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Électif 10 Mise en forme industrielle des sols et matériaux granulaires Les ciments, liants hydrauliques.

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1 Électif 10 Mise en forme industrielle des sols et matériaux granulaires Les ciments, liants hydrauliques

2 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques2 Définition Norme NF P de 1994 : « Le ciment est un liant hydraulique, cest-à-dire une matière inorganique finement moulue qui, gâchée avec de leau, forme une pâte qui fait prise et durcit par suite de réactions et processus dhydratation et qui, après durcissement, conserve sa résistance et sa stabilité, même sous leau. »

3 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques3 Petit historique Panthéon de Rome : –Construction : 27 av. JC, reconstruction : 125 –Béton de chaux, pierre, brique, mortier –Chaux + cendres volcaniques de Pouzzoles

4 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques4 Petit historique Louis Vicat ( ) : –Recherche sur lhydraulicité de la chaux –Travaux sur le clinker –1840 : fabrication de ciment industriel, 80% de carbonate de calcium + 20% de silice « 1 er » pont en béton coulé, Jardin botanique de Grenoble

5 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques5 Petit historique Joseph Aspdin ( ) : –Donne le nom de ciment Portland en référence à la pierre calcaire de lîle de Portland

6 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques6 Plan 1.Fabrication des ciments (liants hydrauliques) 2.Composition du clinker 3.Ajouts au clinker 4.Normalisation des ciments

7 1. Fabrication des ciments

8 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques8 1. Fabrication des ciments

9 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques9 1. Fabrication des ciments Source : CIMBETON

10 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques10 1. Fabrication des ciments 1.Extraction des matières premières Se fait en carrière 80% calcaire => carbonate de calcium 20% argile => silice, alumine et minerai de fer 2.Broyage du cru et cuisson Broyage très fin => le cru Passage au four => le cuit Refroidissement brutal (trempe) => le clinker 3.Broyage du ciment et expédition Addition de gypse (3 à 5 %), pour réguler la prise => ciment Portland Autres additifs éventuels Broyage très fin => pour obtenir un « ciment pur »

11 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques11 1. Fabrication des ciments Matières premières –80% calcaire –20% argile Produit de la cuisson –Transformations chimiques –Granules de clinker Produits daddition –Gypse (régulateurs de prise) –Laitiers de haut fourneau –Fillers –Fumée de silice –… Ciment –Broyage –Conditionnement

12 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques12 1. Fabrication des ciments Source : CIMBETON

13 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques13 1. Fabrication des ciments Source de carbonate de calcium = roches calcaires Source de silice, alumine, fer = argile La marne = mélange naturel de calcaire et dargile Extraction en carrières Extraction des matières premières

14 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques14 1. Fabrication des ciments Source : CIMBETON

15 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques15 1. Fabrication des ciments Préparation du « cru » calcaire argile broyage 0,2 mm le cru Ajouts éventuels : bauxite ou oxyde de fer matières premières mélangeconditionnement granules pâte fluide Voie sèche ou semi-sèche : Voie humide :

16 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques16 1. Fabrication des ciments Source : CIMBETON

17 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques17 1. Fabrication des ciments 1.Préchauffage 1.Déshydratation de largile 2.Début de la décarbonatation du calcaire 2.Cuisson 1.Four rotatif incliné : ~ 80 m (voie sèche) / ~ 150 m (voie humide), diamètre 5 m, tôle dacier tapissée de briques réfractaires à lintérieur 2.Température de cuisson : 1450 °C 3.Temps de cuisson : ~ 1 h (voie sèche) Cuisson du « cru »

18 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques18 1. Fabrication des ciments Source : CIMBETON

19 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques19 1. Fabrication des ciments La trempe : refroidissement brutal du « cuit » Sortie du four => granules de clinker Clinker : –Phase solide = silicates –Phase liquide => aluminates après trempe Air froid insufflé au clinker Récupération de lair réchauffé par le clinker

20 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques20 1. Fabrication des ciments Source : CIMBETON

21 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques21 1. Fabrication des ciments Ajout et broyage Gypse : régulateur de prise Laitier de haut fourneau Cendres volantes Fillers calcaires

22 2. Le clinker - Composition chimique et microstructure

23 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques23 2. Composition du clinker Composition du ciment : –Clinker –Gypse –Laitier de haut fourneau –Pouzzolanes –Cendres volantes –Fumée de silice –Fillers –… Ciment ordinaire : –Ciment Portland = 95 à 97% clinker + 3 à 5% gypse

