Ciment

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Icône de paronymie Cet article possède un paronyme ; voir : Gilles Ciment.

Ciment désigne un liant, aujourd'hui principalement employé dans la confection du béton de ciment. C'est notamment le ciment Portland et le ciment métallurgique ainsi que leur variantes. Le Ciment est une invention du XIXe siècle.

La fabrication du ciment est énergivore, et la production du clinker son principal constituant, est responsable d’approximativement 5% des émissions de gaz à effet de serre (GES) anthropiques[1], responsables du réchauffement climatique.

Ciment peut désigner également, dans un sens plus large, et par extension, tout matériau interposé entre deux corps durs pour les lier, soit un liant: le plâtre, l'argile, la chauxetc.

Étymologie[modifier | modifier le code]

Du temps de la Rome antique, le ciment (du latin caementum, signifiant moellon, pierre de construction) désignait originairement les pierre ajoutée in situ à la chaux, les caementa[2], pour réaliser l'opus caementicium, un ouvrage à consistance de béton.

Si l'on se conforme à la terminologie définie par la technique moderne, le ciment était donc inconnu des romain[2]. On parlera plus volontiers de colle, de liant ou de mortier (mélange de chaux additionnés de tuileaux et de pouzzolane qui lui confèrent son hydraulicité).

C'est par glissement sémantique que le ciment est devenu le liant et non plus l'agrégat employé dans les mortiers et principalement dans les bétons de ciment.

En 1822, le chimiste allemand Johann Friedrich John, appelle ciment les parties étrangères qui donnent à la chaux la propriété de durcir dans l'eau soit son hydraulicité. Il dit qu'il est possible d'améliorer les chaux qui ne contiennent point le ciment en l'y introduisant par voie sèche[3].

Définition[modifier | modifier le code]

Le ciment est donc un liant, une matière pulvérulente, formant avec l’eau ou avec une solution saline une pâte homogène et plastique, capable d’agglomérer, en durcissant, des substances variées appelées agrégat ou granulat.

C'est une gangue hydraulique durcissant rapidement et atteignant en peu de jours son maximum de résistance. Après durcissement, cette pâte conserve sa résistance et sa stabilité, même sous l’eau. Son emploi le plus fréquent est sous forme de poudre, mélangée à de l'eau, pour agréger du sable fin, pour produire du mortier, des graviers, ou encore du béton. Un ciment « artificiel » est un produit provenant de la cuisson de mélanges artificiels (de la main humaine) de silice, d'alumine, de carbonate de chaux, sur lesquels l'eau n'a aucune action, ou qu'une action très lente avant la trituration, et qui, réduits en poudre mécaniquement, font prise sous l’action de l'eau, dans un délai qui varie selon leur proportion.

Maçon mettant en œuvre du ciment.
La cimenterie d'Obourg (Belgique).

Historique[modifier | modifier le code]

Mortiers anciens[modifier | modifier le code]

La fabrication de liants par calcination de la pierre (four à calcination) serait aussi ancienne que l'art du potier. Dans la ville de Çatal Höyük, fondée en 7000 avant J.-C. des enduits de plâtre ornaient déjà les murs. Mais c'est l'Égyptiens qui a l'idée d'employer un mortier de plâtre pour lier les pierres. Il aurait ensuite été amélioré par les civilisations suivantes par l'ajout de chaux à de l'argile. Les Grecs emploient le plâtre et la chaux, essentiellement dans la confection d'enduits, de stucs.


C'est véritablement les Romains (Les Grecs d'Italie[réf. nécessaire]) qui généralisèrent l'usage de la chaux comme mortier. Ils la renforcèrent avec des tuileaux ou des cendres pouzzolaniques (cendres volcaniques de la région de Pouzzoles ou « Pozzuoli » près de Naples)[4] selon une recette donnée par Vitruve[5],[6] (pas toujours respectée).

L'ajout de "pouzzolanes" (scories volcaniques exploitées autour du Vésuve dans un mortier mouillé à l'eau de mer, lui conférait une solidité élevée à la suite d'une réaction impliquant l'aluminium d'origine volcanique qui stabilise le complexe d'hydrate de silicate de calcium, avant qu'un phénomène de carbonatation durcisse plus encore le mortier, lui permettant notamment de bien résister aux attaques de la mer comme en baie de Naples où l'on trouve des maçonneries de plus de 2000 ans (mieux que le ciment Portland actuel[7], et en consommant moins d'énergie pour le produire (car le portland actuel nécessite une cuisson en cimenterie à 1 450 °C alors que la chaux des Romains ne devait être portée qu'à 900 °C[7]. Ce modèle permettrait de réduire les émissions de gaz à effet de serre des cimenteries, dont en France où la pouzzolane est disponible (Auvergne, Velay, Vivarais, Provence).

Puis jusqu’à l'Époque moderne, le mortier consiste en un mélange de chaux, additionnée de tuiles ou briques concassées, dont l'argile possède des propriétés hydrauliques. La pouzzolane (terre volcanique de Pouzzoles, dans la région de Naples, en Italie) est très utilisée comme addition.

Découverte moderne[modifier | modifier le code]

Le ciment ne prit son acception contemporaine qu'au XIXe siècle, lorsque Louis Vicat identifia le phénomène d'hydraulicité des chaux en 1817, et celle des ciments, qu'il appelait chaux éminemment hydrauliques, ou chaux limites, en 1840.

La recherche sur l'hydraulicité des chaux débuta à la fin du XVIIIe siècle siècle pour aboutir vers 1840, à la fabrication des ciments modernes. Elle concernait les chaux grasses, non hydrauliques, qui ne durcissent pas sous l'eau, les chaux hydrauliques qui durcissent même sous l'eau, les chaux éminemment hydrauliques (riches en argiles) qui se solidifient très rapidement, et les chaux limites (trop riches en argiles) qui se solidifient très rapidement puis se décomposent, si elles ne sont pas cuites au degré de fusion pâteuse.

