Les ciments, liants hydrauliques

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

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

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

4 Petit historique Louis Vicat (1786-1861) :
Recherche sur l’hydraulicité de la chaux Travaux sur le clinker 1840 : fabrication de ciment industriel, 80% de carbonate de calcium + 20% de silice « 1er » pont en béton coulé, Jardin botanique de Grenoble Cours 3 Les ciments, liants hydrauliques

5 Les ciments, liants hydrauliques
Petit historique Joseph Aspdin ( ) : Donne le nom de ciment Portland en référence à la pierre calcaire de l’île de Portland Cours 3 Les ciments, liants hydrauliques

6 Les ciments, liants hydrauliques
Plan Fabrication des ciments (liants hydrauliques) Composition du clinker Ajouts au clinker Normalisation des ciments Cours 3 Les ciments, liants hydrauliques

7 1. Fabrication des ciments

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

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

10 1. Fabrication des ciments
Extraction des matières premières Se fait en carrière 80% calcaire => carbonate de calcium 20% argile => silice, alumine et minerai de fer Broyage du cru et cuisson Broyage très fin => le cru Passage au four => le cuit Refroidissement brutal (trempe) => le clinker 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 » Cours 3 Les ciments, liants hydrauliques

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

22 2. Le clinker - Composition chimique et microstructure

23 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 Cours 3 Les ciments, liants hydrauliques

24 2. Composition du clinker
Composition du « cru » : Chaux CaO produit de la décarbonatation du calcaire : Silice SiO2 Alumine Al2O3 Oxyde de fer Fe2O3 Alcalins : Na, K CaCO3 (calcaire) CaO (chaux) + CO2 °C source : argile Cours 3 Les ciments, liants hydrauliques

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

26 2. Composition du clinker
Composition du « cuit » : Silicate bicalcique Ca2SiO4 (= C2S) Silicate tricalcique Ca3SiO5 (= C3S) Aluminate tricalcique Ca3Al2O6 (= C3A) Aluminoferrite tétracalcique Ca4Al2Fe2O10 (= C4AF) Alcalins : Na, K phase solide phase interstitielle liquide à 1400°C Ca2SiO4 (= C2S) + CaO (= C) Ca3SiO5 (= C3S) > 1300°C Cours 3 Les ciments, liants hydrauliques

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

28 2. Composition du clinker
Composition « grossière » du clinker (% massique) C3S 50 à 60% C2S 20 à 30% C3A 8 à 10% C4AF 10 à 12% Cours 3 Les ciments, liants hydrauliques

29 2. Composition du clinker
Composition « fine » du clinker (en % massique) CaO 60 à 67% TiO2 0,2 à 0,4% SiO2 18 à 22% Na2O Al2O3 2 à 8% K2O 0,2 à 0,8% Fe2O3 1 à 6% Chaux libre 1 à 2% MgO Cours 3 Les ciments, liants hydrauliques

30 2. Composition du clinker
Section polie d’un granule de clinker observée au microscope optique : C3S : cristaux pseudo hexagonaux C2S : grains arrondis à surface lisse ou striée 400 microns Cours 3 Les ciments, liants hydrauliques

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

32 2. Composition du clinker
Surface de fracture d’un granule de clinker observée au microscope électronique à balayage Cours 3 Les ciments, liants hydrauliques

33 3. Additions au clinker

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

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3. Additions au clinker Laitier de haut fourneau vitrifié Granulé ou bouleté Sous-produit de l’industrie métallurgique Produit hydraulique (fait prise avec de l’eau) => remplacement du clinker Composition : 40% CaO 35% SiO2 11% Al2O3 8% MgO (magnésie) + siliceux, - calcique que le clinker Cours 3 Les ciments, liants hydrauliques

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3. Additions au clinker Les pouzzolanes « Pouzzolanique » => doit d’abord réagir avec la chaux pour devenir hydraulique Naturelles : cendres ou verres volcaniques Artificielles : Cendres volantes de centrales thermiques au charbon Sous-produit de l’électrométallurgie du silicium (fumée de silice) Schistes calcinés Composition (silico-alumineuse) : 45 à 70% SiO2 (90 à 95% pour la fumée de silice) 10 à 25% Al2O3 Jusqu’à 10% d’alcalins (Na2O et K2O) Cours 3 Les ciments, liants hydrauliques

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3. Additions au clinker Les fillers calcaires Roches calcaires finement broyées Rôle de remplissage Composition : > 75% CaCO3 Cours 3 Les ciments, liants hydrauliques

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

39 4. Normalisation des ciments

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

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

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