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Chapitre I I I La composition chimique des clinkers 50 1 Introduction Le clinke

Chapitre I I I La composition chimique des clinkers 50 1 Introduction Le clinker est une roche artificielle utilisée comme matière première dans la fabrication des : ? ciment Portland et des ciments composés répondant à des normes nationales ou internationales ? des ciments particuliers répondant à des spécifications particulières. Ce clinker est acheté localement ou sur le marché mondial. Il est souvent élaboré directement dans la cimenterie dans un atelier appelé clinkérie, situé en amont de l’atelier de broyage. Un mélange de roches calcaires dures ou tendres et d’autres silico-alumineuses sont introduites sous forme de poudre, de pâte ou sous une forme intermédiaire dans une installation de cuisson. Le mélange progressivement déshydraté, décarbonaté et calciné, entre enfin, entre 1200 et 1500°c, en fusion partielle. Cette phase s’appelle clinkérisation. La matière produite, le clinker Portland, est refroidie rapidement tandis que les fumées sont épurées par les électrofiltres. Par le dosage précis de matières premières et le contrôle de la cuisson, le clinker Portland répond à des critères précis qui lui procurent la réactivité optimale dans un domaine choisi. L’objectif du processus de cuisson est de transmettre à la matière à cuire, pour une qualité donnée du cru, la quantité de chaleur qui assure la qualité désirée du produit cuit en vue de fabriquer des ciments hydrauliques suivant les spécifications des normes et de la clientèle en : ? minimisant les coûts de production ? optimalisant le débit du produit de cuisson ? minimisant la dépense d’énergie ? minimisant les variations de qualité. 2 Critères chimiques et minéralogiques du clinker Dans le four, le mélange cru après séchage et décarbonatation arrive sous la forme de poudre ou de petites granules dans la zone de cuisson. Les réactions chimiques commencent sous l’effet de la température. L’oxyde de fer se combine à l’oxyde d’aluminium et à l’oxyde de calcium pour former l’aluminoferrite tétracalcique (C4AF). L’alumine restante réagit avec de l’oxyde de calcium pour former l’aluminate tricalcique (C3A). Ces 2 composants forment la phase liquide. Les oxydes de silicium et de calcium réagissent ensemble pour former le silicate bicalcique (C²S) qui, lui-même, se transforme en silicate tricalcique tant q u’il reste de l’oxyde de calcium non combiné. A la sortie du four, l’oxyde de calcium non combiné s’appelle chaux libre. La magnésie ne réagit pas avec les autres constituants. Elle cristallise sous forme de périclase ou reste en solution solide dans la phase liquide. Les alcalis et les sulfates forment 51 des sulfates alcalins ou réagissent avec l’aluminate tricalcique pour donner des cristaux d’alcali aluminate. Les métaux lourds peuvent remplacer le fer dans certains cristaux. Une variation des constituants principaux (oxydes de calcium, de silicium, de fer et d’aluminium) ou des éléments mineurs et secondaires (alcalis, sulfate, titane, phosphate, fluor, ...) modifie d’une part l’aptitude à la cuisson du mélange cru et d’autre part les caractéristiques hydrauliques du clinker produit. De nombreux savants ont étudié la chimie du clinker Portland et la composition chimique est maintenant bien connue (tableau 1). Par contre, la minéralogie du clinker n’a pas encore livré tous ses secrets (tableau 2). Des travaux de Le Chatelier, Michaelis, Lea et Parker, Rankin et Wright, Kühl, Bogue, ..., il est établi que le clinker est principalement constitué en proportions variables de : ? Silicate tricalcique 3 CaO SiO² ou C³S ? Silicate bicalcique 2 CaO SiO² ou C²S ? Aluminate tricalcique 3 CaO Al²O³ ou C³A ? Aluminoferrite tétracalcique 4 Ca0 Al²O³ Fe²O³ ou C4AF Tableau 1 : Composition chimique de clinker Minimum Maximum Perte au feu 0.2 1.1 SiO² 20.0 24.3 Al²O³ 3.7 7.1 Fe²O³ 1.7 5.7 CaO 61.0 68.1 MgO 1.7 4 SO³ 0.05 1.3 K²O 0.05 1.4 Na²O 0.05 0.7 TiO² 0.15 0.4 Mn²O³ 0.05 1.2 P²O5 0.05 0.6 Cl 0 0.1 F 0.01 0.3 CaO libre 0.6 2.8 Module silicique 1.8 3.9 Module aluminoferrique 0.7 2.8 Indice de saturation 84.8 100.8 Lors de la formation du clinker, les oxydes principaux apportés par les matières premières se combinent entre eux pour former d’autres minéraux : Entre 600 et 1100°c ? Al²O³ 2 SiO² 2 H²O + 5 CaCO³ ? CA + 2 C²S + 2H²O ? + 5 CO² ? ? Fe²O³ + 2 CaCO³ ? C²F + 2 CO² ? ? SiO² + 2 CaCO³ ? C²S + 2 CO² ? ? CaCO³ ? C + CO² ? 