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Chapitre 2: Les ciments Ordinaires et Composés: Fabrication, Propriétés, Normes

Chapitre 2: Les ciments Ordinaires et Composés: Fabrication, Propriétés, Normes et Emplois Dr BENDJILLALI Khadra 1 I. Historique L’origine du terme ciment est le mot latin "Caementum", signifiant mortier ou liant pour maçonneries. En ajoutant des cendres volcaniques et des briques pilées à la chaux (obtenue par cuisson de la roche calcaire), les Romains sont les premiers qui ont découvert un liant hydraulique, de propriétés entre une chaux et un véritable ciment. Grace à ce nouveau liant, de grands ouvrages ont été construits tels que les amphithéâtres et les aqueducs.  Panthéon de Rome est un édifice religieux construit au 27 av. JC avec du béton de chaux hydratée, pierre, brique et mortier de chaux et de pouzzolanes.  John Smeaton en 1759 a produit un mortier très dur, en mélangeant de la chaux hydraulique et des cendres volcaniques.  Louis Vicat (1786-1861) qui est l’inventaire du ciment moderne, a conduit beaucoup de recherches sur l’hydraulicité de la chaux et après sur le clinker. Grace à ces recherches, le ciment industriel a était fabriqué en 1840, avec 80 % de carbonate de calcium et 20 % de la silice.  Joseph Aspdin (1778-1855) a donné le nom du ciment Portland en référence à la pierre de Portland (calcaire) de l’île de Portland au sud de l’Angleterre, vu sa couleur et sa dureté.  Dupont et Demarle en 1848 ont installé à Boulogne-sur-Mer la première usine du ciment.  A partir de la fin du 19ème siècle, le béton de ciment Portland est devenu le matériau de construction le plus répandu.  Au cours du 20ème siècle, plusieurs ciments spéciaux ont été produits. II. Définition (Norme NF P 15-301 de 1994) Le ciment est obtenu par le broyage d’un produit appelé clinker, qui résulte de la cuisson à 1450 °C d’un mélange constitué principalement de 80 % de calcaire (carbonate de calcium) et de 20 % d’argile (Silicates d’alumine: silice, alumine et minerai de fer). 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 dans le temps suite au processus d’hydratation de certains composés minéraux et qui, après durcissement, conserve sa résistance et sa stabilité, même sous l’eau. Le clinker est mélangé à du gypse (sulfate de Chapitre 2: Les ciments Ordinaires et Composés: Fabrication, Propriétés, Normes et Emplois Dr BENDJILLALI Khadra 2 chaux) et moulu avec lui, en teneur ne dépassant pas 5 % afin de régulariser sa prise. Le clinker (K) se présente sous forme de grains noirâtres et durs de 0.5 à 3 cm de dimensions. Il est composé alors de chaux, de silice, d'alumine et d'oxyde de fer, sous forme de quatre phases cristallines principales: a. Silicate Tricalcique C3S: (3CaO, SiO2): 50-70 %. Cette phase est responsable des résistances initiales, obtenues à jeune âge (offre des résistances élevées à court-terme). La chaleur d’hydratation dégagée par le C3S fait presque le double de celle libérée par le C2S. b. Silicate Bicalcique C2S: (2CaO, SiO2) : 5-25 % c. Aluminate Tricalcique C3A: (3CaO, Al2O3) : 0-12 % d. Alumino-Ferrite Tetracalcique C4AF: (4CaO, Al2O3, Fe2O3) : 0-15 % Les notations minéralogiques adoptées sont montrées dans le tableau 1 ci-dessous. Tableau 1: Notations minéralogiques Forme Notation Appellation CaO C Chaux SiO2 S Silice Al2O3 A Alumine Fe2O3 F Oxyde ferrique H2O H Eau Le tableau 2 ci-dessous regroupe quelques détails concernant les minéraux du clinker (Festa et Dreux, 2007). Chapitre 2: Les ciments Ordinaires et Composés: Fabrication, Propriétés, Normes et Emplois Dr BENDJILLALI Khadra 3 Tableau 2: Rôles des minéraux du clinker Minéral Nom Formule chimique Désignation abrégée Proportion (%) Rôle Silicate tricalcique Alite 3CaO, SiO2 C3S 50-70 Hydratation rapide, grande chaleur d’hydratation, favorise l’évolution des résistances initiale. Silicate bicalcique Bélite 2CaO, SiO2 C2S 5-25 Hydratation lente, faible chaleur d’hydratation (la moitié de celle libérée par C3S), faible résistance à court-terme, grande résistance à court et à long- terme. Aluminate tricalcique Aluminate 3CaO, Al2O3 C3A 2-12 Possède une grande vitesse de réaction initiale, favorise le développement de la résistance mécanique initiales et à court-terme: Hydratation et prise rapide, grande chaleur d’hydratation (c’est la phase où la l’hydratation est la plus exothermique), grand risque de retrait, réaction rapide avec les sulfates. Alumino-ferrite tetracalcique Ferrite 4CaO, Al2O3, Fe2O3 C4AF 0-15 Hydratation lente et faible contribution au développement de la résistance mécanique. III. Composition du ciment Le clinker est le composant principal des ciments, mais d’autres produit de différentes origines peuvent être ajoutées afin d’obtenir des propriétés