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La production de ciment dans le monde était d’environ 2 milliards
de tonnes en 2003, elle est passée à 2,6 milliards de tonnes en 2006
(source Cembureau).
La production de la Chine est passée de 40 % à 47 % de la
production mondiale avec 1200 millions de tonnes en 2006.
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Hors Chine, les plus gros producteurs sont l’Inde, les Etats-Unis, le
Japon, la Russie et l'Espagne.
La production de ciment est un indicateur économique, lié d’une
part au nombre d’habitants, mais également au potentiel de
croissance de chaque pays sur une période donnée.
La France est passée de 19,7 à 22,3 millions de tonnes par an.
Parmi les pays ayant relativement le plus progressé depuis 2003,
on peut citer la Chine (+ 48 %), la Turquie (+ 35 %), l’Inde (+ 32
%), la Russie (+ 30 %) et l’Egypte (+ 26 %).
Sur la même période, la Corée a régressé (- 18 %)
Comparativement, la France a progressé dans le même temps de 13
%
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Le monde du ciment est caractérisé aujourd'hui par la présence de
très gros groupes mondiaux, à coté desquels subsistent un grand
nombre de petits producteurs.
Ces "majors" du ciment sont pour la plupart nés en Europe et ont
étendu progressivement leur action en assimilant des producteurs
locaux dans toutes les régions du monde. Cette diversification
géographique leur permet de s'adapter et de contrebalancer des
crises de marché locales par des développements situés dans
d'autres régions du monde.
S’ils continuent de se développer aujourd'hui sur les marchés de
pays constituant de nouvelles puissances économiques (Chine et
Inde notamment), on assiste à l'émergence de nouveaux
producteurs de taille conséquente, comme en Chine par exemple,
où ces derniers profitent d'un développement économique
considérable.
Les grosses sociétés cimentières traditionnelles se sont également
diversifiées et sont désormais très actives dans les mondes du
béton et des granulats.
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La France compte actuellement 32 cimenteries et 7 centres de broyage.
Une cimenterie possède un ou plusieurs fours, qui servent à la fabrication du clinker,
matière première entrant dans la composition des ciments.
Un centre de broyage ne possède que des broyeurs servant à broyer le clinker
provenant des cimenteries ainsi que des ajouts minéraux, utilisés pour la fabrication
des ciments.
Les 5 groupes présents sur le territoire national métropolitain sont :
-Calcia (Groupe Italcementi-Ciments français)
-Holcim France (Groupe Holcim, d’origine suisse)
-Lafarge-ciments (Groupe Lafarge)
-Vicat
-Kerneos (ex Lafarge Aluminates)
L’industrie du ciment, fortement dispersée au départ, s’est restructurée pour ne
compter, en France à ce jour, que 4 acteurs principaux et 1 groupe spécialisé dans les
ciments alumineux. La baisse de la production a entraîné la fermeture de nombre de
cimenteries, souvent trop petites ou trop vieilles pour être rentables. Les contraintes
environnementales ont nécessité en outre, depuis plusieurs années, des
investissements lourds pour améliorer tant les conditions de travail sur sites que les
rejets dans l’environnement local, en particulier les poussières.
D’autres pays européens, comme l’Allemagne ou l’Italie, possèdent encore de
nombreuses sociétés cimentières familiales.
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La consommation de ciment rapportée à l’habitant montre les
habitudes locales et nationales.
L'Espagne, le Portugal et l'Irlande ont connu un boom économique
important du fait de subsides européens.
La Grèce et l'Italie ont une consommation traditionnellement forte
du fait de contraintes sismiques.
Le Luxembourg a une consommation élevée du fait de projet
important d'infrastructure (tunnel, lignes de tramway et
ferroviaires)
La consommation chinoise s'accroit également rapidement de par
son développement économique sans précédent.
L’Inde, avec 120 kg/habitants, n’est pas dans cette liste et a encore
un potentiel de consommation et donc de développement.
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La production (sensiblement égale à la consommation) de ciment en France a
atteint un maximum en 1974 à 33 millions de tonnes. Cette période de
croissance correspond au « baby-boom » d’après-guerre.
Après 1974, on assiste à une décroissance plus ou moins régulière jusqu’en
1988, l'économie française est en récession et les grandes industries se
restructurent.
Un sursaut a lieu entre 1988 et 1992, les banques se précipitent sur le
financement de l'immobilier pour compenser les faibles marges des activités
traditionnelles (rapport du Sénat). En 1993, du fait de la surabondance de
l'immobilier de bureaux et de l'envolée des prix vis-à-vis de la valeur réelle
des biens, le marché s'effondre et la bulle éclate.
Entre 1994 et 2001, on assiste à une correction et à un assainissement du
marché immobilier.
De 2001 à 2007, sous l'effet d'une inflation et de taux d'intérêt faibles (effet
Euro) ainsi que d'une demande forte, une nouvelle période de croissance à
lieu.
En 2008, la non-solvabilité des ménages excessivement endettés (effet
subprime) combiné avec un niveau de prix de nouveau excessif vis-à-vis du
pouvoir d'achat des ménages, provoque une nouvelle correction du marché.
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Sur cette figure, on a reporté une photographie instantanée de
l’année 2007.
On remarque un certain déséquilibre entre les moitiés Nord-Est et
Sud-Ouest du pays.
