LES CIMENTS

Définition

Norme NF P 15-301 de 1994 :

«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 par suite de réactions et processus d’hydratation et qui, après durcissement, conserve sa résistance et sa stabilité, même sous l’eau. »

Introduction

Le ciment est un produit moulu du refroidissement du clinker qui contient un mélange de silicates et d’aluminates de calcium porté à 1450 – 1550 °C, température de fusion.Le ciment usuel est aussi appelé liant hydraulique, car il a la propriété de s’hydrater et de durcir en présence d’eau et par ce que cette hydratation transforme la pâte liante, qui a une consistance de départ plus ou moins fluide, en un solide pratiquement insoluble dans l’eau. Ce durcissement est dû à l’hydratation de certains composés minéraux, notamment des silicates et des aluminates de calcium.L’expression de «pâte de ciment durcissant» sera utilisée pour désigner la pâte de ciment dans la transformation d’un état plus ou moins fluide en un état solide.

Petite historique

Panthéon de Rome :

– Construction : 27 av. JC,

– Béton de chaux, pierre, brique, mortier

– Chaux + cendres volcaniques de Pouzzoles

Louis Vicat (1786-1861) :

– Recherche sur l’hydraulicité de la chaux

– Travaux sur le clinker

– 1840 : fabrication de ciment industriel, 80% de carbonate de calcium + 20% de silice

«1èr» pont en béton coulé,Jardin botanique de Grenoble

Joseph Aspdin (1778-1855) :

– Donne le nom de ciment Portland en référence à la pierre calcaire de l’île de Portland

1. Fabrication des ciments

Le schéma de la fabrication du ciment

Le schéma de la fabrication du ciment par voie sèche

1.1- Extraction des matières premières

• Se fait en carrière

• 80% calcaire => carbonate de calcium 

• 20% argile => silice, alumine et minerai de fer

1.2- Broyage du cru et cuisson

• Broyage très fin => le cru

• Passage au four => le cuit

• Refroidissement brutal (trempe) => le clinker

1.3- Broyage du ciment et expédition

• Addition de gypse (3 à 5 %), pour réguler la prise => ciment Portland

• Autres additifs éventuels

• Broyage très fin => pour obtenir un « ciment pur »

• Matières premières

– 80% calcaire

– 20% argile

• Produit de la cuisson

– Transformations chimiques

– Granules de clinker

• Produits d’addition

– Gypse (régulateurs de prise)

– Laitiers de haut fourneau

– Fillers

– Fumée de silice

– . . . . . . . . .

• Ciment

– Broyage

– Conditionnement

Extraction des matières premières

• Source de carbonate de calcium = roches calcaires

• Source de silice, alumine, fer = argile

• La marne = mélange naturel de calcaire et d’argile

• Extraction en carrières

Préparation du « cru »

Cuisson du « cru »

a) Préchauffage

• Déshydratation de l’argile

• Début de la décarbonatation du calcaire

b) Cuisson

• Four rotatif incliné : ~ 80 m (voie sèche) / ~ 150 m (voie humide), diamètre 5 m, tôle d’acier tapissée de briques réfractaires à l’intérieur

• Température de cuisson : 1450 °C

• Temps de cuisson : ~ 1 h (voie sèche)

La trempe : refroidissement brutal du « cuit »

• Sortie du four => granules de clinker

• Clinker :

– Phase solide = silicates

– Phase liquide => aluminates après trempe

• Air froid insufflé au clinker

• Récupération de l’air réchauffé par le clinker

Ajout et broyage

• Gypse : régulateur de prise

• Laitier de haut fourneau

• Cendres volantes (Les cendres volantes sont le résidu finement divisé résultant de la combustion du charbon pulvérisé. Elles constituent un produit minéral pulvérulent, consécutif du dépoussiérage des fumées rejetées par les centrales thermiques qui utilisent du charbon broyé comme combustible. Ces cendres sont obtenues par précipitation électrostatique ou mécanique de particules pulvérulentes contenues dans les gaz de fumée des chaudières.

