Chaux, ciments et be tons : Proce de s de fabrication

Cours
Chaux, ciments et betons :
Procedes de fabrication
Les matières premières des ciments sont extraites des carrières de calcaire et d’argile qui apportent les
4 oxydes fondamentaux :
- Le carbonate de calcium CaCO3 (dans le calcaire)
- La silice SiO2
dans l’argile, les cendres volcaniques
- L’alumine Al2O3
ou les sous-produits de fabrication de
- L’oxyde ferrique Fe2O3
la fonte
Ces matières vont subir un cycle de transformation en plusieurs étapes afin de faire apparaître de
nouvelles espèces chimiques.
I.
Cycle de la chaux
La chaux est une matière généralement poudreuse et de couleur blanche, obtenue par décomposition
thermique du calcaire (CaCO3).
Sa préparation s’effectue en 3 phases :
- La calcination,
- L’extinction
- La carbonatation
A.
Calcination
La calcination est la phase de chauffe. Dans des fours à chaux, on augmente la température du
calcaire (CaCO3) autour de 1000°C.
On obtient alors de la chaux vive qui est un oxyde de Calcium (CaO) et un fort dégagement de
dioxyde de carbone (CO2). C'est la décarbonatation.
CaCO3 → CaO + CO2
Cela se traduit, lors de la réaction par :
- une perte de masse (jusqu’à 45 %),
- une perte de volume (jusqu'à 15 %) de son volume.
La chaux vive obtenue est un produit potentiellement dangereux car elle est instable et fortement
hydrophile.
Dans certains cas, elle est utilisée pour assécher voire détruire les matières organiques riches en eau.
B.
Extinction
La transformation de chaux vive en chaux éteinte s'effectue par ajout d'eau (H2O).
Cette opération d'extinction produit l'hydroxyde de calcium Ca(OH)2, avec un fort dégagement de
chaleur (réaction exothermique) et une augmentation de volume de presque 30% :
CaO + H2O → Ca(OH)2
(+ 1155 kJ / kgCaO)
Cours
En cas de mélange de grandes quantités de chaux vive et d'eau, la chaleur dégagée est telle que l'eau
peut se mettre à bouillir et projeter de la chaux, qui est corrosive (ce qui nécessite certaines
précautions lors de la réalisation).
L'extinction peut être réalisée de différentes manières :
- Arrosage superficiel des blocs de chaux vive, puis fin de la réaction à l'air ;
- Immersion des blocs de chaux vive dans un grand volume d'eau puis fin de la réaction à l'air ;
- Mélange eau-chaux dans un malaxeur avec contrôle de la réaction exothermique (en
laboratoire) ;
- Immersion des blocs de chaux vive dans un grand volume d'eau puis fin de la réaction dans
l'eau.
Dans les trois premiers cas on obtient une chaux en poudre (fleur de chaux, chaux grasse, CAEB,
chaux éteinte…).
Dans le dernier cas, on obtient une chaux en pâte qui pourra être conservé tant que l'on maintiendra
en surface de l'eau limitant les échanges de dioxyde de carbone (donc de carbonatation).
La chaux en poudre correspond bien aux pratiques actuelles du bâtiment (dosage en volume, mélange
à la bétonnière…).
La chaux en pâte permet l'obtention de mortiers plus "gras", moins sujets à la dessiccation rapide, des
enduits carbonatant plus vite et donc plus résistants. Par contre, son dosage est plus difficile, le
mélange avec le sable plus délicat sauf à utiliser l'outillage adapté (malaxeur planétaire, rabot…).
C.
Carbonatation
La chaux aérienne est obtenue par carbonatation de la chaux éteinte, c’est-à-dire par absorption du
dioxyde de carbone (CO2) présent dans l'atmosphère :
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
Selon l'humidité du milieu, cette réaction se produit sur plusieurs mois :
- la vapeur d'eau se lie avec le dioxyde de carbone atmosphérique pour former l'acide
carbonique ,
- la chaux fixe le dioxyde de carbone contenu dans cet acide et se transforme en calcaire.