La consommation de ciment varie selon les régions, leur
population (migration de l'Est vers l'Ouest), les programmes de
développement mis en place à un moment donné (Ligne TGV est),
etc.
L’Ile-de-France reste néanmoins un gros consommateur national
dans la mesure où cette région regroupe à elle seule près de 20 %
de la population nationale.
La présence de villes importantes modère les différences
régionales (Lille, Strasbourg, Metz).
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Le ciment est destiné à faire du béton pour des applications
diverses. On distingue 2 grandes destinations : le bâtiment et le
génie civil, avec une répartition respective d’environ deux tiers /
un tiers.
Dans le domaine du bâtiment, c’est la construction de logements
neufs (maisons individuelles essentiellement) qui consomme le
plus de ciment. Avec l’entretien (entretien, rénovation,
réhabilitation), c’est 40 % de la production nationale de ciment qui
est consommée.
Dans le domaine du génie civil, c’est le segment des réseaux de
communication qui est le plus gros consommateur (routes,
autoroutes et réseaux d’équipements annexes). Les ouvrages d’art
(au sens large) ne consomment que 6 % de la production de
ciment.
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Le béton arrive sur chantier par différents canaux de distribution.
Le plus courant en France est le Béton-Prêt-à-l’Emploi (B.P.E.), par
lequel passe environ 54 % de la production de ciment en 2007. Les
centrales B.P.E. fabriquent le béton à la demande des entreprises et le
livrent par camions-toupies sur les chantiers de construction. La grande
majorité de ces centrales sont certifiées et fabriquent des bétons
normalisés.
La production sur chantier correspond souvent, soit à de très gros
chantiers, pour lesquels les cadences de fabrication ou les contraintes
environnementales nécessitent une fabrication sur place, soit au
contraire, à de petits chantiers artisanaux, essentiellement de bâtiment.
•Les « produits en bétons » sont fabriqués dans des sites industriels de
préfabrication. Dans ce cas, le béton est fabriqué en usine, et les
produits finis ou semi-finis sont livrés sur chantier et mis en place. On
trouve ces produits (quasiment tous normalisés) dans différents
domaines de la construction : dans les réseaux et la voierie urbaine
(tuyaux, bordures, pavés, …)
•dans le bâtiment (poutres, poutrelles, pré-dalles, dalles et voiles, bétons
architectoniques, …).
Les mortiers industriels (mortiers secs prêts-à-l`emploi) et les bétons de
fibres-ciment ne représentent que 2 à 3 % de la consommation.
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Les deux types de ciment les plus utilisés sont les CEM I et II, qui
représentent à eux seuls 78 % du marché total.
Les ciments aux laitiers et aux cendres volantes CEM III et V
représentent encore une faible part du marché, qui devrait augmenter à
l'avenir du fait de leur plus faible impact d’émission de CO2.
Le conditionnement du ciment se fait soit en vrac (3/4 de la production),
soit en sacs. Le vrac est destiné aux industriels de la préfabrication, aux
centrales de BPE et de chantiers.
Le sac est destiné aux négoces de matériaux de construction et aux
grandes surfaces de bricolage (GSB). Ils sont essentiellement destinés
aux artisans maçons et aux particuliers. On note l’évolution des
habitudes et l’usage plus important des bétons prêts à l’emploi, l’usage
du sacs régressant régulièrement.
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On peut distinguer 5 étapes principales constituant le process de fabrication
du ciment.
1. L'extraction de la matière dans la carrière et son homogénéisation
2. La préparation des matières premières afin de constituer le cru (ou la
pâte)
3. La cuisson aboutissant à la création du clinker
4. Le broyage du clinker et des ajouts pour fabriquer le ciment
5. Le stockage et l'expédition des ciments
La fabrication du ciment peut avoir lieu indépendamment de celle du clinker
et inversement.
En effet, le clinker issu de la cuisson de la matière première provenant de la
carrière est stocké dans un hall ou un silo à clinker.
Le broyeur, quant à lui, utilise le clinker stocké comme matière première.
La consommation de ciment étant très cyclique (forte utilisation en été,
faible en hiver), cette indépendance permet ainsi de maintenir une
production constante de clinker, et de réduire ou augmenter la production de
ciment en utilisant les capacités de stockage d'une usine (en clinker et en
ciment) comme tampon.
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Les 4 voies de fabrication et les principales étapes de
préparation du cru jusqu’à la cuisson.
Il existe 4 types de process différents : la voie sèche, la voie
humide, la voie semi-sèche et la voie semi-humide (ces deux
derniers étant des process intermédiaires).
Il existe des phases communes à tous les process :
l’extraction de la matière première, constituée de calcaire et
d’argile
la préhomogénéisation, qui consiste à homogénéiser les différents
minéraux provenant de la carrière avec des ajouts minéraux
secondaires. On obtient ainsi le "cru" qui a la composition idéale
pour obtenir une matière finale avec la composition recherchée
la cuisson, réalisée dans un four rotatif horizontal, qui porte à
haute température le cru et le transforme en un produit fini appelé
clinker.
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Le process le plus ancien des quatre est celui de la voie humide.
La craie constituant la matière première est extraite en carrière et peut
être très humide, elle est concassée et homogénéisée.