En 1796, James Parker découvrit sur l'Île de Sheppey, en Grande-Bretagne, le ciment prompt (une chaux éminemment hydraulique ou ciment naturel à prise rapide, cuit à 900 °C comme les chaux naturelles ordinaires) qu'il baptisa commercialement ciment romain. Ce ciment acquit par la suite, de 1820 à 1920 environ, une grande réputation. Il fut fabriqué dans toute l'Europe et servait à faire des moulages au gabarit, ou à fabriquer des pierres artificielles de ciment moulé. Au début du XIXe siècle siècle, toute l'Europe s'active, la France surtout, pour ne rien devoir aux Britanniques ni à la pouzzolane italienne. Et le Français Louis Vicat découvrit en 1817 le principe d'hydraulicité des chaux - concernant la proportion d'argile et la température de cuisson - et publia ses travaux sans prendre de brevet. En 1824, le Britannique Joseph Aspdin déposa un brevet pour la fabrication d'une chaux hydraulique à prise rapide qu'il appela commercialement le ciment Portland, car la couleur de son produit ressemblait aux célèbres pierres des carrières de la péninsule de « Portland » situées en Manche. C'est un ciment similaire à ceux que décrivit Vicat, encore que son brevet soit imprécis. Mais il fallut attendre 1840, et la découverte des principes d'hydraulicité des ciments lents (dits aujourd'hui ciments Portland) toujours par Louis Vicat (société Vicat) - une cuisson à la température de fusion pâteuse soit 1 450 °C qui permit d'obtenir le clinker - pour voir une réelle fabrication de ces ciments modernes, et voir apparaître ensuite une architecture de béton coffré puis de béton armé.

La première usine de ciment a été créée par Dupont et Demarle en 1846 à Boulogne-sur-Mer. Le développement n'a pu se faire que grâce à l'apparition de matériel nouveaux, comme le four rotatif et le broyeur à boulets. Les procédés de fabrication se perfectionnèrent sans cesse, et le temps nécessaire pour produire une tonne de clinker, constituant de base du ciment, est passé de quarante heures en 1870, à environ trois minutes actuellement.

Fabrication du ciment courant, ou ciment Portland[modifier | modifier le code]

La fabrication du ciment se distingue en six étapes principales :

  • l'extraction
  • l'homogénéisation
  • le séchage et le broyage
  • la cuisson
  • le refroidissement
  • le broyage

Extraction[modifier | modifier le code]

L'extraction consiste à extraire les matières premières vierges (comme le calcaire « 75 à 80 % » et l'argile « 20 à 25 % ») à partir de carrières. Ces matières premières sont extraites des parois rocheuses par abattage à l'explosif ou à la pelle mécanique. La roche est acheminée par des tombereaux, (dumpers), ou des bandes transporteuses vers un atelier de concassage. Les matières premières doivent être échantillonnées, dosées et mélangées de façon à obtenir une composition régulière dans le temps. La prise d'échantillons en continu permet de déterminer la quantité des différents ajouts nécessaires (oxyde de fer, alumine et silice).

Homogénéisation[modifier | modifier le code]

La phase d'homogénéisation consiste à créer un mélange homogène. Cette opération peut être réalisée : soit dans un hall où on obtient le mélange homogène en disposant la matière en couches horizontales superposées, puis en la reprenant verticalement à l'aide d'une roue-pelle; soit dans un silo vertical par brassage par air comprimé.

Principes et méthodes de fabrication[modifier | modifier le code]

La fabrication de ciment se réduit schématiquement aux trois opérations suivantes :

  • préparation du cru ;
  • cuisson ;
  • broyage et conditionnement.

Il existe quatre méthodes de fabrication du ciment qui dépendent essentiellement des matériaux :

  • fabrication du ciment par voie humide (la plus ancienne) ;
  • fabrication du ciment par voie semi-humide (dérivée de la voie humide) ;
  • fabrication du ciment par voie sèche (la plus utilisée) ;
  • fabrication du ciment par voie semi-sèche (dérivée de la voie sèche).

La composition de base des ciments actuels est un mélange de silicates et d’aluminates de calcium, résultant de la combinaison de la chaux (CaO) avec de la silice (SiO2), de l’alumine (Al2O3), et de l’oxyde de fer (Fe2O3). La chaux nécessaire est fournie par des roches calcaires, l’alumine, la silice et l’oxyde de fer par des argiles. Ces matériaux se trouvent dans la nature sous forme de calcaire, argile ou marne et contiennent, en plus des oxydes déjà mentionnés, d’autres oxydes.

Le principe de la fabrication du ciment est le suivant : calcaires et argiles sont extraits des carrières, puis concassés, homogénéisés, portés à haute température (1 450 °C) dans un four à calcination. Le produit obtenu après refroidissement rapide (la trempe) est le clinker.

Four à calcination rotatif incliné ou kiln

Un mélange d’argile et de calcaire est introduit dans un four tubulaire rotatif légèrement incliné chauffé par une flamme aux environs de 2 000 °C. Cette flamme est alimentée par différents combustibles solides, liquides ou gazeux. Au contact des gaz chauds la matière s'échauffe progressivement. À l'entrée la température de l'ordre de 800 °C provoque la déshydratation des argiles et la décarbonation du calcaire pour produire la chaux (CaO). Puis la chaux se combine d'une part à l'alumine et l'oxyde de fer pour former des aluminates et aluminoferrites de calcium, et d'autre part, à la silice pour former du silicate bicalcique (bélite). La température augmentant tandis que la matière progresse vers la flamme, les aluminates (1 450 °C) et aluminoferrites (1 380 °C) fondent : cette phase de fusion favorise la formation de silicate tricalcique à partir du silicate bicalcique et de la chaux restante. C'est l'hydratation au cours de cette phase qui donne l'essentiel de sa résistance au béton de ciment Portland.

