans un cru de cimenterie Graphique 1 : Préparation des farines .Granulométrie des matériaux 100 80 Argilite du Callovo Oxfordien Passant (%) 60 Silt Argileux Cru ciment 40 Sable Argileux Cendres volantes 20 0 1 10 100 1000 Maille de coupure (µm) Graphique 1 Etude de l'utilisation potentielle d'argiles dans un cru de cimenterie Graphique 2 : Granulométrie des farines synthétiques 100 80 Passant (%) 60 Argilite du Callovo Oxfordien Silt Argileux 40 Sable Argileux Cendres volantes 20 0 1 10 100 1000 Maille de coupure (µm) Graphique 2 178 . Etude de l'utilisation potentielle d'argiles dans un cru de cimenterie Graphique 3 : Aptitude à la cuisson de l'Argilite 60 50 CaO libre (%) 40 Argilite du Callovo Oxfordien 30 Sable Argileux Cendres volantes 20 10 0 700 900 1100 1300 1500 Température de calcination (°c) Graphique 3 Etude de l'utilisation potentielle d'argiles dans un cru de cimenterie Graphique 4 : Aptitude à la cuisson du Silt 60 50 CaO libre (%) 40 Silt Argileux 30 20 10 0 700 Sable Argileux Cendres volantes 900 1100 1300 1500 Température de calcination (°c) Graphique 4 179 .