24 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques24 2. Composition du clinker Composition du « cru » : –Chaux CaO produit de la décarbonatation du calcaire : –Silice SiO 2 –Alumine Al 2 O 3 –Oxyde de fer Fe 2 O 3 –Alcalins : Na, K CaCO 3 (calcaire) CaO (chaux) + CO °C source : argile

25 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques25 2. Composition du clinker Notations cimentières : chaux silice alumine oxyde de fer Abstraction faite des « O »

26 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques26 2. Composition du clinker Composition du « cuit » : –Silicate bicalcique Ca 2 SiO 4 (= C 2 S) –Silicate tricalcique Ca 3 SiO 5 (= C 3 S) –Aluminate tricalcique Ca 3 Al 2 O 6 (= C 3 A) –Aluminoferrite tétracalcique Ca 4 Al 2 Fe 2 O 10 (= C 4 AF) –Alcalins : Na, K Ca 2 SiO 4 (= C 2 S) + CaO (= C) Ca 3 SiO 5 (= C 3 S) > 1300°C phase solide phase interstitielle liquide à 1400°C

27 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques27 2. Composition du clinker La trempe => durcissement des aluminates => silicates collés entre eux Fabrication du clinker : combiner toutes les molécules de CaO avec la silice, lalumine et le fer, pour former, à 1450°C, des silicates et aluminates aux propriétés hydrauliques Ciment Portland (ordinaire) = clinker + 5% gypse broyés et mélangés

28 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques28 2. Composition du clinker Composition « grossière » du clinker (% massique) C3SC3S50 à 60% C2SC2S20 à 30% C3AC3A8 à 10% C 4 AF10 à 12%

29 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques29 2. Composition du clinker Composition « fine » du clinker (en % massique) CaO60 à 67%TiO 2 0,2 à 0,4% SiO 2 18 à 22%Na 2 O0,2 à 0,4% Al 2 O 3 2 à 8%K2OK2O0,2 à 0,8% Fe 2 O 3 1 à 6% Chaux libre 1 à 2% MgO1 à 2%

30 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques30 2. Composition du clinker Section polie dun granule de clinker observée au microscope optique : C 3 S : cristaux pseudo hexagonaux C 2 S : grains arrondis à surface lisse ou striée 400 microns

31 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques31 2. Composition du clinker Section polie dun granule de clinker observée au microscope optique (400 microns) : 400 microns

32 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques32 2. Composition du clinker Surface de fracture dun granule de clinker observée au microscope électronique à balayage

33 3. Additions au clinker

34 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques34 3. Additions au clinker Composition du ciment : –Clinker –Gypse –Laitier de haut fourneau –Pouzzolanes –Cendres volantes –Fumée de silice –Fillers –… Ciment ordinaire : –Ciment Portland = clinker + 3 à 5% de gypse

35 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques35 3. Additions au clinker Laitier de haut fourneau vitrifié Granulé ou bouleté Sous-produit de lindustrie métallurgique Produit hydraulique (fait prise avec de leau) => remplacement du clinker Composition : –40% CaO –35% SiO 2 –11% Al 2 O 3 –8% MgO (magnésie) + siliceux, - calcique que le clinker

36 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques36 3. Additions au clinker Les pouzzolanes « Pouzzolanique » => doit dabord réagir avec la chaux pour devenir hydraulique Naturelles : cendres ou verres volcaniques Artificielles : –Cendres volantes de centrales thermiques au charbon –Sous-produit de lélectrométallurgie du silicium (fumée de silice) –Schistes calcinés Composition (silico-alumineuse) : –45 à 70% SiO 2 (90 à 95% pour la fumée de silice) –10 à 25% Al 2 O 3 –Jusquà 10% dalcalins (Na 2 O et K 2 O)

37 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques37 3. Additions au clinker Les fillers calcaires Roches calcaires finement broyées Rôle de remplissage Composition : > 75% CaCO 3

38 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques38 3. Additions au clinker Diagramme de Rankin

39 4. Normalisation des ciments

40 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques40 4. Normalisation des ciments

41 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques41 4. Normalisation des ciments Les types de ciment Norme NF EN 197-1, article 6, tableau 1

42 Cours 3Les ciments, liants hydrauliques42 4. Normalisation des ciments Les classes de résistance


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