Transcript du ciment

Ciment
et
Béton
Le ciment
Historique
CIMENT: latin « pierre naturelle » connue des
Romains puis redécouvert au 18e siècle
1756 Smeaton en Angleterre, découvre que les chaux
qui présentent les meilleures propriétés « hydrauliques »
son celles contenant des matières argileuses
1796 Parker en Angleterre, développe le ciment « Roman»
en calcinant certains gisements naturels de calcaire
argileux
1813-28 VICAT en France, met en évidence le rôle de
l’argile et fabrique un ciment à partir d’un mélange intime
de calcaire et d’argile.
1824 Joseph Aspdin en Angleterre, fabrique
et brevète une chaux hydraulique à laquelle
Il donne le nom de ciment Portland, car sa
couleur, après prise, ressemble à la pierre
de Portland
1835 Issac-Charles Johnson qui travaille dans une usine de
ciment, observe que les morceaux trop cuits donnent, après
mouture, un meilleur ciment.
Il augmente la température de cuisson - naissance du
véritable ciment
1838 William Aspin produit le ciment Portland à côté de la
Tamise - Brunel l’utilise pour réparer son tunnel sous la
Tamise – la 1ère utilisation du ciment Portland
dans le génie civil.
matière minérale qui mélangée à l’eau
donne une pâte qui durcit en réaction au processus
d’hydratation = Liant hydraulique
Ciment = constituant de base du béton
Ciment le plus utilisé = ciment portland
Deux étapes:
I) fabrication du clinker à partir des matières premières
II) ajouts d’additifs pour faire le ciment
I) Fabrication du clinker
Usine de
ciment
Préparation des
matières premières
Matières premières minérales
- Le calcaire est la matière première prédominante
dans le mélange cru (75 à 80%).
- Le calcaire ne contient pas les quantités d'oxydes
nécessaires, pour assurer une composition adéquate
des matières crues
On ajoute au calcaire d'autres matières minérales qui
fourniront les quantités d'oxydes manquantes : l’argile,
le sable et le minerai de fer.
Source de CaO : calcite, aragonite, dolomite
Source de SiO2 : quartz, feldspath, opale, argile,
micas
Source de Al2O3 : argile, feldspath, gibbsite
(Al(OH)3)
Source de Fe2O3 : hématite, magnétite, goethite,
limonite, sidérite
Constituants mineurs du clinker
Les oxydes mineurs dans le ciment sont: MgO, Na2O, K2O
et SO3.
Les oxydes alcalins K2O et le Na2O proviennent de l'argile
et des feldspaths.
La magnésie (MgO) provient de la dolomite qui est souvent
présente avec le calcaire.
L'anhydride sulfurique (SO3) provient des matières, telles
que la pyrite (FeS2), mais aussi du calcaire ou de l'argile
et surtout des combustibles utilisés tels que le charbon,
le fuel ou le gaz naturel.
Composition moyenne du clinker Portland
Chaux CaO
Silice SiO2
Alumine Al2O3
Oxyde de fer Fe2O3
Magnésium MgO
Trioxyde de soufre SO3
Alcalis Na2O + K2O
60 – 70
17 – 25
3 – 8
1- 6
0,1- 4
1- 3,5
0,5 - 1,3
sable
Usine de fabrication
de ciment :
le four rotatif pour la
cuisson du clinker
La fabrication d'une tonne de clinker = 1,57 t en matières
premières.
Différence = pertes par émission de dioxyde de carbone
durant la réaction de calcination (CaCO3 = CaO + CO2).
L'industrie cimentière est consommatrice d'énergie 30 à 40
% des coûts de production.
Divers combustibles sont utilisés pour fournir la chaleur
nécessaire au procédé.
En 1995, les combustibles les plus couramment utilisés
étaient le coke de pétrole (39 %) et le charbon (36 %),
devant les déchets de divers types (10 %), le mazout (7 %),
la lignite (6 %) et le gaz (2 %).
Combustion de déchets variés comme source énergétique
Produit final: le clinker
Composition chimique du clinker
Les principaux constituants du clinker sont:
- Le silicate tricalcique
3CaO.SiO2
- Le silicate bicalcique
2CaO.SiO2
- L'aluminate tricalcique
3CaO.Al2O3
- Le ferroaluminate
tétracalcique
4CaO.Al2O3.Fe2O3
Nomenclature
La nomenclature utilisée dans la chimie du ciment est
la suivante:
La silice (SiO2)
La chaux (CaO)
L'alumine (Al2O3)
La ferrite (Fe2O3)
L'eau (H2O)
Le trioxyde de soufre (SO3)
La magnésie (MgO)
L'oxyde de potassium (K2O)
L'oxyde de sodium (Na2O)
Le dioxyde de carbone (CO2)
S
C
A
F
H
Š
M
K
N
Č
Les différentes phases minérales du clinker s'écrivent:
3CaO.SiO2
C3S
2CaO.SiO2
C2S
3CaO.Al2O3
C3A
4CaO.Al2O3.Fe2O3
C4AF
Les structures du C3S et du C2S comportent des
impuretés. Les cimentiers les appellent,
respectivement, alite et bélite.