Fabrication par voie humide[modifier | modifier le code]

Cette voie est utilisée depuis longtemps. C’est le procédé le plus ancien, le plus simple mais qui requiert le plus d’énergie.

Dans ce procédé, le calcaire et l’argile sont broyés finement et mélangés avec l’eau de façon à constituer une pâte assez liquide (28 à 42 % d’eau). On brasse énergiquement cette pâte dans de grands bassins de huit à dix mètres de diamètre, dans lesquels tourne un manège de herses.

La pâte est ensuite entreposée dans de grands bassins de volumes de plusieurs milliers de mètres cubes, où elle est continuellement malaxée et homogénéisée. Ce mélange est appelé le cru. Des analyses chimiques permettent de contrôler la composition de cette pâte et d’apporter les corrections nécessaires avant sa cuisson.

La pâte est ensuite acheminée à l’entrée d’un four rotatif, chauffé à son extrémité par une flamme intérieure. Ce four rotatif légèrement incliné est constitué d’un cylindre d’acier dont la longueur peut atteindre deux cents mètres. On distingue à l’intérieur du four plusieurs zones, dont les trois principales sont :

  • Zone de séchage.
  • Zone de décarbonatation.
  • Zone de clinkerisation.

Les parois de la partie supérieure du four (zone de séchage - environ 20 % de la longueur du four) sont garnies de chaînes marines afin d’augmenter les échanges caloriques entre la pâte et les parties chaudes du four.

Le clinker à la sortie du four, passe dans des refroidisseurs (trempe du clinker), dont il existe plusieurs types comme les refroidisseurs à grille, ou à ballonnets. La vitesse de trempe a une influence sur les propriétés du clinker (phase vitreuse).

De toute façon, quelle que soit la méthode de fabrication, à la sortie du four, on obtient un même clinker qui est encore chaud, d'environ 600 à 1 200 °C. Il faut ensuite le broyer très finement et très régulièrement avec environ 5 % de gypse CaSO4 afin de « régulariser » la prise.

Le broyage est une opération délicate et coûteuse, non seulement parce que le clinker est un matériau dur, mais aussi parce que même les meilleurs broyeurs ont des rendements énergétiques déplorables.

Les broyeurs à boulets sont de grands cylindres disposés presque horizontalement, remplis à moitié de boulets d’acier et que l’on fait tourner rapidement autour de leur axe (20 tr/min) ; le ciment y atteint une température élevée (160 °C), ce qui nécessite l’arrosage extérieur des broyeurs. On introduit le clinker avec un certain pourcentage de gypse dans la partie haute, puis on récupère la poudre dans la partie basse.

Lors du broyage à circuit ouvert, le clinker ne passe qu’une fois dans le broyeur. Lors du broyage en circuit fermé, le clinker passe rapidement dans le broyeur, puis à sa sortie, est trié dans un cyclone. Le broyage a pour but de réduire les grains du clinker en poudre, et de permettre l’ajout du gypse (environ 4 %) pour réguler quelques propriétés du ciment Portland, comme son temps de prise et de durcissement.

À la sortie du broyeur, le ciment est à une température environ de 160 °C, et avant d'être transporté vers des silos de stockage, il doit passer au refroidisseur à force centrifuge pour que sa température soit maintenue à environ 65 °C.

Fabrication par voie sèche[modifier | modifier le code]

Les ciments usuels sont fabriqués à partir d’un mélange d'environ de 80 % de calcaire (CaCO3) et de 20 % d’argile (SiO2–Al2O3). Selon l’origine des matières premières, ce mélange peut être corrigé par apport de bauxite, oxyde de fer ou autres matériaux fournissant le complément d’alumine et de silice requis.

Après avoir été finement broyée, la poudre (farine) est transportée depuis le silo d'homogénéisation jusqu’au four, soit par pompe, aéroglisseur puis par aérolift ou élévateur.

Les fours sont constitués de deux parties:

  • la structure verticale fixe : la tour de préchauffage constituée de cyclones et d'échangeurs de chaleur ;
  • le four ou tronçon rotatif.

Les gaz réchauffent la farine crue qui circule dans les cyclones en sens inverse, par gravité. La farine en s'échauffant au-delà des 800 °C environ va se décarbonater (partiellement) en libérant du dioxyde de carbone (CO2) et son eau. La farine chaude pénètre ensuite dans le tronçon rotatif analogue à celui utilisé dans la voie humide, mais beaucoup plus court.

La méthode de fabrication par voie sèche pose aux fabricants d’importants problèmes techniques:

La ségrégation possible entre argile et calcaire dans les préchauffeurs. En effet, le système utilisé semble être néfaste et, en fait, est utilisé ailleurs pour trier des particules. Dans le cas de la fabrication des ciments, il n’en est rien. La poudre reste homogène et ceci peut s'expliquer par le fait que l’argile et le calcaire ont la même masse volumique (2,70 g/cm³). De plus, le matériel a été conçu dans cet esprit et toutes les précautions ont été prises.

Le problème des poussières. Ce problème est rendu d’autant plus aigu, que les pouvoirs publics, très sensibilisés par les problèmes de nuisance, imposent des conditions draconiennes. Ceci oblige les fabricants à installer des dépoussiéreurs, ce qui augmente considérablement les investissements de la cimenterie.

Les dépoussiéreurs utilisés pour traiter les gaz du four sont :

  • les électrofiltres constitués de grilles de fils métalliques mis sous haute tension électrique et sur lesquels viennent se fixer des grains de poussière ionisée. Ces grains de poussière s’agglomèrent et, sous l’action de vibreurs ou de marteaux qui agitent les fils, retombent au fond du dépoussiéreur où ils sont récupérés et renvoyés dans le four. En dehors des pannes, ces appareils ont des rendements de l’ordre de 99 %, mais absorbent une part importante du capital d’équipement de la cimenterie.