Les matières de correction, nécessaire à l'obtention de la composition
désirée, sont dosées et ajoutée à la craie au niveau du broyeur à pâte.
Dans ce broyeur, on ajoute également de l'eau et la pâte obtenue est
filtrée au travers de tamis. La partie la plus grossière retourne dans le
broyeur et la partie fine est stockée dans un bassin.
La pâte, qui contient de l'ordre de 30 à 35 % d'eau, est ensuite pompée
depuis le bassin et injectée dans un four très long (qui peut atteindre 220
m). Dans ce four, la pâte va avancer à contre-courant des gaz provenant
de la combustion de charbon, de coke et aujourd'hui de déchets
provenant d'autres industries.
Au fur et à mesure de son avancement dans le four, la pâte va se
transformer en clinker, qui va être trempé dans le refroidisseur, avant
d'être stocké en silo.
Les gaz provenant de la combustion sont filtrés et rejetés.
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Dans le process semi-humide, on retrouve les mêmes étapes de
préparation des matières premières, excepté le fait que la pâte va
être filtrée au travers d’un filtre presse puis introduite dans une
tour de préchauffage.
Dans cette tour, les gâteaux de pâte, qui ne contiennent plus que
17 à 21 % d'eau, rencontrent les gaz issus du four dans des
cyclones et se transforment petit à petit en une farine par
déshydratation.
Cette farine entre ensuite dans un four rotatif, plus court que celui
présent dans le process voie humide, puisqu'il n'est plus nécessaire
à ce niveau d'éliminer l'eau de la pâte.
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Dans le process semi-humide, avec grille Lepol, les gâteaux de
pâte provenant du filtre presse ne sont pas introduits dans une tour,
mais dans un préchauffeur à grille Lepol.
Dans ce préchauffeur, les gâteaux de pâte tombent sur des grilles
perforées, au travers desquelles passent les gaz de combustion,
provenant du four. Les gâteaux sont ainsi déshydratés et
partiellement décarbonatés avant de pénétrer dans le four rotatif.
Le reste du process est analogue au précédent et on obtient le
clinker en sortie du four rotatif.
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Dans le procédé semi-sec, on ne fabrique plus de pâte.
Les matières premières sont broyées et homogénéisées avant
d'être introduites sur une sole de granulation où, en étant
mélangées avec de l'eau, elles donnent naissance à des granules.
Le pourcentage en eau des granules est de l'ordre de 10 à 12 %.
Ces granules sont ensuite introduites sur la grille Lepol, à travers
laquelle passent les gaz de combustion, comme lors du procédé
précédent.
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•Le procédé sec a été mis au point pour éliminer l'étape d'évaporation
d'eau contenu dans la pâte, il nécessite un calcaire dur contenant peu
d'humidité
•Dans ce process, on a amélioré l'étape d'homogénéisation des matières
premières, en utilisant des système de stockage radial ou circulaire,
équipé de système de reprise capable de prélever les matières de
manière plus homogène.
•Les matières premières et correctrices sont ensuite introduites dans un
broyeur à cru vertical, capable également de séparer les grosses et les
fines particules et enfin capable de sécher également les matériaux.
•La farine obtenue avec ce broyeur est ensuite homogénéisée dans un
silo aéré puis elle est introduite dans la tour de préchauffage. Elle y
rencontre les gaz de combustion circulant en sens inverse et l'échange
thermique ainsi créé permet d'économiser une énergie considérable.
•Les gaz sortant de la tour de préchauffage vont être partiellement
refroidis dans la tour de conditionnement et vont ensuite être réutilisés
en partie dans le broyeur à cru, pour réchauffer la farine.
•En sortie du four rotatif, on obtient le clinker comme dans les autres
process.
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•Le procédé utilisant une tour de pré-calcination est très similaire
au précédent.
•La différence essentielle réside dans le fait que lorsque la farine
descend en passant de l'un à l'autre des cyclone dans la tour, elle
passe dans une chambre de pré-calcination où elle va atteindre une
température de l'ordre de 1000 °C. Dans cette chambre de pré-
calcination, on peut injecter jusqu'à 40 % de la totalité des
combustibles utilisés dans ce process.
•Lorsque la matière entre dans le four rotatif, on ne peut plus
vraiment parler de farine, et comme cette matière est plus ou moins
décarbonatée, la longueur du four rotatif peut être réduite
considérablement.
•Lorsque aujourd'hui une nouvelle usine est construite, c'est en
général ce process qui est choisi parce qu'il est le plus économique
et permet d'atteindre de très grandes capacités de production.
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Vue des différentes zones de l’usine, ici une voie humide (on
distingue un bassin d’homogénéisation).
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Vue des différentes zones d’une autre usine, ici une voie sèche : on
distingue la carrière (pierre dure) et les cyclones, échangeurs
thermiques permettant le réchauffement de la matière et la
décarbonatation du calcaire dans le cru, avant l’introduction dans
le four proprement dit.
Les usines, outres les routes, sont souvent situées à proximité de
voies ferrées et/ou de voies d’eau, permettant d’expédier les
produits finis sur de longues distances, en général dans les grandes
agglomérations.
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Vue d’une carrière de craie. La matière est tendre et riche en eau.
Elle est ramassée par des « scrapeurs », concassée et versée dans
des bassins d’homogénéisation.