• Fillers calcaires (La poussière émanant de l'exploitation de la roche calcaire )

2. Composition du clinker:

2.1- Composition du ciment :

- Clinker

- Gypse

- Laitier de haut fourneau

- Pouzzolanes (La pouzzolane est une roche naturelle constituée par des scories (projections) volcaniques basaltiques)

- Cendres volantes

- Fumée de silice (La fumée de silice incorporée dans le béton améliore de manière considérable les performances du béton. Cette addition a permis le développement des bétons à hautes résistances et hautes performances. La fumée de silice, quant à elle, est obtenue lors de la fabrication du silicium métal et de ses alliages. C’est un produit minéral amorphe, particulièrement fin. Le silicium est produit lors de la réduction du quartz par le carbone à 2000°C, dans des fours à arc électrique. Les gaz alors dégagés sous forme de fumées sont du monoxyde gazeux (SiO) qui s’oxyde (SiO2) pour ensuite se condenser en particules vitrifiées amorphes d’une finesse extrême.

- Fillers

- …

2.2- Ciment ordinaire :

– Ciment Portland = 95 à 97% clinker + 3 à 5% gypse

• Composition du « cru » :

– Chaux CaO produit de la décarbonatation du calcaire :

– Silice SiO2

– Alumine Al2O3

– Oxyde de fer Fe2O3

– Alcalins : Na, K

Notations cimentières :

• Composition du « cuit » :

– Silicate bicalcique Ca2SiO4 (= C2S)

– Silicate tricalcique Ca3SiO5 (= C3S)

– Aluminate tricalcique Ca3Al2O6 (= C3A)

– Aluminoferrite tétracalcique

Ca4Al2Fe2O10 (= C4AF)

– Alcalins : Na, K

Ca2SiO4 (= C2S) + CaO (= C) ----------------> Ca3SiO5 (= C3S)

> 1300°CLa trempe => durcissement des aluminates => silicates collés entre eux

• Fabrication du clinker : 

Combiner toutes les molécules de CaO avec la silice, l’alumine et le fer, pour former, à 1450°C, des silicates et aluminates aux propriétés hydrauliques

Ciment Portland (ordinaire) = clinker + 5% gypse broyés et mélangés

• Composition « grossière » du clinker (% massique)

• Composition « fine » du clinker (en % massique) 

Section polie d’un granule de clinker observée au microscope optique :

• C3S : cristaux pseudo hexagonaux

• C2S : grains arrondis à surface lisse ou striée

Section polie d’un granule de clinker observée au microscope optique (400 microns) :

Surface de fracture d’un granule de clinker observée au microscope électronique à balayage

3. Additions au clinker

• Composition du ciment :

– Clinker

– Gypse

– Laitier de haut fourneau

– Pouzzolanes

– Cendres volantes

– Fumée de silice

– Fillers

– …

• Ciment ordinaire :

– Ciment Portland = clinker + 3 à 5% de gypse

Laitier de haut fourneau vitrifié

• Granulé ou bouleté

• Sous-produit de l’industrie métallurgique

• Produit hydraulique (fait prise avec de l’eau) => remplacement du clinker

• Composition :

– 40% CaO

– 35% SiO2

– 11% Al2O3

– 8% MgO (magnésie)

• + siliceux, - calcique que le clinker

Les pouzzolanes

• « Pouzzolanique » => doit d’abord réagir avec la chaux pour devenir hydraulique

• Naturelles : cendres ou verres volcaniques

• Artificielles :

– Cendres volantes de centrales thermiques au charbon

– Sous-produit de l’électrométallurgie du silicium (fumée de silice)

– Schistes calcinés

• Composition (silico-alumineuse) :

– 45 à 70% SiO2 (90 à 95% pour la fumée de silice)

– 10 à 25% Al2O3

– Jusqu'à 10% d’alcalins (Na2O et K2O)

Les fillers calcaires

• Roches calcaires finement broyées

• Rôle de remplissage

• Composition : > 75% CaCO3

Diagramme de Rankin

4. Normalisation des ciments

Les autres constituants des ciment

Le ciment portland est composé de clinker moulu auquel on ajoute une quantité de gypse, destiné à régulariser la prise. Pour modifier les propriétés du ciment, on ajoute les autres constituants associés au clinker grâce à leurs caractéristiques chimiques ou physiques.