Le problème de l’homogénéité du cru est délicat. Nous avons vu comment il pouvait être résolu au moyen d’une préhomogénéisation puis d’une homogénéisation.

Séchage et broyage[modifier | modifier le code]

Le séchage et le broyage sont l'étape visant à favoriser les réactions chimiques ultérieures. Les matières premières sont séchées et broyées très finement (de l’ordre du micron) dans des broyeurs à boulets, ou, plus récemment, dans des broyeurs verticaux à meules, plus économes en énergie.

On distingue trois types principaux de "voies" en fonction du type de préparation :

  • la voie humide : c’est la technique la plus ancienne. Elle est aussi la plus gourmande en énergie, nécessaire à l’évaporation de l’excédent d’eau.

Dans les deux techniques suivantes, les matières premières sont parfaitement homogénéisées et séchées sous forme de « cru » ou « farine ».

  • la voie sèche : la farine est introduite directement dans le four sous forme pulvérulente, après un préchauffage dans une tour à échangeurs thermiques.
  • la voie semi-sèche : avant introduction dans le four, la farine est transformée en “granules” par humidification dans de grandes « assiettes » rotatives inclinées.

Le cru est ensuite introduit dans un long four (60m à 200m) rotatif (1,5 à 3 tours par minute), tubulaire (jusqu’à 6m de diamètre), légèrement incliné (2 à 3 % d’inclinaison)

Cuisson[modifier | modifier le code]

Le cru va suivre différentes étapes de transformation lors de sa lente progression dans le four, vers la partie basse, à la rencontre de la flamme. Cette source de chaleur est alimentée au charbon broyé, fioul lourd, gaz, ou encore en partie avec des combustibles de substitution provenant d'autres industries, tels que le coke de pétrole, les pneus usagés, les farines animales, les huiles usagées.

La température nécessaire à la clinkerisation est de l'ordre de 1 450 °C. L'énergie consommée se situe entre 3 200 et 4 200 kJ par tonne de clinker, qui est le produit semi fini obtenu à la fin du cycle de cuisson. Il se présente sous forme de granules grises.

À la sortie du four, le clinker doit être refroidi et broyé avant d'être entreposé dans des silos.

Le clinker est le résultat d'un ensemble de réactions physico-chimiques progressives (clinkerisation) permettant :

  • La décarbonatation du carbonate de calcium (donnant la chaux vive)
  • La scission de l'argile en silice et alumine
  • La combinaison de la silice et de l'alumine avec la chaux pour former des silicates et des aluminates de calcium.

Refroidissement[modifier | modifier le code]

Dans le cas des ciments gris, le clinker est refroidi, dans la plupart des cimenteries actuelles, par un refroidisseur à grilles:

  • le clinker va progresser à l'intérieur du refroidisseur grâce aux à-coups répétés des grilles sur lesquelles il repose,
  • au travers des grilles, de puissants ventilateurs vont souffler sous le clinker afin de le refroidir,
  • à l'entrée ou à la sortie du refroidisseur, selon le modèle utilisé, un concasseur à un ou plusieurs rouleaux va le broyer de manière grossière.

Dans le cas du ciment blanc, plus fragile que le gris car il doit rester immaculé, un refroidisseur rotatif est inséré entre le four rotatif et le refroidisseur a grilles. Il s'agit d'un cylindre légèrement incliné qui tourne sur lui-même et à l'intérieur duquel de l'eau est pulvérisée à l'aide de multiples buses. Bien que sa composition chimique soit légèrement différente, c'est grâce au refroidisseur rotatif que le ciment peut rester blanc : en effet, son rôle est de refroidir très rapidement le clinker à sa sortie du four, avant qu'il ne soit oxydé au contact de l'air. De plus, la taille des refroidisseurs à grilles utilisés sur les lignes de ciment blanc est considérablement réduite, le refroidisseur rotatif accomplissant une partie de leur travail.

Broyage[modifier | modifier le code]

Boyeur à boulets

Le clinker est ensuite finement broyé pour conférer au ciment des propriétés hydrauliques actives. Ce broyage s'effectue dans des broyeurs à boulets, dispositifs cylindriques chargés de boulets d'acier et mis en rotation.

Lors de cette étape, le gypse (3 à 5 %), indispensable à la régulation de prise du ciment, est ajouté au clinker. On obtient alors le ciment Portland.

Les ciments à ajouts sont obtenus par l'addition, lors de la phase de broyage, d'éléments minéraux supplémentaires contenus dans des matériaux tels que :

  • le laitier de hauts fourneaux (résidus de la sidérurgie)
  • les cendres volantes de centrales électriques
  • les fillers calcaires (granulats)
  • les pouzzolanes naturelles ou artificielles

Broyage très fin[modifier | modifier le code]

EMC Energetically Modified Cement[8] est un ciment produit selon un procédé breveté de broyage intense de ciment CPA avec des différentes charges, comme sable fin, quartzite, pouzzolane ou cendres volantes, etc. Il possède les mêmes caractéristiques physiques[9] que les ciments portland artificiels CPA, mais avec 50 % moins de ciment, énergie et émissions de CO2.

Chimie du ciment[modifier | modifier le code]

Phases cimentières[modifier | modifier le code]

Article connexe : Notation cimentière.

