Ciment et Béton

Le ciment

Historique CIMENT: latin « pierre naturelle » connue des Romains puis redécouvert au 18e siècle 1756 Smeaton en Angleterre, découvre que les chaux qui présentent les meilleures propriétés « hydrauliques » son celles contenant des matières argileuses 1796 Parker en Angleterre, développe le ciment « Roman» en calcinant certains gisements naturels de calcaire argileux 1813-28 VICAT en France, met en évidence le rôle de l’argile et fabrique un ciment à partir d’un mélange intime de calcaire et d’argile.

1824 Joseph Aspdin en Angleterre, fabrique et brevète une chaux hydraulique à laquelle Il donne le nom de ciment Portland, car sa couleur, après prise, ressemble à la pierre de Portland 1835 Issac-Charles Johnson qui travaille dans une usine de ciment, observe que les morceaux trop cuits donnent, après mouture, un meilleur ciment. Il augmente la température de cuisson - naissance du véritable ciment 1838 William Aspin produit le ciment Portland à côté de la Tamise - Brunel l’utilise pour réparer son tunnel sous la Tamise – la 1ère utilisation du ciment Portland dans le génie civil.

matière minérale qui mélangée à l’eau donne une pâte qui durcit en réaction au processus d’hydratation = Liant hydraulique Ciment = constituant de base du béton Ciment le plus utilisé = ciment portland

Deux étapes: I) fabrication du clinker à partir des matières premières II) ajouts d’additifs pour faire le ciment

I) Fabrication du clinker Usine de ciment Préparation des matières premières

Matières premières minérales   - Le calcaire est la matière première prédominante dans le mélange cru (75 à 80%). - Le calcaire ne contient pas les quantités d'oxydes nécessaires, pour assurer une composition adéquate des matières crues On ajoute au calcaire d'autres matières minérales qui fourniront les quantités d'oxydes manquantes : l’argile, le sable et le minerai de fer.

Source de CaO : calcite, aragonite, dolomite Source de SiO2 : quartz, feldspath, opale, argile, micas Source de Al2O3 : argile, feldspath, gibbsite (Al(OH)3) Source de Fe2O3 : hématite, magnétite, goethite, limonite, sidérite

Constituants mineurs du clinker Les oxydes mineurs dans le ciment sont: MgO, Na2O, K2O et SO3. Les oxydes alcalins K2O et le Na2O proviennent de l'argile et des feldspaths. La magnésie (MgO) provient de la dolomite qui est souvent présente avec le calcaire. L'anhydride sulfurique (SO3) provient des matières, telles que la pyrite (FeS2), mais aussi du calcaire ou de l'argile et surtout des combustibles utilisés tels que le charbon, le fuel ou le gaz naturel.

Composition moyenne du clinker Portland Chaux CaO. 60 – 70 Silice SiO2 Composition moyenne du clinker Portland Chaux CaO 60 – 70 Silice SiO2 17 – 25 Alumine Al2O3 3 – 8 Oxyde de fer Fe2O3 1- 6 Magnésium MgO 0,1- 4 Trioxyde de soufre SO3 1- 3,5 Alcalis Na2O + K2O 0,5 - 1,3

sable

Usine de fabrication de ciment : le four rotatif pour la cuisson du clinker

La fabrication d'une tonne de clinker = 1,57 t en matières premières. Différence = pertes par émission de dioxyde de carbone durant la réaction de calcination (CaCO3 = CaO + CO2). L'industrie cimentière est consommatrice d'énergie 30 à 40 % des coûts de production. Divers combustibles sont utilisés pour fournir la chaleur nécessaire au procédé. En 1995, les combustibles les plus couramment utilisés étaient le coke de pétrole (39 %) et le charbon (36 %), devant les déchets de divers types (10 %), le mazout (7 %), la lignite (6 %) et le gaz (2 %).

Combustion de déchets variés comme source énergétique

Produit final: le clinker

Composition chimique du clinker Les principaux constituants du clinker sont: - Le silicate tricalcique 3CaO.SiO2 - Le silicate bicalcique 2CaO.SiO2 - L'aluminate tricalcique 3CaO.Al2O3 - Le ferroaluminate tétracalcique 4CaO.Al2O3.Fe2O3

Nomenclature La nomenclature utilisée dans la chimie du ciment est la suivante: La silice (SiO2) S La chaux (CaO) C L'alumine (Al2O3) A La ferrite (Fe2O3) F L'eau (H2O) H Le trioxyde de soufre (SO3) Š La magnésie (MgO) M L'oxyde de potassium (K2O) K L'oxyde de sodium (Na2O) N Le dioxyde de carbone (CO2) Č

Les différentes phases minérales du clinker s'écrivent:. 3CaO. SiO2 Les différentes phases minérales du clinker s'écrivent: 3CaO.SiO2 C3S 2CaO.SiO2 C2S 3CaO.Al2O3 C3A 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF Les structures du C3S et du C2S comportent des impuretés. Les cimentiers les appellent, respectivement, alite et bélite.

