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Chapitre I Généralités 1 Introduction Les normes internationales définissent le

Chapitre I Généralités 1 Introduction Les normes internationales définissent le ciment Portland comme étant le résultat de la mouture du clinker obtenu par cuisson jusqu à fusion partielle (clinkérisation) d’un mélange convenablement dosé et homogénéisé de calcaire et d’argile. Le ciment est constitué d’oxydes minéraux dont les principaux sont la chaux (CaO) à fonction basique et la silice (SiO²) à caractère acide. On trouve également l’alumine (Al²O³) et le fer (Fe²O³). ils sont rendus aptes à réagir entre eux et avec l’eau par traitement thermique à des températures comprises entre 1300 et 1500°c. En présence d’eau a lieu la réaction d’hydratation consistant en la formation d’un réseau résistant (propriété hydraulique) constitué principalement de microcristaux de silicates de calcium hydratés. Certains matériaux présentant des propriétés comparables, hydrauliques ou pouzzolaniques, peuvent être mélangés et broyés avec du clinker pour former des ciments composés. Dans la suite cette présentation, seront utilisées certaines formules abrégées et certaines appellations chimiques dont le tableau 1, ci-dessous, donne la liste. Tableau 1 : Formules et abréviations usuelles Formule complète Formule abrégée Appellation courante Eau H²O H Eau CaO C Chaux SiO² S Silice Al²O³ A Alumine Constituants Fe²O³ F Oxyde ferrique Chimiques Na²O, K²O N, K Alcalis MgO M Magnésie CaSO4 Cs Sulfate de calcium (Anhydrite) CaSO4.2H²O CsH² Sulfate de calcium (Gypse) 3CaO.Al²O³ C³A Aluminate tricalcique Constituants hydrauliques 4CaO.Al²O³.Fe²O³ C4AF Aluminoferrite tétracalcique 3CaO.SiO² C³S Silicate tricalcique 2CaO.SiO² C²S Silicate bicalcique CaO libre Chaux libre MgO Périclase 3CaO.2SiO².3H²O C³S²H³ Silicate de calcium hydraté (Tobermorite) Constituants 4CaO.Al²O³.13H²O C4AH13 Aluminate de calcium hydratés 3CaO.AL²O³.6H²O C³AH6 hydraté 3CaO.Al²O³.3CaSO4.31H²O C³ACs³H31 Sulfoaluminate de calcium hydraté (ettringite) Ca(OH)² CH Chaux hydratée 16 2 Les états de la matière (brut, sec, calciné) La proportion d’un élément chimique d’un constituant d’un matériau quelconque varie en fonction de l’état physique ou du traitement thermique subit par le matériau pendant le processus cimentier. Ces variations sont spécifiques à chaque matériau. Elles sont dues au départ de l’humidité, du produit brut exploité en carrière après séchage et au départ de la perte au feu du produit sec après calcination à plus de 1000°c. La quantité de matière est ainsi réduite après le départ de l’humidité et de la perte au feu. Prenons l’exemple d’une tonne de craie (tableau 2) exploitée dans une carrière de composition : Tableau 2 : Analyse chimique d’une craie sur matières brutes Craie SiO² % 3,00 Al²O3 % 0,50 Fe²O³ % 0,40 CaO % 47,60 Na²0 % 0,05 K²0 % 0,10 Indosés % 0,75 PF % 37,60 Humidité % 10,00 Somme % 100,00 Tonne T 1,00 Avec l’humidité, il sera possible de calculer par une simple règle de trois, à partir des caractéristiques sur matières brutes (tableau 2), la quantité et la composition des matières sèches contenues dans cette craie (tableau 3). Craie brute ? Craie sèche Quantité de matières sèches : 100 parties de craie brute vont donner (100 - 20) parties de craie sèche et 20 parties d’eau 1 partie de craie brute donnera 100 x moins de craie sèche soit (100 - 20 ) / 100, ou d’une manière générale : ? (100 - humidité) / 100 Composition sur matières sèches : La quantité d’un élément présente dans la craie brute sera toujours présente après le départ de l’humidité. Cette quantité, présente dans 100 parties de craie brute, sera toujours présente dans les (100 - 20) parties restantes de craie sèche. Le pourcentage ne sera donc plus calculé sur 100 parties (cas des matières brutes) mais sera calculé sur les (100 - 80 ) parties restantes dans la craie sèche. 17 La composition sur matières sèches sera obtenue avec la formule : ? E sec = E brut x 100 / (100 - humidité) Tableau 3 : Analyse chimique de la craie sur matières sèches Craie SiO² % 3,33 Al²O3 % 0,56 Fe²O³ % 0,44 CaO % 52,89 Na²0 % 0,06 K²0 % 0,11 Indosés % 0,83 PF % 41,78 Humidité % 0,00 Somme % 100,00 Tonne T 0,90 Avec la perte au feu, il sera possible de calculer par une simple règle de trois, à partir des caractéristiques sur matières sèches (tableau 3), la quantité et la composition des matières calcinées contenues dans cette craie (tableau 4). Craie sèche ? Craie calcinée Quantité de matières calcinées 100 parties de craie sèche vont donner (100 - 41,78) parties de craie calcinée et 41,78 parties de perte