Pour désigner les phases cimentières, on utilise en général une notation abrégée dite « notation shorthand » : C pour CaO (Chaux), S pour SiO2 (silice), A pour Al2O3 (alumine) et F pour Fe2O3 (hématite).
Les phases couramment rencontrées dans l'industrie du ciment sont :

  • Alite C3S : (CaO)3(SiO2) ;cette phase est la plus importante. Elle consiste en environ deux tiers du produit final.
  • Aluminate C3A : (CaO)3(Al2O3) ;
  • Belite C2S : (CaO)2(SiO2) ;
  • Calcaire (limestone) : CaCO3
  • Célite phases «interstitielles» « celite » C3A, impure et solution solide de ferrite « C4AF » ;
  • Chaux libre (free lime) : CaO, la teneur doit être en général inférieure à 2 % en masse dans le clinker (la quantité de chaux libre augmente lorsque la température du four baisse) ;
  • Ferrite ou aluminoferrite ou brownmillerite C4AF : (CaO)4(Al2O3)(Fe2O3), on voit parfois la demi-formule (CaO)2FeAlO3 ;
  • Gypse : CaSO4.2(H2O) ; chauffé entre 60 °C et 200 °C, le gypse se déshydrate et donne le plâtre ;
  • Périclase : MgO ;
  • Portlandite : hydroxyde de calcium Ca(OH)2, provenant de l'hydratation de la chaux libre.
  • Sable, silice : SiO2

La composition chimique garantit les qualités du ciment à terme, c’est-à-dire pendant sa fabrication, et également des mois, voire des années après sa commercialisation. Des analyses sont donc effectuées sur des échantillons prélevés régulièrement tout au long du processus de la fabrication. On analyse également les matières premières et les combustibles afin de connaître leur teneur en différents composés, et de pouvoir ainsi les doser. Ces analyses sont devenues d'autant plus importantes que la fabrication du ciment a de plus en plus recours à des produits de recyclage, tant dans les matières premières (par exemple le laitier) que pour les combustibles (déchets ne dégageant pas de fumées toxiques, farines animales…). Par ailleurs, cette analyse permet également un pilotage rétroactif du four : lorsque le taux de chaux libre (CaO) est trop important, cela signifie que le four n'est pas assez chaud.

La qualité finale est évaluée par des modules, c'est-à-dire des valeurs calculées à partir de la composition.
On définit par exemple :

  • Module de saturation de Kühl :  LSF= \frac{\mathrm{CaO}}{\mathrm{2,8 \cdot SiO_{2} + 1,1 \cdot Al_{2}O_{3} + 0,7 \cdot Fe_{2}O_{3}}}
  • Module silicique (MS ou SR) : MS= \frac{\mathrm{SiO_{2}}}{\mathrm{ Al_{2}O_{3} + Fe_{2}O_{3}}}
  • Module alumino-ferrique (AF ou AR) : AF= \frac{\mathrm{Al_{2}O_{3}}}{\mathrm{ Fe_{2}O_{3}}}

Contamination[modifier | modifier le code]

La présence de chlore (chlorures) et de soufre (sulfates, sulfure) dans les matières premières est problématique. En effet, lors du chauffage, le chlore et le soufre se volatilisent et réagissent avec les composés alcalins pour former des chlorures et sulfures alcalins. En effet, les chlorures et les sulfates subissent un cycle (interne ou externe) et, en l'absence d'alcalin comme le potassium et le sodium (K2O & Na2O) avec qui réagissent les chlorures et les sulfates, des concrétions de sulfates en forme d'anneau se forment au niveau des tours de préchauffage.

Tests en laboratoire[modifier | modifier le code]

Mesures physiques[modifier | modifier le code]

Surface spécifique[modifier | modifier le code]

La finesse de broyage d'un ciment est exprimée par sa surface spécifique. C'est-à-dire la surface développée par unité de masse cette valeur s'exprime en [cm²/g]. Elle est mesurée au moyen du Test de Blaine, dit de perméabilité à l'air, selon la relation d'Arcy-Kozeny, qui établit que la traversée d'un lit de granules par un fluide est affectée par la surface spécifique de ces granules. Ainsi, en calculant la durée que met un gaz sous pression à traverser un volume donné de granules, on peut déduire la surface des granules. Plus le broyage est fin, plus la surface calculée est importante. Cette expérience se produisant dans un volume déterminé, on peut imaginer obtenir une surface développée infinie en broyant toujours plus finement le ciment. Il s'agit là d'une application industrielle d'un modèle expliqué par les mathématiques fractales: une dimension d'ordre n, finie, englobant une dimension d'ordre n-1, tendant vers l'infini.

Mesure du temps de prise[modifier | modifier le code]
Granulométrie[modifier | modifier le code]
Essai mécanique[modifier | modifier le code]

Résistance à la compression. Résistance à la traction.

Mesures chimiques[modifier | modifier le code]

En général, les analyses chimiques réalisées sur un ciment sont:

  • La détermination de la Perte au feu (loss on ignition): c'est-à-dire déterminer la matière organique par incinération. Matière première → CO2 + H2O + éléments oxydables.
  • La teneur en soufre par gravimétrie.
  • La teneur en chlorure par dosage de Volhart.
  • La teneur en carbonates, CO2 et chaux libre.

En industrie ces tests sont réalisés manuellement mais aussi par spectrométrie toutes les heures afin de contrôler la production et de rester dans les valeurs attendues.

  • La spectrométrie utilisée est la XRF (fluorescence à rayon X) pour la détermination de: SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, CaO, MgO, Na2O, K2O, SO3, P2O5, MnO, Cr2O3 et SrO. Ces valeurs sont utilisées pour le calcul des différents modules vus dans le chapitre précédent.
  • la XRD (diffraction à rayon X) pour mesurer la valeur en chaux libre.

En général la XRF est couplée avec une XRD.

