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Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 1 CHIMIE DU CIMENT VALORISATION

Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 1 CHIMIE DU CIMENT VALORISATION DES DECHETS EN CIMENTERIE Université Libre de Bruxelles Faculté des Sciences Appliquées Laboratoire de Chimie Industrielle Professeur Camille Defossé Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 2 CHIMIE DU CIMENT VALORISATION DES DECHETS EN CIMENTERIE SOMMAIRE PAR CHAPITRES 1. Introduction 2. Fabrication du ciment Portland 3. Valorisation des déchets en cimenterie 4. Composition du ciment Portland 5. Hydratation, prise et durcissement 6. Le béton: notions de structure, propriétés et durabilité Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 3 1. Définition de liant hydrauliques 2. Les types de ciments 3. Le ciment Portland: nature. Quelques chiffres 1. INTRODUCTION SOMMAIRE Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 4 Le ciment est un liant hydraulique, c’est-à-dire une matière inorganique finement moulue qui, mélangée avec de l’eau, forme une pâte faisant prise et durcissant progressivement au cours du temps, même à l’abri de l’air, et notamment sous l’eau 1. INTRODUCTION Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 5 1. INTRODUCTION Aujourd’hui, environ 98 % du ciment produit dans le monde est du Ciment Portland, c-à-d du ciment contenant principalement des silicates de calcium. Parmi les 2% restants, citons par ordre d ’importance décroissante les ciments alumineux (aluminates de calcium exclusivement), les ciments magnésiens... Actuellement, la production annuelle de béton dans le monde atteint 5 milliards de m 3 correspondant à la production annuelle de 1,5 milliards de tonnes de ciment Portland. La production européenne était en 1975 de 172 Mt (437 fours), soit environ 12% de la production mondiale. Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 6 1. Généralités: notation cimentière, les phases du clinker, les modules cimentiers 2. Présentation schématique d ’une cimenterie 3. La ligne de cuisson 4. Les différents types de voies 5. Le processus de clinkérisation 6. L ’aptitude à la cuisson 7. Les cycles de volatils 8. La production intermédiaire de poussières en VH et VSS 9. Notions de réfractaires 2. FABRICATION DU CIMENT PORTLAND SOMMAIRE Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 7 2. FABRICATION DU CIMENT PORTLAND GENERALITES Nom Symbole chimique Notation Cimentière Masse molaire Oxyde de Calcium ou Chaux vive CaO C 56 Oxyde de silice ou silice SiO2 S 60 Oxyde d’Aluminium ou Alumine Al2O3 A 102 Oxyde de Fer Fe2O3 F 160 Ciment portland: silicates et (ferro)aluminates de calcium Notations cimentières pour les 4 éléments majeurs constitutifs Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 8 CLINKER : roche artificielle fabriquée à haute température (habituellement à 1450 °C) Les matières premières nécessaires à la fabrication du clinker sont le calcaire (80%) et un matériau riche en silice et alumine (20%), par exemple l’argile ou le kaolin. Ces matières sont extraites des carrières, concassées, et proportionnées lors du concassage ou lors de la constitution de “lits d’homogénéisation” Après reprise et broyage (refus de ~1.5% à 160 micromètres), le mélange est stocké dans des silos où la composition chimique peut être modifiée par des adjonctions appropriées. 2. LA FABRICATION DU CIMENT GENERALITES Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 9 2. FABRICATION DU CIMENT PORTLAND GENERALITES Fabrication: Calcaire + argile Broyage farine Cuisson clinker +gypse +(ajouts) et broyage ciment Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 10 Principales phases cristallochimiques du clinker SiO2 16 ÷ 26 % Al203 4 ÷ 8 % Fe203 2 ÷ 5 % CaO 60 ÷ 67 % CLINKER * C3S (~60%) * C2S (~25%) * C3A (~ 5%) * C4AF(~10%) 2. FABRICATION DU CIMENT PORTLAND GENERALITES Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 11 Principales phases cristallochimiques du clinker C3S C2S C3A C4AF 3CaO - SiO2 2CaO - SiO2 3 CaO Al203 4CaO Al203Fe2O3 Ca3 SiO5 Ca2 SiO4 Ca3 Al206 Ca4AI2 Fe2Olo Alite Bélite 2. FABRICATION DU CIMENT PORTLAND GENERALITES Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 12 La composition d ’un ciment Portland est définie de manière univoque par sa teneur dans les 4 phases. Il existe donc 3 degrés de liberté. Les cimentiers ont l ’habitude de les fixer grâce à 3 « modules »  Module silicique SiO2/ Al2O3 + Fe2O3  1.8 - 3.5  Module ferrique Al2O3/ Fe2O3  1,5 - 3,0  Module de Kuhl CaO  0.94 - 0.98 (2,8 SiO2 + 1,1 Al203 + 0,7 Fe203) Les modules cimentiers 2. FABRICATION DU CIMENT PORTLAND GENERALITES Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 13 Calcul du cru Les proportions de