au feu 1 partie de craie sèche donnera 100 x moins de craie calcinée soit (100 - 41,78) / 100, ou d’une manière générale : ? (100 - perte au feu) / 100 Composition sur matières calcinées La quantité d’un élément présente dans la craie sèche sera toujours présente après le départ de la perte au feu. Cette quantité, présente dans 100 parties de craie sèche, sera toujours présente dans les (100 - 41,78 ) parties restantes de craie calcinée. Le pourcentage ne sera donc plus calculé sur 100 parties (cas des matières sèches) mais sera calculé sur les (100 - 41,78 ) parties restantes dans la craie calcinée. La composition sur matières calcinées sera obtenue avec la formule : ? E calciné = E sec x 100 / (100 - perte au feu) 18 Tableau 4 : Caractéristiques de la craie sur matières calcinées Craie SiO² % 5,73 Al²O3 % 0,95 Fe²O³ % 0,76 CaO % 90,84 Na²0 % 0,10 K²0 % 0,19 Indosés % 1,43 PF % 0,00 Humidité % 0,00 Somme % 100,00 Tonne T 0,524 Lors de la transformation de craie brute en craie calcinée, la quantité d’un élément chimique est restée constante même si la quantité relative, dans l’analyse exprimée en pour cent augmente considérablement. Par exemple, les 3 parties de SiO² contenues dans les 100 parties de craie brute sont contenues dans les 80 parties de craie sèche et dans les 52,4 parties de craie calcinée. En absolu, la quantité de silice reste constante : il y a toujours 3 parties de SiO². La quantité de matière totale va diminuer avec le départ de l’humidité et de la perte au feu. La quantité relative de SiO² par rapport à la matière restante va donc augmenter en conséquence. ? Craie brute : 3 parties dans 100 parties ? 3 % ? Craie sèche : 3 parties dans 90 parties ? 3,33 % ? Craie calcinée : 3 parties dans 52,4 parties ? 5,73 %. Cette notion d’état de la matière intervient dans tout le processus cimentier. Il est important pour le chimiste de conserver une uniformité et de n’utiliser qu’un seul niveau d’unité. On ne peut pas mélanger tonnes brutes, tonnes sèches et tonnes calcinées. Il est en de même pour les compositions chimiques. Habituellement pour le processus de cuisson, le chimiste transforme toutes les données sur matières calcinées. 3 Les matières traditionnelles pour le cru, le clinker, le ciment 3.1 La fabrication du cru On trouve dans certains gisements, un produit naturel, qui après cuisson et sans addition particulière, donne un clinker Portland. C’est d’ailleurs l’île de Portland, pour les pierres trouvées dans sa région qui a donné son nom au ciment. Malheureusement, on ne rencontre qu’exceptionnellement dans la nature un matériau possédant une composition chimique adéquate pour la fabrication du ciment Portland. La plupart du temps, le cimentier doit mélanger deux ou plusieurs matières premières pour obtenir après cuisson un produit ayant les caractéristiques du clinker Portland naturel. La composition de quelques matières premières est donnée dans les tableaux de ce chapitre. Les composants principaux du clinker Portland (oxydes de silicium, de calcium, d’aluminium et de fer) s’extraient essentiellement de matières minérales fort communes que l’on 19 rencontre partout autour de soi et qui se classent généralement suivant leur teneur en carbonate de calcium (Tableau 5). Tableau 5 : Classification des matériaux en fonction de leur teneur en carbonate de calcium Catégorie Composition pondérale (%) Origine Calcaire dur, craie Dépôts marins ou lacustres Argilo-calcaire (calcschiste, marne) Argile, schiste Désagrégation des roches naturelles CaCO³ 0% 100% CaCO³ SiO², Al²O³, Fe²O³, ... Il arrive cependant que des compositions soient corrigées par des apports enrichissants en oxyde de fer, d’aluminium au départ de minerais ou de résidus de métallurgie. 3.1.1 Les matériaux calcaires (tableau 6) Les matériaux calcaires doivent contenir une quantité minimale de carbonate de calcium qui est fonction du mélange cru à fabriquer. La pureté du calcaire est caractérisée par sa teneur en carbonate de calcium (CaCO³), généralement appelée « Titre en carbonate » : ? > 95 % CaCO³ ? calcaire à haute teneur ? > 85 % CaCO³ ? calcaire ? > 60 % CaCO³ ? marne. Le terme calcaire couvre en fait une très grande variété de roches de minéralogie et de pureté différentes : ? calcaire ? craie ? calcaire corallien ? marne ? bancs de falun ? sable calcaire 20 Tableau 6 : Composition chimique de matières carbonatées pour le cru sur matières sèches Craie Calcaire riche Calcaire corallien Tuf volcaniq. Calcaire pauvre Marne calcaire Marne argileuse P feu 41.2 42.0 43.0 42.6 36.9 32.6 24.6 SiO² 3.9 4.9 2.5 0.2 13.8 21.3 33.2 Al²O³ uploads/s3/ chimie-des-ciment-2.pdf