Les constituants du béton : Le ciment

18 Mars 2019
 

Généralités

Le ciment est un liant hydraulique. C’est à dire une substance qui, mélangée à l’eau, est capable ensuite de durcir aussi bien à l’air que sous l’eau. La pâte de ciment durcie est pourvue d’une résistance mécanique élevée et elle ne se dissout plus dans l’eau. 

Les ciments fabriqués en Belgique répondent aux exigences de la norme européenne NBN EN 197-1 (Ciment : composition, spécifications et critères de conformité). L’évaluation de la conformité des ciments à la norme précitée est réglée par la norme NBN EN 197-2, selon des essais repris dans la série des normes NBN EN 196.
 

Historique

Jusqu’à l'époque moderne, le ciment est un liant, souvent une chaux, que l’on mélange à d’autres matières argileuses cuites, comme les tuiles ou briques concassées. Le liant ainsi obtenu a des propriétés hydrauliques. On y ajoute également de la pouzzolane naturelle (terre volcanique de Pouzzoles,région de Naples, Italie).

La recherche sur l'hydraulicité des chaux commence à la fin du 18e siècle pour aboutir vers 1840 avec la fabrication des ciments modernes.

En 1796, James Parker découvre 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 baptise commercialement ciment romain.

Louis Vicat élabore en 1817 la théorie de l'hydraulicité des chaux. Il donne des indications précises sur les proportions de calcaire et de silice nécessaires pour constituer le mélange qui, après cuisson et broyage, sera un véritable liant hydraulique fabriqué artificiellement. Il publie ses travaux sans prendre de brevet.

En 1824, le Britannique Joseph Aspdin dépose un brevet pourla fabrication d'une chaux hydraulique à prise rapide qu'il appelle commercialement le ciment Portland, car la couleur de son produit ressemble aux célèbres pierres des carrières de la péninsule de "Portland" située dans la Manche.

En 1840, Louis Vicat découvre les principes d'hydraulicité des ciments : une cuisson à la température de fusion - soit 1450°C - qui permet d'obtenir le clinker et la régulation de prise par ajout de sulfate de calcium. Une réelle fabrication des ciments modernes peut démarrer.

 

Fig 1.1.1 Vue générale d'une cimenterie
Fig 1.1.1 Vue générale d'une cimenterie

Les constituants du ciment

Le ciment, tel que défini dans la norme européenne NBN EN 197-1, est constitué de différents matériaux. Les constituants principaux utilisés dans nos régions sont le clinker Portland, les cendres volantes, le laitier de haut fourneau et le calcaire.

Clinker (K)
La fabrication du clinker Portland consiste à préparer un mélange des matières premières de granulométrie et chimie (CaO, SiO2 , Al2 O3 et Fe2 O3 ) définies et à le cuire jusqu’au seuil de fusion à 1450°C.
En fonction de la teneur en eau du calcaire, la fabrication du clinker se fera par un procédé appelé "voie sèche" ou "voie humide". Globalement, on peut distinguer trois étapes dans la fabrication du clinker :
 

Extraction des matières premières
Pour produire une tonne de clinker en "voie sèche", il faut compter une tonne et demie de matières premières – calcaire ou marne et argile – qui libéreront à la cuisson de l’eau et de l’anhydride carbonique (CO2 ). Dans la carrière,la matière première est extraite (fig 1.1.2) et concassée en morceaux de dimension maximale de 60 mm environ. En "voie humide", le calcaire (sous sa forme tendre de craie) est extrait sous eau (fig 1.1.3).

Mélange et réduction de la matière première
Lors de l’étape suivante, les différentes matières premières sont mélangées dans des proportions correspondant à la composition chimique optimale.
Dans le procédé "voie sèche", les matières premières sont simultanément séchées et réduites en poudre fine, dans un broyeur à boulets ou à meules. A la sortie, on obtient une farine brute, appelée également "cru" qui va être homogénéisée pour garantir une composition uniforme.
Dans le procédé "voie humide",les matières premières sont mélangées avec de l’eau pour former une pâte liquide (le "cru") qui est homogénéisée dans des grands bassins.
 

