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

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Les ciments, liants hydrauliques

Cours 3 Les ciments, liants hydrauliques 2

Définition

Norme NF P 15-301 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. »


Petit historique

Panthéon de Rome :– Construction : 27 av. JC, reconstruction : 125– Béton de chaux, pierre, brique, mortier– Chaux + cendres volcaniques de Pouzzoles


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


Petit historique

Joseph Aspdin (1778-1855) :– Donne le nom de ciment Portland en référence à la pierre

calcaire de l’île de Portland


Plan

1. Fabrication des ciments (liants hydrauliques)

2. Composition du clinker

3. Ajouts au clinker

4. Normalisation des ciments

1.

Fabrication des ciments


1. Fabrication des ciments


1. Fabrication des cimentsSource : CIMBETON



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 »



• 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





• 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

Extraction des matières premières





Préparation du « cru »

calcaire

argile

broyage 0,2 mm

le cru

Ajouts éventuels : bauxite ou

oxyde de fer

matières premières mélange conditionnement

granules

pâte fluide

Voie sèche ou semi-sèche :

Voie humide :





1. Préchauffage1. Déshydratation de l’argile2. Début de la décarbonatation du calcaire

2. Cuisson1. Four rotatif incliné : ~ 80 m (voie sèche) / ~ 150 m (voie

humide), diamètre 5 m, tôle d’acier tapissée de briques réfractaires à l’intérieur

2. Température de cuisson : 1450 °C3. Temps de cuisson : ~ 1 h (voie sèche)

Cuisson du « cru »





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





Ajout et broyage

• Gypse : régulateur de prise

• Laitier de haut fourneau

• Cendres volantes

• Fillers calcaires

2.

Le clinker-

Composition chimique et microstructure



• 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



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

900 - 1000°C

source : argile



Notations cimentières :

chauxsilice

alumine

oxyde de fer

Abstraction faite des « O »



Composition du « cuit » :

– Silicate bicalcique Ca2SiO4 (= C2S)

– Silicate tricalcique Ca3SiO5 (= C3S)

– Aluminate tricalcique Ca3Al2O6 (= C3A)

– Aluminoferrite tétracalcique

Ca4Al2Fe2O10 (= C4AF)

– Alcalins : Na, K

Ca2SiO4 (= C2S) + CaO (= C) Ca3SiO5 (= C3S)

> 1300°C

phase solide

phase interstitielleliquide à 1400°C



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



Composition « grossière » du clinker (% massique)

C3S 50 à 60%

C2S 20 à 30%

C3A 8 à 10%

C4AF 10 à 12%



Composition « fine » du clinker (en % massique)

CaO 60 à 67% TiO2 0,2 à 0,4%

SiO2 18 à 22% Na2O 0,2 à 0,4%

Al2O3 2 à 8% K2O 0,2 à 0,8%

Fe2O3 1 à 6%Chaux libre

1 à 2%

MgO 1 à 2%



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



Section polie d’un granule de clinker observée au microscope optique (400 microns) :

400 microns



Surface de fracture d’un granule de clinker observée au microscope électronique à balayage

3.

Additions au clinker


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



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



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)



Les fillers calcaires

• Roches calcaires finement broyées

• Rôle de remplissage

• Composition : > 75% CaCO3



Diagramme de Rankin

4.

Normalisation des ciments





Les types de ciment

Norme NF EN 197-1, article 6, tableau 1



Les classes de résistance

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