Image par MEB (20mm) des différents constituants
du CLINKER
Image en électrons rétrodiffusés d’un clinker de ciment portland avec des
cristaux euhédraux de alite, des cristaux arrondis de bélite, et des phases
interstitielles d’aluminate et de ferrite (env. 200 µm)
Suivi des
éléments
chimiques
dans les
constituants du
CLINKER
Récapitulatif de la fabrication du clinker
II) Additifs au clinker pour faire le ciment
Afin de retarder la prise du ciment, on broie le clinker
avec environ 5% de sulfate de calcium.
Ce sulfate de calcium peut se présenter sous forme de
gypse (CaSO4.2H2O), d'hémihydrate (CaSO4.1/2 H2O) ou
de mélange des deux.
Schéma de production
du ciment
1. Entreposage des matières premières
2. Broyage
3. Homogénéisation
4. Préchauffage et précalcination
5. Four rotatif
6. Entreposage du clinker
7. Additifs (gypse, cendres volantes, etc.)
8. Mouture du ciment
9. Entreprosage en vrac et chargement
La production du ciment peut bénéficier de déchets
existants qui serviront de matières premières et/ou
d’additifs
- le laitier des aciéries et des haut fourneaux
- les cendres volantes des centrales thermiques
- le carbonate de calcium de l'industrie du sucre et du
papier
- la boue rouge et autres déchets de l'industrie de
l'aluminium
L'utilisation de ces déchets peut diminuer la consommation
d'énergie par la cimenterie.
Le Béton
Différentes phases présentes dans le béton
Trois étapes:
I) Réactions d’hydratation du clinker
II) fabrication du béton
III) vieillissement et corrosion du béton
I) Hydratation du clinker
-réaction des CS avec l’eau au bout de quelques heures (période
d’induction)
- gel de CS-H qui remplit les espaces poraux
- cristaux de Al-hydroxysulfate hydraté
Réaction fortement exothermique (dégagement de vapeur)
pH basique (12,5) du ciment (important lors de la
Corrosion)
Nature des silicates de calcium hydratés
-particules colloïdales réactives
-Plaquettes de 1-2 nm
-Surface spécifique élevée: 200-300 m2/g (moins de
1m2/g pour le ciment sec)
-Réaction progressive: un an pour réaction complète
Les régions les plus claires sont les noyaux non hydratés
des grains de clinker.
II) Fabrication du Béton
BETON : matériau de construction fabriqué à partir de:
-Sable
-Gravillons agglomérés + Eau
- ciment
-Le mélange sable + ciment= mortier
-Le coulis est un mortier fluide
CSH
CIMENT
(silicate de Ca hydraté)
BETON
Réaction chimique de prise lente : 50% de la résistance
finale en 7 jours et 28 jours pour 80% de résistance
finale.
Amélioration de la prise par des adjuvants
Amélioration de la fluidité (mise en place) par des
plastifiants = peuvent baisser la résistance finale
excellente résistance à la
compression mais faible
résistance à la traction et à la
flexion, d’où ajout au béton
d’armatures métalliques en acier
= BETON ARME
L’acier est élastique, le béton armé peut donc se fissurer
avec pour conséquences une corrosion et un manque
d’étanchéité
Autres techniques : précontrainte (Eugène Freyssinet 1928)
On ajoute des câbles mis en tension (ensuite relachée)
pour créer une compression artificielle de la pièce.
Lors de la sollicitation la pièce se décompresse sans fissurer
Fabrication des grands
Ouvrages comme les ponts
III) Vieillissement et corrosion du béton
Interface entre un bloc de béton vieilli et un mortier de ciment
portland frais
Interface entre un verre et un béton Portland. Porosité
importante à l’interface (migration des bulles dans le
béton) par manque d’absorption dans le verre.
Effets du Gel
Fissuration parallèle à la
surface
Gélification de surface
sur un pont
Le gel produit gonfle et cause une expansion et une fissuration du béton
Une solution: injection d’air
dans le béton et création
réserves d’air qui vont
pouvoir supporter la
contrainte
Bulles
Différents types de corrosion
du béton armé
-rouille (gros problèmes pour les
ouvrages classés)
-réaction avec les sels marins
Oups…!