COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND

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Transcript COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND

CIMENTERIE NATIONALE

Production Chimie

et Types du Ciment

Le Ciment

1.

Rappelle historique

2.

Production du Ciment

3.

Composition chimique du Ciment

4.

Les types de ciments

Rappelle historique

1800 - 1900 Etude des Propriétés hydrauliques de la chaux Découvert du ciment Portland Etude de la composition chimique et minéralogique Proposition du standard pour le Ciment Invention du four rotatif John Smeaton James Parker Louis Vicat Joseph Aspedin Isaac Johnson Le Chatelier Tönebolm Wilhelm Michaelis Atlas Portland Cement

Rappelle historique

1900 - 1950 Préchauffage du four Précalcinateur du four

Rappelle historique

Innovation dans les Instruments de mesure Réduction du coût et de la quantité d’énergie 1950 - 2011 Développement essentielle des ressources d’ informations Développement du système de control à base informatique Avancement dans les régulations et les techniques pour contrôler la pollution .

Du calcaire au ciment

Le

Calcaire

est le source principale du CaCO 3.

Le carbonate de calcium est le constituant principale du cru.

Il représente de

75 à 83%

de la matière première. L’

Argile

est le source principale de

Si, Fe et Al

En 1756,

Smeaton

découvrait que les chaux qui présent les meilleures propriétés «

hydrauliques

» sont celles contenant des matières argileuses.

Le

Clinker

est le produit qui sort du four de la cimenterie Le

Gypse

est ajoutée au clinker comme retardateur de prise.

Le pourcentage et de

2 à 5%.

Les

Additives

:

Laitier ,pouzzolanes , calcaire , cendre volante, schiste calciné et fumée de silice

peuvent être ajouter au clinker pour améliorer les caractéristiques du ciment.

Le

Ciment

est un poudre gris obtenu après

broyer

le clinker ,gypse et additive.

Les trois étapes de fabrication du ciment

Première étape : Préparation du cru Le cimentier doit apporter pour que la matière qu’il introduit dans le four ait une composition chimique constant .

Cette partie couver les sous étapes suivantes: Extraction des matières premières (ex: calcaire ) La transportation , le concassage , le mélange, le contrôle ,le stockage ,le broyage , l’ homogénéisation et le stockage du cru.

Cette partie est très important pour détecter le

type du ciment

(Ex. résistant au sulfate) et la

composition chimiques Deuxième étape : La fabrication du clinker

L’atelier de cuisson comporte deux parties :

Précalcinateur

: une tour composée de plusieurs étages de

cyclones

pour favoriser

l’changement de chaleur

et assurer la

décarbonatation partielle

.

Four:

il achève la

décarbonatation

et assure la

clinkerisation La troisième étape : la production du ciment

Cette étape consiste à

broyer

le

clinker

le

ciment.

.

,

gypse

et

additive

pour produire Cette étape et très important pour détecter le

classe de résistance

et

le type du ciment

(portland, modifié ou composé)

Les Réactions Chimiques

Dans le préchauffage

La température est plus petit que

700 °C

. L’eau libre et combiné

s’évaporent

.

A l’entré du four

La température est entre

700 et 900 °C

. Le carbonate de calcium

CaCO 3 se décompose

pour donner CaO et CO 2 selon l’équation:

CaCO 3 → CaO + CO 2 Dans la première section du four

La température est entre

900 et 1200 °C

. La

décarbonatation complète .

devient Il y a

formation

de petite cristaux ronds de

C 2 S 2CaO + SiO 2 → Ca 2 SiO 4

selon l’équation:

Les Réactions Chimiques

Dans la deuxième section du four

La température est entre

1200 et 1350 °C

. La matière se divise en deux phases ; la

phase liquide

(Al, Fe, P,S,) et la

phase solide

(Si,Ca).