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Calcaire dur d’une carrière en voie semi-sèche. On devine
aisément que les bancs calcaires n’ont pas tous la même
composition. L’exploitation consiste à gérer de manière aussi
harmonieuse que possible les différentes strates au cours du temps
pour ne pas déséquilibrer la carrière. Des analyses sont réalisées
périodiquement afin de s’assurer de la composition des terrains en
amont, qui vont arriver en phase d’exploitation.
En pierre dure et massive (voie sèche), on procède à l’abattage par
dynamitage du front de taille
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La stratigraphie de la carrière est mise en évidence par la
composition minéralogique des différents étages géologiques (ici
du Jurassique callovo-oxfordien et séquanien), ainsi que par la
composition chimique. Les calcaires francs supérieurs, constitués
d’un carbonate quasiment pur, sont très différents des étages
inférieurs, marnes noires et marno-calcaires, plus riches en silice,
alumine et fer.
La composition du cru s’effectue en mélangeant environ 80 % de
calcaire et 20 % d’argile. Les proportions varient selon la
composition des bancs exploités.
Le calcaire apporte le calcium, l’argile apporte la silice, l’alumine
et le fer.
La fabrication du clinker consiste à combiner tout l’oxyde de
calcium avec les autres éléments majeurs cités ci-dessus, pour
former, à haute température, des silicates et aluminates de calcium
aux propriétés hydrauliques (le terme sera explicité plus loin).
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La matière est ensuite acheminée par tapis ou par « dumpers »
jusqu’au concassage primaire, qui effectue une réduction
granulométrique des blocs.
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Si le calcaire est déjà fortement fracturé, il peut se déliter assez
facilement pour être prélevé directement avec des engins de
carrière traditionnels.
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Voie sèche ou semi-sèche : une fois suffisamment réduite par
concassage, la matière première est étendue en couches
horizontales successives, qui finissent par former un « tas », dont
la composition globale est celle désirée. Les couches sont ensuite
reprises verticalement, ce qui permet de prélever en permanence
une matière de composition identique.
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Assez souvent, aujourd'hui, pour des usines modernes, on utilise
un broyeur vertical à galet pour broyer les matières premières
destinées à des fours en voie sèche. Ce broyeur combine à la fois
les actions de broyage, séchage et séparation.
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En voie humide, la matière est broyée avec des percuteurs de type
Hazemag si elle est relativement friable ou avec un broyeur à pâte
(boulets) si elle est assez dure. Ensuite, elle est diluée et brassée
dans des bassins, agitée en permanence, grâce à un manège rotatif
et à l’injection d’air, pour éviter une sédimentation des particules.
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En voie semi-sèche, la farine est granulée sur une assiette de
granulation : un disque, incliné à 30 %, tourne à une vitesse
contrôlée. La farine tombe sur le disque, et est aspergée d’eau. Des
boulettes se forment et tournent sur le disque en grossissant au fil
des tours. Une fois trop lourdes, elles sont éjectées latéralement par
la force centrifuge et tombent par gravité sur un tapis qui les
amènent sur la grille Lepol, sur laquelle elles seront décarbonatées
avant d’entrer dans le four.
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Dans la voie humide, la pâte est injectée directement dans le four,
l'eau s'évapore dans la zone de chainage. Les plus grands fours
peuvent contenir jusqu'à 700 T de chaines et mesurer jusqu'à 200
m de long. Ils sont légèrement inclinés (4 %) et tournent à une
vitesse de l'ordre de 0.8 tr/min.
La matière chemine lentement depuis l’entrée jusqu’à la flamme.
Elle se réchauffe et se transforme minéralogiquement, en
combinant l’oxyde de calcium avec la silice ou l’alumine pour
former des silicates et des aluminates de calcium.
Des briques réfractaires de composition particulièrement adaptée
tapissent les fours et les protègent de la chaleur intense et des
réactions chimiques qui ont lieu durant l'étape de clinkérisation. La
composition de celles-ci varie selon leur distance à la flamme.
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Dans une voie sèche, le four est relativement court (de l'ordre de
50 mètres).
La farine est introduite dans les cyclones en haut de la tour, elle se
réchauffe au contact des gaz des combustion, provenant de la
flamme principale et du précalcinateur.
Au fur et à mesure de son cheminement dans les cyclones, en
descendant dans la tour, la farine rencontre des gaz de plus en plus
chauds et sa température est de l'ordre de 1000 °C en pied de tour,
lorsqu'un précalcinateur est présent.
L'effet cyclonique permet un bon échange thermique entre les gaz
et la farine, tout en évitant un entrainement de la farine hors de la
tour.
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Introduction du cru à gauche, directement dans le four (voie
humide), dans un cyclone (voie sèche), sur une grille Lepol (voie
semi-sèche). La matière circule de gauche à droite en allant vers la
flamme.
# La longueur du four varie selon process (voie humide environ
200 m, voie sèche environ 60 m).
# En voie humide, une partie du four sert à évaporer l’eau de la
pâte.
# En voie sèche, il y a très peu d'humidité à éliminer, la farine est
directement préchauffée.
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1ère étape : décarbonatation (dans le four pour une voie humide et
en pied de tour pour une voie sèche)
Le calcaire (CaCO3) est décomposé en oxyde de calcium (CaO) +
gaz carbonique (CO2). Ce dernier est évacué à la cheminée.