Image par MEB (20mm) des différents constituants du CLINKER

Image en électrons rétrodiffusés d’un clinker de ciment portland avec des cristaux euhédraux de alite, des cristaux arrondis de bélite, et des phases interstitielles d’aluminate et de ferrite (env. 200 µm)

Suivi des éléments chimiques dans les constituants du CLINKER

Récapitulatif de la fabrication du clinker

II) Additifs au clinker pour faire le ciment II) Additifs au clinker pour faire le ciment Afin de retarder la prise du ciment, on broie le clinker avec environ 5% de sulfate de calcium. Ce sulfate de calcium peut se présenter sous forme de gypse (CaSO4.2H2O), d'hémihydrate (CaSO4.1/2 H2O) ou de mélange des deux.

Schéma de production du ciment 1. Entreposage des matières premières 2. Broyage 3. Homogénéisation 4. Préchauffage et précalcination 5. Four rotatif 6. Entreposage du clinker 7. Additifs (gypse, cendres volantes, etc.) 8. Mouture du ciment 9. Entreprosage en vrac et chargement

La production du ciment peut bénéficier de déchets existants qui serviront de matières premières et/ou d’additifs - le laitier des aciéries et des haut fourneaux - les cendres volantes des centrales thermiques - le carbonate de calcium de l'industrie du sucre et du papier - la boue rouge et autres déchets de l'industrie de l'aluminium L'utilisation de ces déchets peut diminuer la consommation d'énergie par la cimenterie.

Le Béton

Différentes phases présentes dans le béton

Trois étapes: I) Réactions d’hydratation du clinker II) fabrication du béton III) vieillissement et corrosion du béton

I) Hydratation du clinker réaction des CS avec l’eau au bout de quelques heures (période d’induction) gel de CS-H qui remplit les espaces poraux cristaux de Al-hydroxysulfate hydraté

Réaction fortement exothermique (dégagement de vapeur) pH basique (12,5) du ciment (important lors de la Corrosion)

Nature des silicates de calcium hydratés particules colloïdales réactives Plaquettes de 1-2 nm Surface spécifique élevée: 200-300 m2/g (moins de 1m2/g pour le ciment sec) Réaction progressive: un an pour réaction complète Les régions les plus claires sont les noyaux non hydratés des grains de clinker.

II) Fabrication du Béton BETON : matériau de construction fabriqué à partir de: Sable Gravillons agglomérés + Eau ciment Le mélange sable + ciment= mortier Le coulis est un mortier fluide

CSH CIMENT BETON (silicate de Ca hydraté)

Réaction chimique de prise lente : 50% de la résistance finale en 7 jours et 28 jours pour 80% de résistance finale. Amélioration de la prise par des adjuvants Amélioration de la fluidité (mise en place) par des plastifiants = peuvent baisser la résistance finale excellente résistance à la compression mais faible résistance à la traction et à la flexion, d’où ajout au béton d’armatures métalliques en acier = BETON ARME

L’acier est élastique, le béton armé peut donc se fissurer avec pour conséquences une corrosion et un manque d’étanchéité Autres techniques : précontrainte (Eugène Freyssinet 1928) On ajoute des câbles mis en tension (ensuite relachée) pour créer une compression artificielle de la pièce. Lors de la sollicitation la pièce se décompresse sans fissurer Fabrication des grands Ouvrages comme les ponts

III) Vieillissement et corrosion du béton Interface entre un bloc de béton vieilli et un mortier de ciment portland frais

Interface entre un verre et un béton Portland Interface entre un verre et un béton Portland. Porosité importante à l’interface (migration des bulles dans le béton) par manque d’absorption dans le verre.

Effets du Gel Fissuration parallèle à la surface

Gélification de surface sur un pont

Le gel produit gonfle et cause une expansion et une fissuration du béton

Bulles Une solution: injection d’air dans le béton et création réserves d’air qui vont pouvoir supporter la contrainte Bulles

Différents types de corrosion du béton armé -rouille (gros problèmes pour les ouvrages classés) -réaction avec les sels marins

Oups…!