Cuisson et transformation du cru en clinker
Le processus de cuisson du cru à une température d’environ 1450°C est l’opération principale de la fabrication du clinker (fig 1.1.4 et 1.1.5). A la sortie du four rotatif, la matière se présente sous forme de clinker incandescent qui sera rapidement refroidi à l’air (fig 1.1.6).

Durant la cuisson, les oxydes (CaO, SiO2 , Al2 O3 et Fe2 O3 ) contenus dans les matières premières se combinent entre eux pour former des constituants minéralogiques - notés C3 S, C2 S, C3 A et C4 AF (annotations abréviées utilisés dans le jargon cimentier C=CaO, S=SiO2 , A=Al2 O3 et F=Fe2 O3 ) - capables de réagir avec de l’eau (voir également hydratation du ciment).

engins a loeuvre dans une carriere
Fig 1.1.2 Engins à l'oeuvre dans une carrière

 

extraction de la craie sous eau
Fig 1.1.3 Extraction de la craie sous eau


Pour produire la chaleur nécessaire au processus de fabrication, on utilise des combustibles nobles tels le charbon, l’huile ou le gaz naturel et de plus en plus de combustibles de substitution tels des solvants, des huiles usées, des pneus, des matières plastiques ou des boues d’épuration séchées.

Des variantes à ces deux processus existent :

  • Dans la "voie semi-sèche" : la farine est transformée en granules par humidification sur des grandes plaques tournantes. Ces granules sont ensuite préchauffés sur une grille mobile avant d’entrer dans le four rotatif.
  • Dans la "voie semi-humide" : la pâte, préparée comme en voie humide, est partiellement déshydratée dans des filtres-presses et ensuite séchée et broyée avant d’être introduite dans le four.
Le four rotatif, coeur de la cimenterie
Fig 1.1.4 Le four rotatif, cœur de la cimenterie

 

intérieur d'un four rotatif
Fig 1.1.5 Intérieur d'un four rotatif

 

Constituants à hydraulicité latente
En présence d’eau et en milieu alcalin - suite à la libération de la chaux lors de l’hydratation du clinker - les constituants à hydraulicité latente réagissent en formant des composés semblables aux hydrates de clinker, en durcissant de manière plus lente que le ciment type CEM I.

Laitier de haut fourneau (S)
Le laitier granulé de haut fourneau (fig 1.1.7) est un sous-produit de l’industrie sidérurgique. Sa préparation nécessite des installations spécifiques (granulateur) dans lesquelles le laitier est brusquement refroidi (trempé) afin de lui conférer sa réactivité et son aspect granulaire. En cimenterie, le laitier granulé est séché puis cobroyé ou mélangé avec le clinker dans une proportion qui varie de 6 à 95% pour donner des ciments Portland au laitier(CEM II,jusqu’à 35%de laitier) et des ciments de haut fourneau (CEM III, jusqu’à 95% de laitier).

Constituants pouzzolaniques
Les constituants pouzzolaniques peuvent être naturels, comme les pouzzolanes, ou artificiels, comme les cendres volantes et la fumée de silice.

Dans une première phase de l’hydratation, ces constituants sont inactifs et retardent plus ou moins la montée en résistance du béton. Dans une deuxième phase, ils réagissent lentement avec l’hydroxyde de calcium pour former des composés insolubles, semblables aux hydrates de clinker. Par cet effet pouzzolanique, ces constituants contribuent ainsi à éleverla compacité et la résistance finale de la pâte de ciment.

le clinker a sa sortie du four et du refroidisseur
Fig 1.1.6 Le clinker à sa sortie du four et du refroidisseur

Cendres Volantes (V) 

Les cendres volantes proviennent de la combustion du charbon pulvérisé dans les chaudières des centrales thermiques (production d'électricité). Leur qualité dépend non seulement du combustible utilisé (houille ou lignite et co-combustibles éventuels),mais aussi du type de centrale et de son mode d’exploitation. Ces raisons expliquent que la qualité des cendres volantes puisse largement fluctuer d’un producteur à l’autre.