52 Entre 1200 et 1450°c ? C²F + CA + C ? C4AF ? CA + 2 C ? C³A ? 2C + S ? C²S ? C²S + C ? C³S Tableau 2 : Composition minéralogique de clinker Minimum Maximum Alite C³S 45.0 79.7 Bélite C²S 5.7 29.8 Aluminate C³A 1.1 14.9 Aluminoferrite C4AF 2.0 16.5 Périclase MgO 0 5.8 Chaux libre CaO 0.6 2.8 Ces composants minéralogiques sont accompagnés d ’éléments mineurs tels que chaux libre (CaO libre), périclase (MgO), alcalis, métaux lourds, ..., qui influencent la qualité du clinker produit. Sur mortier ISO la composition du clinker modifie la rhéologie, les résistances initiales et finales, et la durabilité (tableau 3). Les formules de Bogue sont utilisées mondialement pour calculer la composition minéralogique d’un clinker ou d’un ciment Portland. Ce calcul fait l’hypothèse de la formation de réseaux cristallins bien définis, sans aucune inclusion étrangère, et ne tient pas compte des oxydes secondaires apportés par les matières premières. Pour un clinker Portland ordinaire, la composition minéralogique est définie par les formules suivantes et calculée à partir de la composition chimique. Clinker ordinaire : ? C³S = 4.07 x CaO - 7.6 x SiO² - 6.72 x Al²O³ - 1.43 x Fe²O³ ? C²S = 2.87 SiO² - 0.75 x C³S ? C³A = 2.65 x Al²O³ - 1.69 x Fe²O³ ? C4AF = 3.04 x Fe²O³ Clinker sans C³A : ? C³S = 4.07 x CaO - 7.6 x SiO² - 4.48 x Al²O³ - 2.86 x Fe²O³ ? C²S = 2.87 SiO² - 0.75 x C³S ? C4AF = 4.77 x Al²O³ ? C²F = 1.70 x Fe²O³ - 2.67 x Al²O³ Lorsque les valeurs calculées pour C²S sont négatives, le clinker contient du C³S associé à de la chaux libre : ? C³S = 3.80 x SiO² ? CaO libre = CaO - 2.80 x SiO² - 1.65 x Al²O³ - 0.35 x Fe²O³ 53 Dans le cas d’un ciment Portland les formules sont intégralement appliquées en tenant compte de la chaux non-combinée ou présente dans le régulateur de prise ou de la silice non combinée (résidu insoluble) : ? CaO = CaO totale - CaO libre – 0.7 x SO³ ? SiO² = SiO² totale – Résidu Insoluble Tableau 3 : Influence de la composition minéralogique du clinker sur les propriétés du ciment Portland en mortier ISO Besoin en eau Temps de prise Résistance initiale Résistance finale Durabilité C³S - - ? ? ? ? C²S - - ? ? ? ? C³A ? ? ? ? ? ? ? C 4AF - - ? ? - K²O, Na²O ? - ? ? ? SO³ - ? ? ? - P²O 5 - ? ? - - 3 Performances des ciments et composition chimique du clinker En pratique, la proportion des principaux constituants du clinker se calcule sous la forme de rapports, de modules ou d’indices chimiques, résultats des études de nombreux savants sur les mécanismes de formation et de réaction du clinker Portland. 3.1 Module hydraulique de Michaelis ? HM = CaO / ( SiO² + Al²O³ + Fe²O³ ) Le Module hydraulique de Michaelis est compris entre 1.7 et 2.3 3.2 Module silicique de Kühl ? SM = SiO² / (Al²O³ + Fe²O³) Le module silicique de Kühl est compris entre 1.5 et 5. Une valeur élevée correspond à une valeur élevée de silice au détriment des agents fondants. Une valeur faible provoque un croûtage excessif dans la zone de clinkérisation et nuit à la bonne marche du four. 3.3 Module aluminoferrique de Kühl ? TM = Al²O³ / Fe²O³ Le module aluminoferrique de Kühl est compris entre 1.5 et 2.5. 54 3.4 Indice d’hydraulicité de Vicat ? HI = ( [SiO²] + [Al²O³] ) / ( [CaO] + [MgO] ) Les composants sont exprimés en moles et non en pour-cent. L’indice d‘hydraulicité de Vicat est compris entre 0.4 et 0.5. 3.5 Indice de saturation de Kühl ? LSI = CaO / (2.8 x SiO² + 1.1 x Al²O³ + 0.7 x Fe²O3) L’indice de saturation de Kühl est compris entre 0.85 et 1. 3.6 Facteur de saturation de Lea Parker ? LSF = CaO / (2.8 x SiO² + 1.18 x Al²O³ + 0.65 x Fe²O³ ) Le facteur de saturation de Lea et Parker est compris entre 0.85 et 1.0. Il se présente aussi sous la forme ? LSF = 100 x CaO / (2.8 x SiO² + 1.18 x Al²O³ + 0.65 x Fe²O³ ) Il est alors compris entre 85 et 100. Ce module exprime le rapport entre la chaux présente dans le mélange et la quantité de chaux qui peut être liée dans le clinker. Le standard de uploads/s3/ la-composition-chimique-des-clinkers.pdf