calcaire et argile seront calculées pour :  donner les modules LSF, SM, A/F désirés  donc la composition attendue du clinker en prenant en compte les contraintes comme :  la composition de la matière première et sa disponibilité  les limites en composants indésirables tels que Ti, P, …  autres… 2. FABRICATION DU CIMENT PORTLAND GENERALITES Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 14 Le facteur de saturation en chaux (module de Kühl, LSF) est un moyen :  Pratique  Approché et un peu arbitraire d ’exprimer la balance entre :  La teneur en calcium  Les autres éléments (Si, Al, Fe) susceptibles de se combiner avec elle La combinaison du calcium avec le silicium est une réaction difficile La valeur du module de Kühl influe directement l’aptitude à la cuisson : aptitude à la cuisson  si LSF chaux libre (non combinée)  si LSF 2. FABRICATION DU CIMENT PORTLAND EXPRESSION DE LA COMPOSITION CHIMIQUE DES CRUS DE CIMENT PORTLAND Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 15 Le module silicique (SM)  Donne une idée générale sur la répartition entre silicates (C3S + C2S) et aluminates (C3A + C4AF)  L’aptitude à la cuisson  si SM  Le module aluminoferrique (A/F)  Donne la répartition C3A / C4AF  L’aptitude à la cuisson  si A/F  2. FABRICATION DU CIMENT PORTLAND EXPRESSION DE LA COMPOSITION CHIMIQUE DES CRUS DE CIMENT PORTLAND Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 16 2. FABRICATION DU CIMENT PORTLAND VUE GENERALE D’UNE CIMENTERIE VOIE SECHE calcaire four broyeur broyeur ciment argile Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 17 Carrière de calcaire Carrière d’argile Autres matériels Concasseur Prehomo Broyage cru Homogénéisation Four Précalcinateur Refroidisseur Silo de Clinker Broyage ciment Ajouts de gypse Silos de ciment Sondages 2. LA FABRICATION DU CIMENT PRESENTATION SCHEMATIQUE D’UNE CIMENTERIE Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 18 2. LA FABRICATION DU CIMENT LA CARRIERE DE CALCAIRE Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 19 2. LA FABRICATION DU CIMENT PREPARATION DU CRU Schéma de préhomogénéisation Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 20 2. LA FABRICATION DU CIMENT PREPARATION DU CRU Schéma de silo d’homogénéisation Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 21 2. LA FABRICATION DU CIMENT CUISSON: LE FOUR Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 22 Le four tournant Le four est constitué d’un tube de plusieurs mètres de diamètre, dont l’axe est légèrement incliné et qui tourne sur lui-même (2 à 3 t/min). La farine avance à l’intérieur du four en glissant et roulant le long des parois internes recouvertes de briques réfractaires. Elle s’agglomère aux environs de 1300 °C pour former des nodules, suite à la fusion partielle de ses constituants. La température maximum atteinte: environ 1450 °C. Coûts de cuisson : environ 1/4 du coût industriel du clinker. 2. LA FABRICATION DU CIMENT CUISSON Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 23 Dépoussiérage des gaz avant rejet à l ’atmosphère: le filtre électrostatique 2. LA FABRICATION DU CIMENT CUISSON Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 24 2. LA FABRICATION DU CIMENT CUISSON Dépoussiérage des gaz avant rejet à l ’atmosphère: coupe et fonctionnement schématique d ’un filtre à manches Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 25 Dans les broyeurs à boulets traditionnels, le clinker et les adjonctions minérales (gypse, laitier de haut fourneau, cendres volantes, fillers) passent à travers deux (ou trois) chambres contenant des corps broyants de différent diamètre, séparées par des grilles.  Dans la première chambre, le mélange est dégrossi.  Dans la deuxième chambre, il est broyé à la finesse souhaitée. 2. LA FABRICATION DU CIMENT BROYAGE Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 26 Différentes qualités de ciment sont produites à partir du même clinker. Une cimenterie possède donc différents silos de stockage pour une capacité globale de quelques dizaines de milliers de tonnes. 2. LA FABRICATION DU CIMENT STOCKAGE Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 27 Des techniciens surveillent en permanence le bon fonctionnement des machines et interviennent immédiatement en cas d’anomalie. Ils sont assistés dans cette tâche de systèmes spécifiques et de systèmes de pilotage automatique des installations. Salle de contrôle La salle de contrôle rassemble tous les organes de conduite et de surveillance des nombreuses installations qui composent la chaîne de fabrication du ciment. 2. LA FABRICATION DU CIMENT CONDUITE DU PROCESS Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 28 VOIE HUMIDE: broyage du cru sous eau obtention uploads/Industriel/ valorisation-des-dechets.pdf