particulières de ciments et donc d’autres types de ciments: Chapitre 2: Les ciments Ordinaires et Composés: Fabrication, Propriétés, Normes et Emplois Dr BENDJILLALI Khadra 4 a. Laitier granulé de haut fourneau «Slag» (S) C’est un résidu minéral issu de la fabrication de la fonte dans les hauts fourneaux, après refroidissement, à partir du minerai et du coke métallurgique. Le produit qui est sorti à une température de 1500 °C est figé par refroidissement brusque en donnant un matériau granulé qui sera ajouté au clinker pour être moulu avec lui. Ce sous-produit est chimiquement composé de 40 à 50 % de l’oxyde de calcium, 25 à 35 % de la silice, 12 à 30 % d’alumine, de 10 % de la magnésie et de faible quantité de manganèse et d’autres oxydes. Le laitier est un véritable ciment, possédant des propriétés hydrauliques qui sont affectées davantage en présence de clinker. Le laitier retient moins d’eau que le portland, mais il est plus sensible à la dessiccation, son hydratation est moins rapide, notamment au premier temps, donc dégage moins de chaleur, il est plus résistant à la dissolution de la chaux par les eaux pures ou les eaux contenant du gaz carbonique et à l’effet des sulfates, mais plus sensible aux variations de la température. b. Cendres volantes «Fly Ash» (V, W) La norme distingue les cendres volantes siliceuses (V) et les cendres volantes calciques (W). Il s’agit de matières pulvérulentes de grande finesse (0  315 m, dont 50 % < 40 m) qui résultent de la combustion des combustibles minéraux solides (houilles, lignites, …) dans les centrales thermiques. Elles sont des matériaux à caractère pouzzolanique, ajoutées au clinker au moment du broyage à des teneurs variables (5 – 30 %). c. Fumées de silice «Silica Fume» (D) Les fumées de silice (D) sont des particules minérales amorphes extrêmement fines (1 – 100 m) (ACI-Committee-234, 2006) qui proviennent de la réduction du quartz de grande pureté dans les fours à arc électrique employés pour la production de silicium et d’alliages de ferrosilicium à 2000 °C. Les gaz alors dégagés s’oxydent et se condensent à faible température en produisant la fumée de silice. La densité apparent de la fume de silice varie entre 130 et 430 kg/m3 (Silica Fume Association, 2005). d. Pouzzolane «Pozzolana» (Z, Q) La pouzzolane naturelle (Z) est une roche naturelle volcanique, composée de silice, d’alumine et d’oxyde ferrique. La pouzzolane naturelle calcinée (Q) présente après activation thermique des propriétés pouzzolaniques. La pouzzolane est ajoutée au clinker pour ses propriétés pouzzolaniques, c-à-d son pouvoir de fixer la chaux à la température ambiante et de former Chapitre 2: Les ciments Ordinaires et Composés: Fabrication, Propriétés, Normes et Emplois Dr BENDJILLALI Khadra 5 des composés possédant des propriétés hydrauliques, c-à-d pouvant faire prise et durcir par hydratation. e. Fillers Les fillers sont obtenus par broyage fin ou par pulvérisation de certaines roches naturelles (calcaires, basaltes, …) ou non (cendres volantes, laitiers, …). Les fillers sont actifs s’ils possèdent une certaine activité chimique en présence d’eau ou inertes s’ils n’ont aucune activité. Généralement ils agissent physiquement sur la qualité du ciment, soit par l’amélioration de la maniabilité et la compacité, en remplissant parfaitement les vides et par la réduction de la perméabilité et le risque de fissuration. Les fillers calcaires (Limestone) sont les plus utilisées en cimenterie, ils sont indexés par L ou LL et le Schiste calciné «Calcined Shale» désigné par T est aussi employé comme filler. IV. Principales catégories de ciment Les ciments peuvent être classés en fonction de leur composition et de leur résistance normale. 1. Classification des ciments Portlands selon leur composition chimique Les ciments constitués de clinker et des constituants secondaires sont classés en fonction de leur composition, en cinq types principaux par les normes NF P15-301 et ENV 197-1 (Tableau 3). Ils sont notés CEM et numérotés de 1 à 5 en chiffres romains dans leur notation européenne (l’ancienne notation Française est indiquée entre parenthèse): CEM I: Ciment portland (CPA - dans la notation française), contient au moins 95 % de clinker et au plus 5 % de constituants secondaires. Ils conviennent pour le béton armé ou le béton précontraint où une résistance élevée est recherchée. CEM II: Ciment portland composé (CPJ), contient au moins 65 % de clinker et au plus 35 % d'autres constituants : laitier de haut-fourneau, fumée de silice (limitée à 10 %), pouzzolane naturelle, cendres volantes, calcaires. Ils sont bien adaptés pour les travaux massifs CEM III: Ciment de haut fourneau (CHF), les uploads/Industriel/ chap-2-ciments-ordinaires-et-composes.pdf