Les différents ciments[modifier | modifier le code]

Les ciments peuvent être classés en cinq grandes familles et vingt-sept variantes principales (voir la norme (en)EN-197-1-2000) pour plus de détails :

  • Ciment Portland (noté CEM I)
  • Ciment Portland composé (noté CEM II)
  • Ciments de hauts fourneaux (noté CEM III)
  • Ciments pouzzolaniques (noté CEM IV)
  • Ciments au laitier et aux cendres ou ciment composé (noté CEM V)
  • Ciment blanc (différent des précédents par sa composition chimique et la méthode de fabrication)

La désignation des ciments est normalisée

L'économie du ciment et impacts sur l'environnement[modifier | modifier le code]

Émissions de carbone fossile par sources depuis 1800
  • Une industrie lourde…

Le coût des installations nécessaires à la production d’un million de tonnes de ciment représente 150 millions d’euros: ce coût équivaut à leur chiffre d’affaires pendant trois ans.

  • …fortement consommatrice d’énergie…

Chaque tonne de ciment produite requiert l’équivalent de 60 à 130 kg de fioul, ou une moyenne de 110 kWh.

  • …fortement productrice de gaz à effet de serre…[10]

La seule fabrication du ciment est responsable de 5 % des émissions mondiales de CO2. Ces émissions sont dues : pour 40 % au carburant pour chauffer la roche calcaire, pour 60 % à la décarbonatation de cette roche lors du chauffage.

Lors de la prise du ciment il n'y a pas de CO2 fixé, la prise se fait à l'eau contrairement à la prise de la chaux aérienne qui fixe la même quantité de CO2 que celle émise lors de la décarbonatation.

  • …à faible besoin en main d’œuvre…

Une usine moderne d’un million de tonnes de capacité emploie moins de 150 personnes.

  • …fabriquant un produit pondéreux…

Le coût du transport par route devient équivalent au coût du produit au-delà de 300 km (25 t de charge utile par camion) et limite donc le rayon utile de l’acheminement terrestre. Cette contrainte fait du marché du ciment un marché régional. Néanmoins, le moindre coût du fret maritime en regard des volumes transportés (bateaux de 35 000 tonnes) permet les échanges intercontinentaux (par tonne transportée, il est moins coûteux de faire traverser l’Atlantique à une cargaison de ciment que de la déplacer de 300 km par voie routière).

  • …aux caractéristiques homogènes…

Bien que le ciment soit produit à partir de matériaux naturels locaux, différents selon la région où se situe une usine, le produit fini répond aux mêmes standards. De ce fait, plus que la qualité d’un ciment, c’est sa disponibilité et le service au client qui sont déterminants dans l’acte de vente, après bien entendu le prix de vente.

  • …à la consommation fortement liée au niveau de développement local.

En Europe et en Amérique du Nord, la demande du marché pour le ciment a fortement augmenté au cours du XXe siècle, et le développement de l’industrie a répondu aux besoins de l’urbanisation croissante. Après la Seconde Guerre mondiale, et malgré une évolution cyclique, la consommation des pays industrialisés a été multipliée par un facteur 6 à 8, jusqu’au choc pétrolier de 1975. Depuis lors, les marchés occidentaux dits matures ont décru de l’ordre de 20 à 40 %, les besoins en infrastructures lourdes ayant été comblés, et remplacés par de la consommation d'entretien.

Néanmoins, au cours des vingt-cinq dernières années, certains pays européens (Grèce, Portugal et Espagne, par exemple) ont doublé, voire triplé leur consommation par suite de leur taux élevé de croissance interne (PIB)

D’un pays à l’autre, la consommation de ciment par habitant varie fortement selon les profils géographiques (tunnels et ponts dans les zones montagneuses), les contraintes sismiques (Grèce, Turquie), et climatologiques (autoroutes en béton dans les pays du nord), les habitudes locales, les densités de population et le cycle de croissance. La moyenne européenne était en 2004 (source CEMBUREAU) de 528 kg par habitant, avec des pics à 1 221 kg pour le Luxembourg, 1 166 kg pour l’Espagne et 963 kg pour la Grèce et des creux pour la Suède (192 kg), la Lettonie (200 kg) et le Royaume-Uni (216 kg).

Sociétés cimentières[modifier | modifier le code]

Sociétés de production[modifier | modifier le code]

La production mondiale de ciment est dominée par quelques groupes internationaux occidentaux (classement à fin 2005) :

Il existe également de nombreux producteurs indépendants :

  • En Italie et au Canada :
  • En France :
  • Au Maroc
    • CIMAT (Ciments de l'Atlas)
  • En Algérie :
    • ERCE-GIC
  • En Tunisie :
    • SOTACIB
    • CIOK cimenterie d'Oum El Klil Kef
    • SCG CIMENTERIE DE GABES

Sociétés d'analyse & réalisation[modifier | modifier le code]

De nombreuses sociétés grandes ou petites gravitent autour des grandes sociétés de production et sont spécialisées dans le process cimentier, en particulier dans l'ingénierie et la mise en service électriques des lignes de production de ciment (par ex: Fives FCB en France).

Pour les sociétés de ciment en Algérie, elles sont regroupées autour d'un groupe national de ciments appelé GROUPE GICA (Groupe Industriel des Ciments d'ALGÉRIE), au nombre de 12 cimenteries, elles totalisent une capacités de production annuelle de 11 500 000 tonnes. La nouvelle politique économique a permis d'augmenter ces capacités nationales pour qu'elles avoisinent les 18 000 000 tonnes par AN.

Organismes internationaux et normes[modifier | modifier le code]

Le premier résultat d’harmonisation des ciments est apparu en 2000, développé par CEN (« Comité européen de normalisation) (www.cenorm.be). Le ciment est alors le premier produit normalisé (EN-197-1-2000) en accord avec la CPD (Construction Products Directive). La norme définit vingt-sept ciments communs et leurs constituants, incluant des recommandations d’utilisation (proportions des mélanges), ainsi que les spécificités mécaniques, physiques et chimiques des différents ciments et de leurs composants. Les vingt-sept classes sont réparties en cinq groupes, selon leurs constituants, autres que le clinker. Depuis avril 2003, tous les ciments ont reçu le label CE, en accord avec la norme EN 197-1.

