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Etude physicochimique du ciment

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par Chouikh Fethi
Université de Jijel Algérie - Ingenieur d'état en génie des matériaux 2007
  

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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 C3S

Augmente les résistances

initiales

 

Charbon

VütiLe, se retrouve dans les

émissions

Accélérateur du C3S

Li

 

Inhibe la corversbn du C'S

en C3S, 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 C3A.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.

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