CaCO3 -------> CaO + CO2 T° env. 900 à 1000 °C
(réaction fortement endothermique)
Pour 1 tonne de CaCO3, on évacue à la cheminée 440 kg de CO2,
du simple fait de la décarbonatation.
1ère combinaisons des différents oxydes Si +Ca et Al + Ca
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2ème étape : phase de transition
Combinaison de CaO avec :
# Si pour former du C2S (silicate bicalcique)
# Al pour former une solution solide d’aluminates de calcium
Les réactions ont lieu à l ’état solide.
La réaction de formation du C2S est légèrement exothermique.
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3ème étape : phase de cuisson
La température de la matière monte jusqu ’à 1450 °C. Une partie de la matière fond pour donner naissance à la phase liquide (constituée de phase aluminate et ferrite), cette étape demande beaucoup d'énergie et est endothermique.
En parallèle, il y a formation de C3S (silicate tricalcique): à partir de 1300 °C, le C2S se transforme en C3S en réagissant avec une partie du CaO non combiné. La réaction est exothermique.
# Remarque : Le terme C3S et C2S s ’applique en réalité à des phases pures. Dans le cas présent, des éléments mineurs issus de la carrière (éléments de transition : titane, vanadium, chrome, manganèse, cobalt, …) sont inclus dans les réseaux cristallographiques des silicates, qui portent en réalité les noms respectifs d ’alite et de bélite. Il en est de même pour l ’aluminate tricalcique (C3A ---> célite).
La cristallinité et la composition de ces phases influent sur leurs propriétés (couleur par exemple) et leur réactivité en présence d ’eau.
4ème étape : trempe
La matière est refroidie brusquement de 1450 à env. 100 °C en quelques minutes. On obtient le clinker.
La trempe a pour but de figer les espèces minérales qui seraient instables à la température ambiante (le C3S se décomposerait en C2S + CaO).
Le C2S cristallise sous sa forme allotropique β, seule phase capable de réagir avec l’eau, au lieu de la phase γ, qui est inerte.
Les aluminates, phase liquide dans le four (phase interstitielle), vont être "figés" en entourant les phases cristallines du clinker.
Le bilan énergétique théorique (en comptabilisant les réactions endothermiques et exothermiques) permet d'estimer la chaleur de formation du clinker à 1765 kJ/Kg. En réalité les besoins énergétiques sont de l'ordre de :
•3200 kJ/Kg dans le cas d'une voie sèche
•5400 kJ/Kg dans le cas d'une voie humide
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Intérieur du four côté flamme :
En haut, on voit la tuyère et le flux de combustible enflammé.
A droite on devine la matière sur les parois du four.
La flamme mesure environ 20 mètres de long et atteint 2000 °C à
la pointe.
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A la sortie du four, le clinker doit être refroidi brutalement : c’est la
trempe. Il existe plusieurs procédés pour effectuer cette opération.
Le refroidissement par ballonnets est un des plus anciens, il est
relativement simple mais d'une efficacité limitée. Le système le
plus récent et largement utilisé aujourd'hui, est le refroidissement à
grille.
En sortie du refroidisseur, la température est inférieure à 100 °C.
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Refroidisseur à ballonnets :
En bout de four, le clinker tombe dans des ouïes (à droite) et passe
dans des ballonnets, accrochés au four (à gauche). Une circulation
d’air frais assure le refroidissement du clinker.
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Dans le refroidisseur à grille, le clinker chute sur les grilles en
sortie de four. Le mouvement des grilles le fait avancer lentement,
pendant que de l’air froid circule par les trous et traverse le tapis de
matière chaude.
•L'air passant au travers du clinker immédiatement après sa chute
du four, se réchauffe fortement et est dirigé vers le four, pour servir
de comburant.
•L'air passant au travers du clinker déjà partiellement refroidi, est
aspiré vers l'extérieur (il n'est pas nécessaire à la combustion) et
évacué après avoir été filtré.
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Le clinker se présente sous la forme de granules de la grosseur
d’une noisette/noix.
Il est évacué par tapis vers le hall/silo à clinker où il sera stocké en
attendant d’être broyé pour faire du ciment.
La capacité de stockage peut atteindre plusieurs dizaines de
milliers de tonnes (60 000 tonnes en bas).
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L’énergie utilisée pour atteindre les températures requises, très
élevées, provient de divers combustibles. Cette énergie représente
un des coûts de production les plus importants et l'utilisation de
combustibles de substitution permet de réduire ces coûts tout en
valorisant des "déchets" provenant de d'autres industries.
En France, 45 % de l’énergie est issue du coke de pétrole, 26 % de
combustibles dits de substitution. Ces derniers sont des sous-
produits (huiles et pneus usagés, solvants, certains plastiques,…)
qui ne trouvent plus place en décharges spéciales et dont l’intérêt,
outre leur apport énergétique évident, est une destruction complète
à haute température sans rejets secondaires dans l’environnement.
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L'utilisation de combustible de substitution suppose des procédures
d'acceptation et de réception renforcées et garantissant le respect
de la réglementation. Ces procédures sont mises au point en
collaboration avec les autorités administratives en charge de leur
gestion (DRIRE).
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Les laboratoires de production doivent naturellement être équipés
en conséquence avec les appareils analytiques appropriés, de
manière à pouvoir mesurer l’ensemble des éléments dont la teneur
est réglementée (exemple : les métaux lourds et les PCB).