Les constituants les plus utilisés sont:

Calcaires: Les calcaires sont considérés comme un des constituants principaux du ciment. Ils doivent présenter une proportion de carbonate de calcium CaCO3 supérieure à 75% en masse.

Laitier granulé de haut fourneau: Le laitier est un sous-produit de l'industrie métallurgique ayant des propriétés hydrauliques. Il est obtenu par refroidissement rapide (trempe) de certaines scories fondues provenant de la fusion du minerai de fer dans un haut fourneau.

Cendres volantes (V ou W): Elles sont les produits pulvérulents de grande finesse, provenant du dépoussiérage des gaz de combustion des centrales thermiques. On distingue:

Les cendres volantes siliceuses (V) qui ont des propriétés pouzzolaniques;

Les cendres volantes calciques (W) qui ont des propriétés hydrauliques et parfois pouzzolaniques.

Schistes calcinés: Ce sont des schistes que l’on porte à une température d’environ 800 °C dans un four spécial. Finement broyés, ils présentent de fortes propriétés hydrauliques et aussi pouzzolaniques.

Fumée de silice: Les fumées de silices sont un sous-produit de l’industrie du silicium et de ses alliages. Elles sont formées de particules sphériques de très faible diamètre (de l’ordre de 0,1 µm). Pour entrer dans la composition d’un ciment en tant que constituant principal, elles doivent être présentes pour au moins 85 % (en masse). Les fumées de silices ont des propriétés pouzzolaniques.

Fillers: Ce sont des “constituants secondaires” des ciments, donc ils ne peuvent jamais excéder 5 % en masse dans la composition du ciment. Ce sont des matières minérales, naturelles ou artificielles qui agissent par leur granulométrie sur les propriétés physiques des liants (maniabilité, pouvoir de rétention d’eau).

5. Les types de ciment

Norme NF EN 197-1, article 6, tableau 1

6. Les principales catégories de ciment.

Les ciments peuvent être classés en fonction de leur composition et de leur résistance normale.

Classification des ciments en fonction de leur composition

Les ciments constitués de clinker et des constituants secondairs sont classés en fonction de leur composition, en cinq types principaux par les normes NF P15-301 et ENV 197-1. Ils sont notés CEM et numérotés de 1 à 5 en chiffres romains dans leur notation européenne (la notation française est indiquée entre parenthèse):

CEM I: Ciment portland (CPA - dans la notation française),

CEM II: Ciment portland composé ( CPJ),

CEM III: Ciment de haut fourneau (CHF),

CEM IV: Ciment pouzzolanique (CPZ),

CEM V: Ciment au laitier et aux cendres (CLC).

La proportion (en masse) des différents constituants est indiquée dans le tableau 2.2. Les constituants marqués d’une étoile (*) sont considérés comme constituants secondaires pour le type de ciment concerné; leur total ne doit pas dépasser 5%. (Les fillers sont considérés comme des constituants secondaires).

Classification des ciments en fonction de leur résistance normale

Trois classes sont définies en fonction de la résistance normale à 28 jours; des sous classes “R” sont associées à ces 3 classes principales pour désigner des ciments dont les résistances au jeune âge sont élevées. Ces classes sont notées, classe 32,5, classe 42,5, classe 52,5. Elles doivent respecter les spécifications et valeurs garanties du tableau 2.3. Les valeurs entre parenthèses sont les valeurs garanties lorsqu'elles peuvent être inférieures aux valeurs spécifiées

Les classes de résistance

Désignation des différents types de ciment en fonction de leur composition

Limite des classes et sous classes de résistances ( nouvelle norme AFNOR) 

7. La pâte de ciment

La pâte de ciment est composée principalement de ciment (C) et d’eau (E). Parfois on parle de coulis si on incorpore quelques ajouts. Dans ce chapitre, on présente les différents types de coulis, leurs domaines d’emploi ainsi que leurs propriétés principales, telle que la consistance et les caractéristiques de fluidité. 