 

Constituants inertes

Calcaire (L,LL)
Le calcaire est considéré comme un constituant inerte dans le ciment. Il n'est donc ni hydraulique (latent) ni pouzzolanique. Son ajout permet d’améliorer certaines propriétés physiques dans l’application finale. Suivant la teneur en carbone organique du calcaire, sa désignation sera "L" ou "LL". 

Laitier granulé de haut fourneau
Fig 1.1.7 Laitier granulé de haut fourneau


 

La fabrication du ciment

Afin d’obtenir un ciment ayant les caractéristiques recherchées, les constituants principaux sont broyés à une finesse ciblée dans une unité de broyage appropriée (fig 1.1.8), avec une petite quantité de régulateur de prise (généralement gypse ou anhydrite), en respectant les proportions définies dans le tableau 1.1.1. Dans certaines usines, les constituants sont broyés séparément puis mélangés.
 

 

Comportement et utilisation des ciments

Intérieur d'un broyeur à boulets
Fig 1.1.8 Intérieur d'un broyeur à boulets

Comme expliqué dans les paragraphes précédents, le ciment est un mélange - broyé plus ou moins finement - de plusieurs constituants. Ces derniers donneront chacun au produit final des caractéristiques spécifiques (tab 1.1.5).

Clinker
Tous les ciments courants contiennent du clinker Portland. Utilisé pur, il offrira au ciment une grande réactivité et des résistances élevées. De ce fait, la chaleur d’hydratation qu’il dégage est souvent importante.

Laitier
Les ciments contenant du laitier ont une montée en résistance d’autant plus lente que leur teneur en laitier est élevée. Ils demandent généralement un allongement du temps de coffrage et une durée de cure plus importante. Ils ont néanmoins des qualités qui les rendent intéressants dans plusieurs domaines d’applications : chaleur d’hydratation réduite, utile pour les bétonnages de masse et les bétonnages par temps chaud très bonne durabilité en présence d’eau douce, à l’eau de mer, aux eaux sulfatées et à la pénétration des ions chlores diminution du risque d’efflorescences (pour des teneurs élevées en laitier) bon maintien d’ouvrabilité résistance mécanique très élevée à longue échéance réduit les risques de réactions alcali-silice teinte claire.

Cendres volantes
Les cendres volantes sont constituées de particules dont la finesse, proche du ciment, et la forme sphérique contribuent à améliorer l’ouvrabilité du béton frais. L’ajout de cendres volantes dans le ciment confère également aux bétons une meilleure durabilité. Le léger retard de durcissement qu’elles induisent diffère également le développement de la chaleur d’hydratation et atténue en conséquence les pointes de température lors de bétonnages de masse. L’usage d’adjuvants entraîneurs d’air est déconseillé avec les cendres volantes. Le carbone contenu dans celles-ci perturbe en effet le fonctionnement de ces adjuvants.

Calcaire
La fine poudre de calcaire agit comme un "lubrifiant" et améliore l’ouvrabilité des bétons, notamment lorsque ce dernier doit être pompé. L’ajout de calcaire confère au ciment une bonne capacité de rétention d’eau, ce qui réduit les risques de ressuage et favorise le compactage du béton.

Aptitude à l'emploi des ciments
Malgré leur aptitude générale à l’utilisation prévue dans la norme européenne béton (NBN EN 206), il est important de noter que tous les types de ciment ne sont pas conseillés pour tous les usages en Belgique. La norme NBN B15-001 contient une "matrice de l’aptitude à l’emploi" de tous les types de ciment en fonction de l'environnement auquel le béton sera exposé.

tab 1 1
Tab 1.1.5 Classification et effet des constituants
Gamme sacs Holcim (Belgique)
Fig 1.1.12 Gamme sacs Holcim (Belgique)