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Le ciment est fabriqué en broyant le clinker avec du sulfate de
calcium (environ 5 %), qui sert de régulateur de prise, et
éventuellement d’autres constituants minéraux. On utilise pour
cela un ensemble d'équipements dont les plus importants sont les
broyeurs et les séparateurs.
Selon le type de ciment qui est fabriqué, on introduit dans le
broyeur le clinker avec les autres matières.
En sortie du broyeur tous les matériaux broyés sont entrainés dans
un séparateur, qui renvoi les particules les plus grosses dans le
broyeur, alors que les plus fines sont dirigées vers le silos de
ciment.
L'air qui sert de moyen de transport est filtré et les particules
récupérées sont envoyées également vers les silos de ciment.
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Le broyeur est assez souvent rempli de boulets en aciers spéciaux et tapissé de plaques de blindage. Le broyeur tourne à une vitesse calculée pour que boulets et clinker se percutent sans être centrifugés. La matière concassée est rejetée vers le centre du broyeur par les plaques de blindage légèrement relevées (comme des tuiles).
Les particules les plus fines finissent par passer à travers les grilles (en fond de broyeur) et passent dans une seconde chambre pour être broyées plus finement.
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Dans un séparateur moderne, on ajuste la finesse du ciment, et donc la quantité de matière retournant à l'entrée du broyeur, en modifiant la vitesse de rotation de l'axe supportant la cage (plus il tourne vite et plus le ciment est fin).
La récupération des fines particules en suspension dans l'air est réalisé avec un filtre à manche, ces dernières étant "décolmatées" à intervalle régulier, par des jets d'air comprimés.
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Après le broyage, les ciments sont envoyés dans des silos. Un silo
ne peut recevoir qu’une qualité de ciment bien définie. La capacité
courante est de l’ordre de 2000 à 5000 tonnes, mais peut varier
selon les usines et les produits à conserver.
Le ciment est ensuite commercialisé, en vrac, par camions ou en
train pour alimenter des dépôts (proches des agglomérations), soit
en sacs pour alimenter les négociants de matériaux et les grandes
surfaces de bricolage (GSB).
Parfois il peut être mis en « big bags » (ou poches) pour alimenter
des chantiers particuliers avec certains produits spécifiques, ou
pour l’exportation par mer.
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A chaque étape du process de fabrication, des contrôles qualité
sont effectués : sur le cru pour vérifier si la composition est
conforme au cahier des charges, sur le clinker pour vérifier sa
composition et certains paramètres de cuisson, sur les produits
finis pour en accepter la commercialisation et vérifier leur
conformité aux normes en vigueur.
Les essais sont donc réalisés tant sur les produits semi finis ou finis
(analyses chimiques et minéralogiques), que sur les mortiers, voire
les bétons, pour en vérifier leurs caractéristiques (prise, résistance
mécanique, …). Tous ces essais sont eux-mêmes normalisés et les
outils de mesures raccordés à des étalons internes, raccordés eux-
mêmes aux étalons nationaux de masses, longueurs, températures,
…(BNM).
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Liste des constituants dits « principaux » pouvant entrer dans la
composition des ciments. La disponibilité géographique des ressources
entraîne une utilisation différente selon les pays, voire selon les régions.
La France fabrique des ciments au calcaire depuis de nombreuses
années, ce dernier provenant en général de la carrière de la cimenterie
elle-même. Elle n’utilise pas de pouzzolanes car elle n’a pas de matière
première de composition ad hoc et en quantité suffisante, ce qui n’est
pas le cas de l’Italie. De même l’Allemagne utilise des schistes calcinés,
ce qui n’est pas le cas en France.
Ces constituants, à faible valeur ajoutée, deviennent très onéreux dès
qu’ils sont transportés sur de longues distances ; c’est pourquoi on
utilise de préférence les ressources (naturelles mais surtout industrielles)
locales. Ainsi, on fabrique plus de ciment au laitier dans les extrêmes
nord, est et sud de la France qu’ailleurs car les usines de ces régions
sont à proximités des bassins sidérurgiques où le laitier est disponible.
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Composition des différents constituants du ciment
dans un diagramme ternaire : Silice - Calcium -
Alumine
Le ciment Portland a des propriétés hydrauliques. Dans la zone
verte, le matériau a la propriété de faire prise en présence d ’eau,
même sous l’eau.
Dans la zone violette, on trouve les matériaux pouzzolaniques :
même en présence d’eau, le matériau ne fait pas prise (ou
extrêmement lentement) car il lui manque du calcium.
Les principaux constituants entrant dans la composition des
ciments sont situés sur le trait rouge, qui représente un rapport
Si/Al constant. Ces éléments ne contiennent pas tous les mêmes
quantités de calcium. Aussi ceux qui en contiennent moins, comme
les pouzzolanes, seront-ils plus lents à s’hydrater car ils
nécessiteront un apport calcique plus important.
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Une nomenclature régit le nom des ciments, afin de donner des
indications sur sa composition, simplement à partir de son nom.