Les tests à pratiquer sur les ciments tout au long de la chaîne de production, pour mesurer leurs propriétés, ont été décrits dans une pré-norme européenne finalisée en 1989 (EN 196 series).

La CEN se penche également sur la normalisation des six autres types de ciments suivants :

  • Ciments à faible chaleur d’hydratation
  • Ciments prompts à faible résistance
  • Liants hydrauliques routiers
  • Ciments calcio-aluminates
  • Ciments sulphato-résistants

Le comité C01 de l'ASTM est consacré aux ciments hydrauliques.

Les normes suivantes s'appliquent au domaine des ciments :

Glossaire des ciments[modifier | modifier le code]

Ciment alumineux

Le ciment alumineux fut mis au point par J. Bied, directeur scientifique des Ciments Lafarge, en 1908, et fabriqué industriellement en France à partir de 1918. C’est un ciment à base d'aluminates de calcium. Les ciments Portland, quant à eux, contiennent des silicates de calcium. Les aluminates ne libèrent pas de chaux en cours d'hydratation, et confèrent au béton ou au mortier alumineux des propriétés recherchées :

  • Une prise rapide
  • Une résistance chimique élevée
  • Une résistance élevée à l'usure
  • Une résistance aux températures élevées
  • Un accélération de la prise par temps froid
Ciment artificiel

Le ciment artificiel, ou ciment Portland, est un mélange artificiel (de la main de l'homme) de 76 à 80 % de carbonate de chaux, et de 24 à 20 % d'argile, broyé et mélangé à cru, puis cuit à une température de 1 450 °C pour obtenir une roche artificielle très dure, le clinker, qui, broyé à nouveau très finement, donne le ciment artificiel.

C'est un ciment lent, fabriqué en grande quantité à partir de 1850 environ, utilisé aujourd'hui pour les bétons et bétons armés courants, ainsi que pour les travaux de haute technicité comme ceux des ponts et chaussées ou les ouvrages d'art. Sa fabrication longue et compliquée l'a longtemps rendu coûteux. Il fut imité à moindre frais par ce que l'on peut appeler les « faux artificiels » (voir ce terme).

En 1897, la Commission de méthode d'essais des matériaux classa dans la même catégorie tous les ciments à prise lente, et à partir de 1902, la Commission des chaux et ciments, n'utilisa plus ce terme d'artificiel et l'engloba dans les ciments Portland.

Ciment blanc ou extra-blanc

Le ciment blanc ou extra-blanc est un ciment Portland sans oxyde métallique (sorte de chaux lourde), destiné à la fabrication des carreaux de ciment ou des moulages. Il est remarquable par sa finesse et sa blancheur, ne produisant aucune gerçure sur la surface lisse. Il fut inventé en 1870. Sa prise se fait entre 6 et 15 heures.

Ciment brûlé (ou clinker)

Le clinker, cuit à 1 450 °C et non encore moulu, peut être utilisé comme ciment, on parle alors de ciment brûlé. Il est très dur. Sa prise est beaucoup plus lente que les ciments modérément cuits à 1 000 °C, mais il présente un durcissement et un degré de cohésion tout à fait extraordinaires.

Broyé et mélangé à du gypse pour en retarder la prise, il est à la base de la fabrication courante des ciments ordinaires modernes (ciment Portland). Au XIXe siècle en Dauphiné, les morceaux modérément cuits, souvent de couleur jaune, étaient appelés des frittes jaunes ou des grumes. Les morceaux surcuits s'appelaient des frittes noires. Le mot clinker, importé du Royaume-Uni, désignait les frittes noires du ciment Portland artificiel.

Ciment aux cendres

Les ciments aux cendres furent produits pour la première fois en France en 1951, par P. Fouilloux.

Ciment fondu

Ciment du début du XXe siècle siècle, très alumineux, à prise normale, dont le durcissement demande beaucoup d'eau, dégage beaucoup de chaleur et est très rapide. Il est indécomposable dans les eaux magnésiennes et séléniteuses, se mélange mal avec d'autres ciments et est d'un prix élevé.

Ciments de grappiers

La production de ciments de grappiers commence vers 1870. Les grappiers sont les éléments durs que l'action de l'eau ne peut faire tomber en poudre lors de l'extinction de la chaux, et que les bluteries rejetaient. C'étaient les incuits, surcuits, chaux limites et parties trop chargées en argile des calcaires marneux.

Constituant une perte sensible pour le fabricant, on aboutit au Teil (Ardèche) à en tirer parti en créant le ciment de grappiers, dont la qualité pouvait être remarquable. Ce produit un peu bâtard a disparu définitivement du marché avec la guerre 1914, mais on le retrouve dans les manuels d'architecture des années 1930.

Ciment de laitier

Ciment appelé aussi ciment pouzzolane, obtenu à partir de laitier de hauts-fourneaux mélangé avec de la chaux grasse éteinte et de la chaux hydraulique.

Le laitier, pour acquérir de la résistance, doit avoir été refroidi brusquement à la sortie du four en étant immergé dans l'eau. Il contient des sulfures de calcium qui s'oxydent à l'air, qui lui donnent une teinte verte, et désagrègent les mortiers, mais il durcit considérablement, bien que lentement, en milieu humide.

C'est aussi un mélange d'hydrate de chaux en poudre et de gangues hydrauliques pulvérisées ou pouzzolanes artificielles.

En Allemagne, le début de la fabrication du ciment à 30 % de laitier remonte à 1901, mais il ne fut agréé qu'en 1909. Dans ce même pays les ciments contenant jusqu'à 70 % de laitier furent produits à partir de 1907 et agréés en 1909. En France, avant 1914, on utilisait surtout le laitier à la chaux, provenant de la région Est. Les cahiers des charges français le mentionnent pour la première fois en 1928 et l'admettent pour les travaux au littoral, en 1930.