La phase liquide joue un rôle important pour minimiser la distance entre les particules de la phase solide ce qui accélère la réaction entre les constituants de la phase solide. Le pourcentage de C 2 S augment et une partie de cette phase réagie avec le chaux libre pour produire le

C 3 S

(cristaux hexagonales) selon l’équation:

CaO + Ca 2 SiO 4 → Ca 3 SiO 5 A la sortie du four (la zone de cuisson)

La température est entre

1350 et 1450 °C

. Le pourcentage du

chaux libre

devient

négligeable

.

Le pourcentage de

C 2 S diminue

et leur dimension augment.

Le pourcentage et dimension de

C 3 S augments Dans le Refroidisseur

La phase liquide se cristallise pour donner le

C 3 A et le C 4 AF

COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND Considérations générales

Zones limites des ciments dans le système CaO - Al2O3 - SiO2 (d ’après Lea)

COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND Considérations générales

Principales phases cristallochimiques du clinker

Ca 3 SiO 5 3CaO - SiO 2 Ca 2 SiO 4 2CaO - SiO 2 Ca 3 Al 2 O 6 3 CaO Al 2 O 3 Ca 4 AI 2 Fe 2 O lo 4CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3 C 3 S C 2 S C 3 A C4AF

COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND COMPOSITION DU CLINKER

Les phases du clinker • contiennent toujours des impuretés dans leur réseau • peuvent être sous différentes formes cristallographiques: • C 3 S(6) (T I – T II – T III – M I - M II - R.) • • • C 2 S (5)(α- ά H C 3 A (4) ( C I – ά – C II L – β – γ) – O –M) C 4 AF « C

2 A » - « C 2

F » Solution

COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND COMPOSITION DU CLINKER Constituants du clinker Domaine Teneur en % Moyenne -

COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND COMPOSITION DU CLINKER

CaO LIBRE C 2 S

100 microns

C 3 S C 3 A C 4 AF MgO

Image d’un clinker au microscope optique

COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND COMPOSITION DU CLINKER Image de clinker en microscopie optique (section polie)

Alite C

3

S Bélite C

2

S

COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND COMPOSITION DU CLINKER Image de clinker en microscopie optique (section polie)

Phase liquide C

3

A C

4

AF

COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND COMPOSITION DU CLINKER

Éléments mineurs du clinker (de 0.1 à quelques %) • SO3: présent sous forme de CaSO 4 ou de sulfates alcalins ou dans les phases du clinker (C 2 S) :de 0.5 à ~3.0% • Alcalins: – teneur exprimée en Na2Oequ (% Na2O + 0.658 K2O) – majoritairement dans les phases C3A (Na), C2S(K) – Pas de spécification pour le clinker ,mais ciments à basse teneur en alcalins (< 0.6 % Na2Oequ) souvent demandés – de 0.2 à 1.5% • MgO (0.5 à 5%) • Cl (< 0.1%) • P2O5 (0.1 à 0.75%), Mn2O3 (0.1 à 0.5%), TiO2 (0.1 à 0.5%), Sr (0.1%)

COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND COMPOSITION DU CLINKER

Autres phases • CHAUX LIBRE - CaO Acceptable entre 0.5 et 1.5

- Pas de spécification mais limitation effective

COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND PRICIPALES PROPRIETES DES PHASES DU CLINKER

PRINCIPALES PROPRIETES DES PHASES DU CLINKER ET LEURS EFFETS •Chaleur d ’hydratation : chaleur émise • développement de fissures thermiques dans les structures massives • augmentation de la résistance •Vitesse d ’hydratation : • augmentation de la résistance • propriétés du béton frais: rhéologie ...