•Le premier chiffre (Romain) indique la composition du ciment
•La lettre majuscule suivante indique la teneur en clinker
•La lettre majuscule suivante indique la nature du ou des
constituants principaux
•Les chiffres suivants ces lettres indiquent la classe de résistance
•Enfin, les dernières lettres indiquent le comportement au jeune
âge
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La classe de résistance est mesurée sur un mortier normalisé
(quantité définie de sable, d'eau, de ciment suivant un mode
opératoire unique)
Ainsi un ciment 32,5 N devra se situer entre les bornes 32,5 et
52,5. Nous les réglons en moyenne à 47-48 MPa.
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La notation cimentière utilise des lettres symbolisant les éléments
principaux exprimés sous forme d’oxydes : C pour CaO, oxyde de
calcium, S pour SiO2, silicium, etc.
Cela permet d’écrire les réactions chimiques de transformation de
ces éléments lors de l’hydratation, entre autres. L’expression en
oxydes est une simplification d’écriture mais ne correspond pas à
la réalité physique, ces éléments étant cristallisés pour la majorité
d’entre eux.
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On exprime ainsi la composition des 4 minéraux majeurs du
clinker :
Alite : C3S
Bélite : C2S
Célite : C3A
Aluminiferrite tétracalcique : C4AF.
Ces minéraux présentent tous des spectres caractéristiques en
DRX. Ils possèdent des formes minéralogiques variables selon les
conditions de cuisson et la présence plus ou moins importante
d’éléments mineurs (éléments de transition en particulier).
De la même manière qu’en pétrographie, on calcule par une
formule (dite de Bogue, du nom de son inventeur en 1950) la
composition dite potentielle du clinker, en recombinant les
différents oxydes mesurés par fluorescence X.
La composition moyenne d’un clinker Portland est visible sur la
diapositives suivante.
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Composition type d’un clinker Portland.
Les cations alcalins Na et K, ainsi que les sulfates bien qu’en
quantité très faible, jouent un rôle important lors des réactions
d’hydratation, en particulier dans les premiers instants après le
malaxage (voir exposé A. Nonat).
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Vue au microscope optique d’une lame mince de clinker.
Le C3S est facilement reconnaissable à ses grands cristaux aux
contours polygonaux.
Le C2S, en bleu, est plutôt arrondi et présente une mâcle
caractéristique à 120 °.
La partie blanche réfléchissante est constitué par la phase dite
interstitielle d’aluminates (C3A+C4AF) collée aux cristaux de
silicates.
La partie en jaune est constituée de résine pour la confection de la
lame mince.
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Vue au Microscope Électronique à Balayage (M.E.B.) d’un grain
de clinker. On notera les faces bien définies et le contour pseudo-
hexagonal de la face supérieure du cristal de C3S.
Les aluminates, phase liquide dans la partie terminale du four,
« collent » entre eux les cristaux de silicates de calcium C3S et/ou
C2S.
Les sulfates alcalins sont issus des gaz produits lors de la
combustion et viennent se condenser sur les faces des cristaux de
silicates lors de la trempe.
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MEB d’un grain de clinker : C3S et phase interstitielle
Les taches sur la face supérieure sont constituées d’aluminates de
calcium « collés » lors de la trempe.
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MEB : cristallisation de sulfates alcalins dans un pore du clinker.
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Cendres volantes (CV) : résidus silico-alumineux issus de la
combustion du charbon (CV siliceuses) ou du lignite (CV
calciques) dans les centrales thermiques.
Les cendres doivent répondre à la définition donnée dans la norme
NF EN 197-1 pour être utilisée dans les ciments. En particulier, la
perte au feu (résidus imbrûlés constitués essentiellement de
carbone) ne doit pas dépasser 7 % en masse.
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Les cendres volantes se présentent sous la forme de sphères
creuses de granulométrie équivalente à celle du ciment. Elles sont
partiellement vitreuses.
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Le laitier de haut-fourneau est un sous-produit de l’industrie
sidérurgique. Il provient du résidu de la gangue du minerai de fer
après extraction de la fonte.
Après réduction du fer, le métal est recueilli dans un creuset. Le
surnageant, de densité plus faible, est granulé par refroidissement
brutal (trempe), empêchant la cristallisation.
Broyé avec le clinker, il donne au ciment des propriétés
spécifiques. Il est utilisé pour la fabrication des ciments entrant
dans la constitution de bétons devant résister à des environnements
agressifs.
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Il se présente sous la forme de sable silico-alumineux. Sa structure
vitreuse lui procure une réactivité en présence d’alcalins et de
chaux. Son hydratation conduit à des hydrates semblables à ceux
du clinker, bien que légèrement plus acides.
Le laitier de haut-fourneau entre jusqu’à plus de 80 % dans la
composition de certains ciments, appelés ciments de haut-
fourneaux.
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Le calcaire est généralement extrait dans la carrière même de la
cimenterie. Il peut rentrer dans des proportions allant jusqu’à 35 %
de la masse totale du ciment.
Il permet d'éclaircir la couleur de certains ciments et apporte une
certaine onctuosité aux mortiers et bétons.
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Les pouzzolanes peuvent être naturelles ou issues de la calcination
d’argiles. Elles ont une structure alvéolaire et sont très friables et
poreuses. On les trouve dans les régions volcaniques, leur nom
provient de « Pouzzoles », port italien situé au pied du Vésuve.
La réaction pouzzolanique a lieu en milieu aqueux, entre la silice
et l'alumine provenant d'une pouzzolane et l'hydroxyde de calcium
provenant du clinker.