Introduction

La pâte de ciment est composée principalement de ciment (C) et d’eau (E). Soit E et C les concentrations (en masse) d’eau et de ciment pour un volume unité de pâte. Dès que l’on mélange le ciment avec l’eau, l’hydratation va commencer et les propriétés de la pâte sont évolutives dans le temps. Tant que cette hydratation n’est pas trop avancée, la pâte reste plus ou moins malléable, ce qui permet de lui faire épouser par moulage la forme désirée. Mais après un certain temps les cristaux d’hydrates prenant de plus en plus d’importance, le mélange se raidit, on dit qu’il fait prise, et le matériau commence alors à s’apparenter plus à un solide qu’à un fluide.

La pâte de ciment joue un rôle très important pour solidariser les squelettes granulaires du béton. Elle est un des facteurs influençant la qualité, le prix et les propriétés mécaniques du béton. En général, la pâte pure de ciment est pratiquement peu utilisée et même pour déterminer la classe de la résistance des ciments, on mesure à travers des mortiers. Bien souvent, un ou plusieurs adjuvants sont également associés au ciment pour influer sur les qualités de la pâte. En outre, les divers ajouts jouent un grand rôle pour modifier les propriétés selon leurs domaines d'emploi. Ce type de pâtes s'appelle aussi les coulis. 

Les constituants des pâtes et des coulis de ciment

Les coulis de ciment sont des mélanges fluides de:

Ciment (ou autre liant);

Eau;

Adjuvants et ajouts divers (éventuellement).

Les coulis sont différents les uns des autres, suivant:

La nature du ciment: normalisé des CPA au CLK; spéciaux;

La quantité d’eau (le rapport de E/C est souvent compris entre 0,5 et 5):

La présence de certains adjuvants:

• rétention d’eau;
• fluidifiant;
• retardateur de prise;
• rigidifiant;
• accélérateur de prise;
• expansifs;

L’ajout de certaines substances:

• argile, bentonite;
• kieselguhr, silice fine;
• cendres volantes, fillers, laitier en poudre;
• chaux;
• sable fin (0/1 mm).

L’énergie de malaxage.

Dans chaque cas, on étudiera une formule de coulis tenant compte du but recherché: c’est-à-dire que pour sa mise au point l’aide du laboratoire est pratiquement indispensable.

Les exigences quant aux coulis porteront suivant les cas, sur:

• les propriétés rhéologique (fluidité, ressuage);
• les temps de prise (à la température du chantier);
• l'évolution des résistances mécaniques;

et parfois sur:

• la résistance au milieu environnant;
• la densité;
• la perméabilité, l'absorption capillaire;
• le retrait et gonflement.

Dans tous les cas, les coulis devront être stables, homogènes et conserver ces propriétés pendant l’injection (ils sont en général mis en œuvre par injection).

8. Les principales applications

travaux souterrains:

• comblement de carrières;
• remplissage de grosses cavités;
• injection dans les failles et les grosses fissures des roches fissurées;
• injection dans des sols pulvérulents (consolidation); préfabriqués, parois moulées;
• parois aux coulis autodurcissant et panneaux;
• calage de voussoirs préfabriqués (dans la réalisation de tunnels).
• voile d’étanchéité dans le sol (cas des barrages)
• injection dans un squelette de granulats mis en place au préalable;
• scellement de tirants d’ancrage;
• scellement et calage de machines;
• consolidation de dalles (support);
• réalisation de sols semi-rigides;
• régénération de maçonneries et joints divers;
• injection dans le cas de puits de pétrole;
• injection de gaine du béton précontraint.