Le résultat de cette opération est à nouveau du calcaire (CaCO3).
Le mécanisme de prise par carbonatation s'effectue en présence d'eau. Cela implique une maîtrise
indispensable des conditions de mise en œuvre (humidification des supports, contrôle des conditions
climatiques...).
Dans le domaine des Travaux Publics, la chaux aérienne est utilisée dans la réalisation des routes ou
des chemins, le plus souvent sous forme de chaux vive.
Comme dans l'industrie, on utilise sa propriété de « floculation », il s'agit ici de transformer l'argile
(consistance plastique, souple, instable) en matière grumeleuse plus résistante à la compression des
sols. (Cf : Cours de M. BESOMBES)
À cette action s’ajoute l'effet de consommation d'eau interstitielle. Ainsi, la teneur en eau des sols trop
humides est rabaissée afin d'atteindre le plus souvent l'Optimum Proctor.
Cours
II.
Fabrication du ciment
Il existe 4 méthodes de fabrication du ciment qui dépendent essentiellement du matériau:
- Fabrication du ciment par voie humide (la plus ancienne).
- Fabrication du ciment par voie semi-humide (en partant de la voie humide).
- Fabrication du ciment par voie sèche (la plus utilisée).
- Fabrication du ciment par voie semi-sèche (en partant de la voie sèche).
A.
Fabrication par voie sèche
La fabrication du ciment comporte différentes étapes :
- La préparation du cru : broyage et homogénéisation des matières premières,
- La cuisson du cru : obtention du clinker (1450°C),
- Le traitement du cru : broyage et addition de gypse
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 % (Belite)
- Ca3Al2O6 : Aluminate tricalcique (Al2O3 – 3CaO) : 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 dans le milieu cimentier.
« C » représente ici la molécule de chaux (et non Carbone dans ce cas) : soit CaO combinée à : S, A et
F les trois autres oxydes respectivement de Silicium (SiO2), Alumine (Al2O3) et de Fer (Fe2O3).
La classification des ciments est normalisée suivant leur composition et leurs propriétés mécaniques.
Les ciments Portland (ciments artificiels) ont tous le clinker comme constituant principal.
Les ciments pouzzolaniques contiennent 60 à 70% de clinker et 30 à 40% de pouzzolane active
(roche naturelle dont les propriétés lui permettent d’agir comme de la chaux).
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).
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B.
Facteurs cinétiques de prise
Le phénomène de prise du ciment est lié à de nombreux paramètres tels:
- la nature du ciment,
- la finesse de mouture du ciment; plus son broyage a été poussé, plus le temps de prise est
court,
- la température; alors qu'à zéro degré la prise est stoppée, plus la température ambiante est
élevée plus la prise est rapide, pour un ciment donné le début de prise sera de 18 heures à 2 ºC,
de 5 heures à 10 ºC, de 3h 30 à 20 ºC et de 30 min à 35 ºC,
- la présence de matières organiques dans l'eau ou dans l'un des autres constituants du béton qui
ralenti la prise,
- l'excès d'eau de gâchage qui a, entre autres inconvénients, une action retardatrice sur la prise
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 sont en partie piégés dans le
clinker.
Certains de ces métaux améliorent la qualité du ciment, d'autre dégradent la qualité technique du
ciment et du béton.
Pour l’exemple, un peu de chrome accélère la prise et augmente la résistance du ciment et d'un
béton bien préparé, mais il est l'un des allergènes qui font que le ciment est source de dermatites
allergiques (gale du ciment).
Au contraire, le cadmium ou le zinc présents en quantités importante dans le cru de ciment Portland
et alumineux dégraderont les propriétés du ciment final.
Comme le cadmium, le zinc est facilement absorbé dans le ciment Portland dont ils augmentent le
temps de prise et diminuent la résistance du béton.
De grandes quantités d'oxyde de zinc dégradent la résistance des ciments d'aluminates de calcium.