•Capacité de liaison : • résistance à long terme

COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND PRINCIPALES PROPRIETES DES PHASES DU CLINKER Chaleurs d’hydratation

Chaleurs d ’hydratation typiques des différentes phases du clinker PHASE C3S C2S C3A C4AF Chaux libre Joule/g 500 250 1340 420 1150

COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND PRINCIPALES PROPRIETES DES PHASES DU CLINKER

Résistance à la compression Résistance à la compression des principaux constituants du clinker (d’après Bogue et Lerch)

COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND PRINCIPALES PROPRIETES DES PHASES DU CLINKER COMPOSE

Composition chimique

ALITE

Silicate tricalcique 3CaO - SiO 2 (C 3 S)

BELITE

Silicate bicalcique 2CaO - SiO 2 (C 2 S) Vitesse d'hydratation Développement de la résistance Résistance finale Chaleur d'hydratation Forte (dizaines de N/mm²) Moyenne (~ 500 J/g) Remarque Rapide (heures) Rapide (jours) Constituant caractéristique des ciments portland Lente (jours) Lente (semaine) Probablement forte : dizaines de N/mm² Basse : ~ 250 J/g

CELITE

Aluminate tricalcique 3CaO - Al 2 O 3 (C 3 A) Aluminoferrite 4CaO - Fe 2 O 3 - Al 2 O 3 (C 4 AF) Instantanée Très rapide (minutes) Très rapide (1 jour) Faible : quelques N/mm² Très élevée : ~ 1340 J/g Instable à l'eau, sensible à l'attaque des sulfates Très rapide (1 jour) Faible : quelques N/mm² Moyenne : ~ 420 J/g Donne au ciment sa couleur grise

LES TYPES DE CIMENT SELON NL53:99 Les ciments sont caractérisés, de manière normalisée

:  Leur type: sans/avec ajout (ciment Portland/ ciment Portland avec ajouts et compos é s)  Leur classe de résistance (32.5, 42.5 et 52.5)  Le type des ajouts (laitier granul é de haut fourneau « S » .matériaux pouzzolaniques « Z » cendre volante « V » calcaire « L »)  Leur composition chimiques ( ex C3A <5% pour RSS et< 8%pour RMS )  d’autres caractéristiques éventuelles: Résistance Résistance moyenne aux sulfates« RMS », supérieure aux sulfates« RSS», Basse teneure en alcalis « BTNa »,haute résistance « HR » EXEMPLES P 52.5 RMS,BTNa PA-L 42.5

PA-S 42.5

PA-Z 32.5

C-S 32.5

LES TYPES DE CIMENT SELON EN197

Selon la norme européenne EN 197 les ciment sont caractérisées par: 

Leurs caractéristiques Mécanique: class de résistance(32.5 - 42.5- 52.5)

Leurs résistance à court terme : N :ordinaire et R : élevée.

Le type et pourcentages des ajouts :

CEM I : Ciment Portland (max 5% ajouts)

CEM II : Ciment Portland avec ajouts (ex CEM II /A-L ciment contenant entre 6 et 20 % du calcaire).

CEM III : Ciment de haut fourneau (ex CEM II /A ciment contenant entre 36 et 65% de laitier).

 

CEM IV: Ciment Pouzzolanique (ex CEM IV/A ciment contenant entre 11 et 35% de matière pouzzolanique) CEM V : Ciment composé (ex CEM V/A ciment contenant entre 18 et 30 % de laitier en plus entre 18 et 30% de matière pouzzolnique)

LES TYPES DE CIMENT SELON ASTM C150 Selon la norme ASTM C150 les ciment sont caractérisées par:

Composition chimique ( ex C 3 A <5% pour Type V et< 8%pour type II )

Caractéristiques physiques et mécaniques ( ex blaine >280 m 2 /g pour toutes les types tan disque la résistance à la compression après un jour doit être 12 MPa seulement pour type III)

Les type du ciment selon le ASTM C150 sont :

Type I ciment normal

Type II ciment résistant moyenne aux sulfates

Type III ciment à haut résistance à jeune age .

Type IV ciment à basse chaleur d’hydratation.

Type V ciment résistant supérieur aux sulfates.

Type du ciment en stock à CN

Selon NL53:99

PAL 42.5

PAS 42.5

P 42.5

P42.5 RMS ,BTNa

P52.5 RMS,BTNa

Selon EN 197

CEM I 42.5N

CEM I 52.5N

Selon ASTM C150 :

Type I ciment normal

Type II ciment résistant moyenne aux sulfates

Type V ciment résistant supérieur aux sulfates.

MERCI POUR VOTRE ATTENTION