Clinker
Ne doit pas être confondu avec Clinger.
Le clinker est un constituant du ciment, qui résulte de la cuisson d'un mélange composé d'environ 80 % de calcaire (qui apporte le calcium) et de 20 % d'aluminosilicates (notamment des argiles qui apportent le silicium, l'aluminium et le fer). La « farine » ou le « cru » est formée du mélange de poudre de calcaire et d'argile. Cette cuisson, la clinkérisation, se fait à une température d'environ 1 450 °C qui explique la forte consommation énergétique de ce processus.
La clinkérisation explique en partie la contribution importante des cimenteries aux émissions de gaz à effet de serre.
Aspect
Le clinker se présente sous la forme de nodules durs et cristallisés, de teinte gris foncé pour les ciments habituels et verte pour le clinker de ciment blanc.
Composition
La composition des clinkers gris est représentée par quatre grandes phases cristallines caractéristiques de la chimie du ciment. Elles sont en moyenne les suivantes :
- Ca3SiO5 : silicate tricalcique (SiO2 – 3 CaO) : 50 à 65 % (alite) ;
- Ca2SiO4 : silicate bicalcique (SiO2 – 2 CaO) : 15 à 20 % (bélite) ;
- Ca3Al2O6 : aluminate tricalcique (Al2O3 – 3 CaO) : 5 à 15 % (aluminate) ;
- Ca4Al2Fe2O10 : ferro-aluminate tétracalcique (Al2O3 – Fe2O3 – 4 CaO) : 5 à 10 % (ferrite).
Ces quatre phases cristallines sont souvent repérées C3S, C2S, C3A et C4AF en notation cimentière ; « C » représentant ici la molécule de chaux (et non carbone dans ce cas), soit CaO combiné à : S, A et F, les trois autres oxydes respectivement de silicium (SiO2), alumine (Al2O3) et de fer (Fe2O3).
La composition minéralogique du clinker obtenu après cuisson des matières crues est fonction de la composition du mélange, de la température, du combustible utilisé, du temps de cuisson et des conditions de refroidissement (trempe à l’air).
Qualité de clinker et environnement
Selon le degré de pureté des ingrédients, des résidus de métaux lourds peuvent être présents dans le clinker. Certaines cimenteries utilisent aussi des pneus (contenant des métaux lourds) comme combustible alternatif ou brûlent des déchets industriels, dont les résidus toxiques doivent être piégés dans le clinker[1].
Certains de ces métaux améliorent la qualité du ciment, d'autre dégradent la qualité technique du ciment et du béton[2]. Ainsi, un peu de chrome accélère la prise et augmente la résistance du ciment d'un béton bien préparé, mais il est l'un des allergènes qui font que le ciment est source de dermatites allergiques[3]. Au contraire, le cadmium, le plomb, le chrome, le zinc présents en quantités importantes dans le cru de ciment Portland et alumineux dégraderont les propriétés du ciment final[2]. Comme le cadmium, le zinc est facilement absorbé dans le ciment Portland dont il augmente le temps de prise et diminue la résistance du béton[2]. Une quantité excessive d'oxyde de zinc dégrade la résistance des ciments d'aluminate de calcium[2]. Si le ciment est mal dosé, et le béton de mauvaise qualité, ces métaux peuvent en partie être lessivés (lixiviation) et éventuellement restabilisés par cristallisation à l'évaporation (notamment retrouvés dans les stalactites et concrétions).
La production de clinker est responsable de la majeure partie de la consommation d'énergie des cimenteries, et de leur empreinte carbone (consommation de carbone fossile et émissions de gaz à effet de serre)[4]. Cette production tient donc une place importante dans les activités, négociations ou révisions de quotas échangeables (ou permis d'émissions transférables) de gaz à effet de serre dans le cadre du système européen de quotas mis en place en 2005[5]. Une réduction des taux de clinker ou son remplacement par des alternatives sont, dans ce contexte, des enjeux économiques et environnementaux nouveaux, mais dans le contexte de 2005, il existait un « dilemme du clinker »[6]. Paradoxalement, si les émissions de CO2 d'une cimenterie peuvent être réduites, c'est essentiellement en réduisant le taux de clinker. Mais quand la quantité de quotas allouée est indexée sur la production de clinker, le prix de ce dernier n'augmentera pas, ou uniquement via une éventuelle hausse du coût marginal de la production (due par exemple à une substitution partielle de carbone fossile par de la biomasse), ce qui n'incite pas à réduire le taux de clinker. L'alternative est d'indexer la quantité de quotas sur le tonnage produit de ciment et non de clinker, mais ceci pourrait avoir un effet pervers, qui serait d'encourager le cimentier à simplement importer du clinker (plus transportable que le ciment) pour vendre des quotas (ou en acheter moins). Les quotas en APP pourraient être interdits aux cimentiers ne produisant pas leur clinker localement, mais selon certains, cette procédure risquerait d'être attaquée devant l'organe de règlement des différends de l'OMC.
