Etude physicochimique du ciment

Le clinker

Critères chimiques et minéralogiques du clinker

le clinker est principalement constitué en proportions variables de :

	Silicate tricalcique 3 CaO SiO2 ou C3S
	Silicate bicalcique 2 CaO SiO2 ou C2S
	Aluminate tricalcique 3 CaO Al2O3 ou C3A
	Aluminoferrite tétracalcique 4 Ca0 Al2O3 Fe2O3 ou C4AF

Lors de la formation du clinker, les oxydes principaux se combinent entre eux

pour former d'autres minéraux : Entre 600 et 1100°c

Al₂O₃2 SiO₂2 H₂O + 5 CaCO3 CA + 2 C₃S + 2H₂O + 5 CO₂

Fe2O3 + 2 CaCO₃ C₂F + 2 CO₂

SiO₂ + 2 CaCO₃ C₂S + 2 CO₂

CaCO₃ C + CO₂

Entre 1200 et 1450°c

C₂F + CA + C C₄AF

CA + 2 C C₃A

2C + S C₂S

C₂S + C C3S

Image par le MEB d'un clinker de laboratoire

Composition minéralogique de clinker

Performances des ciments et composition chimique du clinker

En pratique, la proportion des principaux constituants du clinker se calcule sous la forme de rapports, de modules ou d'indices chimiques, résultats des études de nombreux savants sur les mécanismes de formation et de réaction du clinker Portland.

Module hydraulique de Michaelis

HM = CaO / ( SiO₂+ Al₂O₃+ Fe₂O₃) 1.7 <HM < 2.3

Module silicique de Kühl

SM = SiO₂ / (Al₂O₃ + Fe₂O₃) 1.5 < SM < 5

Module aluminoferrique de Kühl

TM = Al2O3 / Fe2O3 1.5 < TM < 2.5

Indice d'hydraulicité de Vicat

HI = ( [SiO₂] + [Al₂O₃] ) / ( [CaO] + [MgO] ) 0.4 < HI < 0.5

Indice de saturation de Kühl
LSI = CaO / (2.8 x SiO₂ + 1.1 x _Al2O3 + 0.7 x Fe₂O₃) 0.85 < LSI < 1

Facteur de saturation de Lea Parker

LSF = CaO / (2.8 x SiO₂ + 1.18 x _Al2O3 + 0.65 x _Fe2O3 ) 0.85 < LSF < 1.0

Critères chimiques de composition du clinker

Les éléments mineurs du clinker :

une teneur en magnésie trop élevée entraîne des gonflements

importants plusieurs années après la mise en place du béton

une teneur en phosphate trop élevée retarde le temps de prise

du mortier les sulfates alcalins influencent parfois favorablement,

parfois défavorablement le niveau des résistances à la compression

les oxydes de manganèse et de chrome doivent être évités

pour la fabrication du ciment blanc ou pour les possibilités d'eczéma du

ciment.

Chaux libre

La chaux libre est un paramètre essentiel pour juger la qualité et le degré de

cuisson du clinker.

Des clinkers bien cuits résultants d'un cru bien dosé et de bonne granulométrie

présentent des teneurs inférieures à 2 %.

les sources Des augmentations de la teneur en chaux libre sont :

	Facteur de saturation en chaux (LSF) trop élevé Broyage grossier ou hétérogénéité de la farine Assimilation insuffisante des cendres injectées à la tuyère

Température de cuisson insuffisante

Décomposition de l'alite provoquée par une surcuisson ou un

refroidissement trop lent du clinker

Conditions réductrices dans la zone de cuisson

Les éléments mineurs influencent le processus de cuisson et les performances

clinker fabriqué.