Ciment lent

Ciment à prise lente, plus de huit heures ; voir ciments naturels ou ciment Portland.

Ciment lourd ou surcuit

Ciment surcuit à 1 450 °C, donc lent à la prise.

Ciment mixte

Nom que donnaient les usines du nord de la France aux faux artificiels, et vendus ailleurs sous le nom de Portland naturels, est composé de ciment naturel et de grappiers de chaux mélangés en proportions variables.

Ciments naturels

Les ciments naturels sont des ciments prompts ou lents, voire demi-lents. Ils sont obtenus par la cuisson de calcaire, argileux naturellement, de bonne composition.

Les ciments naturels se divisent en deux classes :

  • les ciments prompts, cuits à 900 °C comme les chaux, qui font prise en moins de vingt minutes ;
  • les ciments lents, cuits à un état proche de la fusion pâteuse à 1 450 °C, qui font prise en une ou plusieurs heures.

Des variétés intermédiaires étaient obtenues directement ou par mélanges et étaient appelées demi-lents.

Vers 1880, les ciments naturels des environs de Grenoble (plus grande région productrice) résultaient de la cuisson de calcaire marneux contenant de 23 à 30 % d'argile, plus ou moins pure. Une fois cuits, ils renfermaient 35 à 45 % d'argile calcinée et 65 à 56 % de chaux. La proportion d'argile considérée comme la meilleure est de 23 à 24 % dans le calcaire et de 36 dans le ciment. Ils donnaient suivant leur cuisson des ciments naturels lents ou prompts. Seul le ciment prompt naturel est encore produit.

Ciment Portland

Le ciment Portland est un ciment artificiel obtenu par la cuisson, proche de l'état de fusion pâteuse, à 1 450 °C, des chaux limites mélangées intimement (calcaires contant de 20 à 25 % d'argile) et longtemps appelées chaux brûlées, ou de roches calcaires et de roches argileuses soigneusement dosées. C'est l'appellation courante des ciments lents. La dénomination de Portland vient des fabriques de Portland au Royaume-Uni, où le ciment avait la même couleur que les pierres de la région.

Ciment Portland naturel

Nom impropre des ciments naturels de l'Isère. Voir ciments naturels.

Ciment prompt (ou « ciment romain »)

Techniquement, le ciment prompt est une chaux éminemment hydraulique, un ciment obtenu par la cuisson à 900 °C de calcaires contenant de 23 à 30 % d'argile et dont la prise s'effectue en dix ou vingt minutes. Le plus souvent, c'est un ciment naturel, un ciment provenant de la simple cuisson d'une gangue ayant naturellement les bonnes proportions de calcaire et d'argile. La pierre, à la sortie du four, reste quelque temps à l'air et absorbe de l'humidité, puis elle est blutée, conservée en silos et ensachée. Ce ciment atteint sa dureté maximale après quelques jours.

Le ciment prompt est fabriqué depuis la fin du XVIIIe siècle. Il a longtemps été appelé ciment romain dans le nord de la France, les pays anglo-saxons et d'Europe de l’Est, bien que cette qualification commerciale soit absolument impropre. Les grands producteurs étaient sur l'île de Sheppey en Grande-Bretagne et à Vassy, Pouilly et Grenoble (encore en activité), en France.

Le ciment prompt a longtemps été utilisé pour faire des moulages au gabarit, ou fabriquer des pierres factices de ciment moulé (de 1820 à 1920 environ). Il est encore utilisé comme ciment à sceller, comme adjuvant naturel dans les enduits de chaux, pour les travaux maritimes et pour la fabrication des moulages d'art, surtout dans les Alpes et en Italie du nord (importation de ciment français, le prompt de la Pérelle et de la Porte de France de la société Vicat, dernier producteur).

Ciment sulfaté.

Le ciment sulfaté fut mis au point en 1908 par Hans Kühl. Il fut peu fabriqué en Allemagne, mais exploité industriellement en Belgique et en France à partir de 1922, et jusqu'en 1965.

Ciment romain.

Voir ci-dessus ciment prompt.

Sources[modifier | modifier le code]

  • Cement data book de Walter H. Duda
  • Ciment naturel Cédric Avenier ss. dir., Bruno Rosier, Denis Sommain, Grenoble, Glénat, 2007, 176 pages

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Émissions du ciment quelles perspectives sur le site http://www.construction-carbone.fr
  2. a et b Jean-Pierre Adam. La Construction romaine. Matériaux et techniques. Sixième édition. Grands manuels picards. 2011; Page 76
  3. Clément Louis Treussart. Mémoire sur les mortiers hydrauliques et sur les mortiers ordinaires. Chez Carillan-Goeury, 1829 Consulter en ligne
  4. F. Davidovits, Vitruve et le mortier romain, étude archéologique et linguistique , mémoire de maîtrise de lettres classiques, Faculté des Lettres, Amiens, 1992
  5. G. Lugli, (1956) L'opus caementicium in Vitruvio , in Classica et Mediaevalia, Vol. 17, Copenhague.
  6. Frédéric Davidovits (1995) [Les Cultures de l'Antiquité Classique ; Les Mortiers de pouzzolanes artificielles chez Vitruve évolution et historique architecturale] ; Université ParisX-Nanterre 1992-1993 Thèse de D.E.A. Geopolymer Institute France ; PDF, 95 p
  7. a et b Guillaume J La redécouverte du ciment romain ; Ecolopop, 2013-06-25
  8. (en) EMC Cement BV, EMC Cement BV website, EMC Cement BV (lire en ligne)
  9. (en) H Justnes et V Ronin, Performance of Energetically Modified Cement (EMC) and Energetically Modified Fly Ash (EMFA) as Pozzolan [PDF], SINTEF (lire en ligne)
  10. Bâtir en terre. Du grain de sable à l'architecture. Laetitia Fontaine et Romain Anger. Ed° Belin. 2009.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

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