Les cimenteries font partie des industries (avec la métallurgie notamment, et les centrales électriques thermiques) où le captage du CO2 est envisagé pour réduire l'empreinte carbone de ces industries et de leurs produits[7].
Étant donné la part de la consommation d'énergie dans le processus de clinkérisation, de manière générale l'impact environnemental d'un four augmente quand son efficacité énergétique diminue.
Analyse du cycle de vie
L'analyse du cycle de vie (ACV) du clinker varie fortement selon la consommation de ressources (plus ou moins renouvelables et polluantes) et selon les options techniques de production retenues par le cimentier[8].
Un modèle d'ACV a été récemment compilé à partir des données provenant de plus de 100 lignes de production de clinker (avec ou sans précalcination), et de données scientifiques et techniques provenant de littérature et d'experts du domaine.
Il peut être appliqué par l'industrie du ciment pour d'une part choisir des carburants alternatifs et d'autre part choisir des matières premières alternatives, ou communiquer sur la RSE (Responsabilité sociale et environnementale).
Il peut aussi être utilisé par les autorités ou entités chargées de l'environnement ou de l'énergie ou du développement soutenable pour l'aide à la décision concernant par exemple les études d'impacts, attribution de quotas d'émissions ou autorisation de cotraitement de déchets (pneus, déchets industriels préparés, boues d'épuration séchées, laitier de haut fourneau) dans les fours à ciment alors utilisés comme incinérateurs de déchets éventuellement dangereux et/ou toxiques. En termes de bilan global, une réduction des émissions de gaz à effet de serre, de diminution de la consommation de ressources, et surtout de réduction des impacts environnementaux globaux sont possibles.
Notes et références
- L. Pawlowski et al. (1999), Neutralization of Hazardous Wastes Combined with Clinker Manufacturing, in Chemistry for the Protection of the Environment, t. 3 (extrait avec books.google)
- M. Murata et F. Sorrentino, Effect of large additions of Cd, Pb, Cr, Zn, to cement raw meal on the composition and the properties of the clinker and the cement, Cement and Concrete Research, vol. 26, no 3, mars 1996, p. 377–385 (Institut national des sciences appliquées de Lyon, URA CNRS 341, GEMPPM France), résumé
- Chris Winder et Martin Carmody (2000), The dermal toxicity of cement, Toxicol. Ind. Health, août 2002, vol. 18, no 7, 321-331, DOI 10.1191/0748233702th159oa (résumé)
- International Energy Agency (1999). In: The reduction of greenhouse gas emission from the cement industry, IEA (International Energy Agency), Greenhouse Gas R&D Programme
- P. Quirion (2007), Comment faut-il distribuer les quotas échangeables de gaz à effet de serre ? , Revue française d'économie
- Demailly, D. et Quirion, P. (2006), CO2 abatement, competitiveness and leakage in the European Cement Industry under the EU ETS: grandfathering versus output-based allocation, Climate Policy, 6, 93-113 (résumé)
- F. Lecomte, P. Broutin et E. Lebas (2009), Le captage du CO2 : Des technologies pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, sur books.google.com
- Michael Elias Boesch, Annette Koehler et Stefanie Hellweg, Model for Cradle-to-Gate Life Cycle Assessment of Clinker Production, Environ. Sci. Technol., 43 (19), p. 7578–7583, DOI 10.1021/es900036e, 3 septembre 2009 (résumé)
Voir aussi
Articles connexes
Bibliographie
- Prebay, Y., Ando, S., Desarnaud, E. et Desbarbieux, T. (2006), In: Les enjeux du développement durable au sein de l’Industrie du Ciment : réduction des émissions de CO2, Atelier Changement Climatique de l’École des Ponts.
- (en) Michael Elias Boesch et Stefanie Hellweg (2010), Identifying Improvement Potentials in Cement Production with Life Cycle Assessment, Environmental Science & Technology, 2010, 44 23, 9143-9149.