Cr	Bauxite, laitier, pneus, charbon, réfractaires	Améliore la broyablité, effet sur la teinte		Augmente les résistances initiales. effet sur Fa teinte
Cu	Cendres volantes, schiste! huiles lubrifiantes, pneus	Réduit la température de fusion, formation de CaO I			Effet retardateur, réduit 'expansion due au sulfate
F	Calcaire, fuel	Minéralisateur, favorise la formation du C^3S		Augmente les résistances initiales
	Charbon	VütiLe, se retrouve dans les émissions		Accélérateur du C^3S
Li		Inhibe la corversbn du C'S en C^3S, minéralisation intensive		Réduit la réaction alcali- silice clans !es bétons
M n	Calcaire, argile, bauxite, cendres volantes, laitier	Fret sur la tete		Réduit les résistances initiales
Ni	Cendres volantes, coke de pétrole, schistes, pneus, charbons	Volatile se retrouve dans les poussIères, stabilise la forme monoclinique de l'alite		Accélérateur, améliore les résistances

Principales sources des éléments mineurs, et leurs effets sur le clinker

Contrôle des procédés de fabrication et d'homogénéisation du

clinker

Analyse minéralogique

Analyse chimique

Densité apparente du clinker

Cette méthode connue généralement sous le nom de poids du litre

consiste à mesurer le poids d'un litre d'une fraction granulométrique du

clinker

Les figures si dessous montre la variation de la résistance

a la compression d'un ciment de laboratoire selon la

variation de ( LSF, C3S , C3A, CaO libre ,les alcalis ,les

sulfates )

Dans la plage de variation observée, le LSF influence favorablement la

résistance initiale et reste sans grand effet sur la résistance finale.

Le C₃S est favorable au développement des résistances initiales et n'influence

pratiquement pas les résistances finales. En fait, le C₃S est parfaitement corrélé

avec le facteur de saturation.

La chaux libre est un facteur défavorable pour le développement des résistances.

Une augmentation de la chaux libre est le signe d'une dégradation de la qualité

de la cuisson.

Les alcalis sont favorables au développement des résistances initiales et

contrarient les résistances finales.

Le comportement du sulfate apporté par le clinker est identique au

comportement des alcalis.

Hydratation du ciment

L'hydratation du ciment s'opère par dissolution des solides anhydres, suivie d'une précipitation des hydrates formant une structure mécaniquement résistante . Elle passe par une succession d'étapes clairement mises en évidence par c

Les réactions chimiques qui se produisent lors de la mise en contact du ciment
avec l'eau peuvent être décrites de la façon suivante : Pour C₂S

2CaO,SiO₂ + 4 H₂0 ? 3 CaO,2 SiO₂ ,3 H₂O + Ca(OH)₂ Pour C₃S

2C₃S + 6H₂O ? C3S2.3H2O + 3Ca(OH)₂

Pour C₃A

C₃A + 26H₂O + 3CaSO₄.2H₂O C_3A.3CaSO₄.32H₂O

Pour C₄AF

C₄AF + 7H₂O C3A.6H2O

Chaleur d'hydratation

Les réactions d'hydratation du ciment Portland sont exothermiques. Les chaleurs

d'hydratation des différents constituants du ciment (c'est-à-dire les quantités de

chaleur moyenne dégagées au cours de l'hydratation) sont regroupées dans le

tableau s

Les différents types de Ciment

Le ciment Portland Artificiel (CPA)

Composition :

résulte du broyage du clinker et du sulfate de calcium (gypse ou anhydrite) pour régulariser la prise, et éventuellement de fillers en faible quantité (<3%). La teneur en clinker est au minimum 97%.

Les résistances sont mesurées sur mortier normal à 2, 7 et 28 jours.

Le ciment Portland Composé (CPJ) Composition :

résulte du mélange de clinker en quantité au moins égale à 65% et d'autres

constituants tels que laitiers, cendres volantes, pouzzolanes ou fillers (un ou

plusieurs) dont le total ne dépasse pas 35%.

Caractéristiques garanties:

De même que pour les CPA, des résistances minimales variant avec les classes sont garanties à 2, 7 et 28 jours.

Les résistances sont mesurées sur le ciment composé a 2,7 et 28 jours

Les ciments au laitier

Composition :

trois types de ciments comportent des pourcentages de laitier assez importants; il s'agit du ciment de laitier au clinker (CLK), du ciment au laitier et aux cendres (CLC), du ciment de Haut-fourneau (CHF).

Caractéristiques garanties :

Ces ciments sont représentées dans toutes les classes à l'exception des sous-classes `'R», compte tenu de leur vitesse de durcissement relativement lente.

Les résistances sont mesurées sur le Ciment au laitier a 2,7 et 28 jours

la teneur en anhydride sulfurique (SO₃) < 5% pour le CLK et à 4% pour le CLC et le CHF.