Cette réaction conduit à la formation d'hydrates qui ont les
propriétés de liants.
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De par leur composition, les ciments ont des propriétés différentes,
qui déterminent leur utilisation.
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Ce chapitre sert d’introduction aux exposés suivants. Le ciment est
un solide polyphasé qui va réagir avec l’eau et les éventuels
adjuvants organiques, voire avec les granulats. Il va se transformer
à une vitesse variable selon sa composition, les minéraux qui le
constituent, les conditions extérieures, pour devenir un nouveau
matériau : le béton.
D’abord liquide, puis pâteux, il va durcir suite aux nombreuses
réactions qui ont lieu en son sein, avec des conséquences connues
(parfois, mais heureusement rarement, malheureuses – voir exposé
sur la pathologie des bétons) : exothermie, durcissement, retrait,
fluage, etc.
Les quelques images qui suivent servent au lecteur à prendre
conscience de l’origine des réactions qui peuvent se dérouler à
l’intérieur du matériau.
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L’ajout d’eau va provoquer une suite de réactions en chaîne,
transformant le ciment initial (clinker mais également autres
constituants éventuels) en hydrates. Les réactions se passent avant
tout en surface des grains et des minéraux présents à chaque
instant.
On passe d’un solide polyphasé (le ciment) à un autre solide,
poreux, hétérogène et évolutif (la pâte de ciment), qui va tenter de
se mettre en équilibre avec son environnement proche. L’ajout de
sable pour faire des mortiers et de granulats pour la confection du
béton donne au matériau ainsi confectionné des propriétés
spécifiques et complexes.
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Les réactions d’hydratation classiques engendrent différents types
de minéraux hydratés, aux faciès assez caractéristiques.
Les silicates donnent naissance à des « Silicates de Calcium
Hydratés » (ou CSH) d’une part, et de la portlandite Ca(OH)2
d’autre part. La portlandite provient de la précipitation de l’excès
de calcium dans la solution lors de la formation des CSH. Dans les
CSH (qui constituent la colle véritable du ciment), le rapport
molaire C/S est plus faible que celui de l’anhydre dont ils
proviennent.
Les aluminates, C3A notamment, vont se combiner au sulfate
présent, issu des sulfates alcalins du clinker et du sulfate rapporté
lors du gypsage du ciment pendant la fabrication, pour former tout
d’abord de l’ettringite (ou trisulfoaluminate de calcium hydraté),
phase instable qui va se transformer ultérieurement en
monosulfoaluminate de calcium, ou en diverses phases aluminates
hydratées selon l’environnement présent et les compositions
initiales.
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Le sulfate de Calcium hydraté (gypse) ou anhydre (anhydrite) est ajouté
dans une proportion d’environ 5 % dans les ciments. Sa fonction est de
bloquer momentanément la prise du ciment pour permettre la
fabrication et le transport du béton sans gêner le développement
ultérieur des résistances mécaniques.
En présence de sulfates (gypse ou anhydrite), ils forment un hydrate
intermédiaire : l’ettringite qui joue un rôle important dans le mécanisme
de prise du ciment.
Ces hydrates cristallisent dans le système hexagonal. Dans quelques cas
rares (températures élevées), il peut se former des aluminates hydratés
cubiques, minéralogiquement instables, qui peuvent être la cause de
certaines pathologies du béton.
Outre le gypse, on peut ajouter selon les circonstances et les besoins,
certains additifs, qui peuvent être organiques, dans une proportion qui
doit rester inférieure à 1 %. Ces additifs sont généralement des agents de
mouture, produits servant à améliorer le broyage en évitant aux
particules de se colmater, en agissant sur leurs propriétés de surface
(effets répulsifs).
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Ce graphique d’après [Locher et al., 1976] résume l’ordre
d’apparition des différents hydrates et leur quantité relative. La
courbe pointillée de la porosité diminue proportionnellement avec
le taux d’hydratation de la pâte de ciment, à cause du comblement
progressif des vides intergranulaires initiaux par les différents
hydrates.
On constate qu’après quelques heures, l’ettringite augmente, passe
par un maximum, puis diminue au profit du monosulfoaluminate
de calcium et des aluminates hydratés.
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Cette image résume assez bien la situation: de l’anhydre (clinker
par exemple) présent sous les hydrates, des hydrates de nature
différente (CSH, portlandite), au contact les uns des autres, et des
pores, de taille et de quantité différentes, plus ou moins remplis par
une solution concentrée (un pH initialement voisin de 13) servant
de vecteur aux échanges entre les surfaces.
Le système est en outre dépendant des conditions extérieures
(variations de température et humidité, CO2, solutions ioniques
variées…) qui vont modifier la stabilité de l’ensemble et le faire
évoluer en permanence, à des vitesses variables. Composition
chimique, minéralogique, propriétés physiques et mécaniques vont
ainsi évoluer, de manière souvent invisible pour l’utilisateur, au gré
des conditions rencontrées.
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La pâte de ciment hydratée peut réagir avec son environnement
extérieur : sur la photo, la portlandite - Ca(OH)2 - initialement
présente a été peu à peu remplacée par de la calcite - CaCO3-
après réaction avec le CO2 atmosphérique en présence de l’eau de
la solution.
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