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CIMENTERIE NATIONALE
Production Chimie
et Types du Ciment
Le Ciment
1. Rappelle historique
2. Production du Ciment
3. Composition chimique du Ciment
4. Les types de ciments
Rappelle historiqueRappelle historique
1800 - 1900
Etude des Propriétés hydrauliques de la chaux
John Smeaton
James Parker
Louis Vicat
Découvert du ciment PortlandJoseph Aspedin
Isaac Johnson
Etude de la compositionchimique et minéralogique
Le Chatelier
Tönebolm
Proposition du standard pour le Ciment Wilhelm Michaelis
Invention du four rotatif Atlas Portland Cement
1900 - 1950
Préchauffage du four
Précalcinateur du four
Rappelle historiqueRappelle historique
1950 - 2011
Innovation dans les Instruments de mesureInnovation dans les Instruments de mesure
Réduction du coût et de la quantité d’énergieRéduction du coût et de la quantité d’énergie
Développement essentielle des ressources d’ informationsDéveloppement essentielle des ressources d’ informations
Développement du système de control à base informatique Développement du système de control à base informatique
Avancement dans les régulations et les techniques pourAvancement dans les régulations et les techniques pourcontrôler la pollution .contrôler la pollution .
Rappelle historiqueRappelle historique
Le Calcaire est le source principale du CaCO3. Le carbonate de calcium est le constituant principale du cru. Il représente de 75 à 83% de la matière première.
L’Argile est le source principale de Si, Fe et Al
Le Clinker est le produit qui sort du four de la cimenterie
Les Additives :Laitier ,pouzzolanes , calcaire , cendre volante, schiste calciné et fumée de silice peuvent être ajouter au clinker pour améliorer les caractéristiques du ciment.
Du calcaire au cimentDu calcaire au ciment
Le Gypse est ajoutée au clinker comme retardateur de prise.Le pourcentage et de 2 à 5%.
Le Ciment est un poudre gris obtenu après broyer le clinker ,gypse et additive.
En 1756,Smeaton découvrait que les chaux qui présent lesmeilleures propriétés « hydrauliques » sont celles contenant des matières argileuses.
Première étape : Préparation du cru
Le cimentier doit apporter pour que la matière qu’il introduit dans le four
ait une composition chimique constant .
Cette partie couver les sous étapes suivantes: Extraction des matières premières
(ex: calcaire ) La transportation , le concassage , le mélange, le contrôle ,le
stockage ,le broyage , l’homogénéisation et le stockage du cru.
Cette partie est très important pour détecter le type du ciment (Ex. résistant au
sulfate) et la composition chimiques
Les trois étapes de fabrication du cimentLes trois étapes de fabrication du ciment
Deuxième étape : La fabrication du clinker
L’atelier de cuisson comporte deux parties :
Précalcinateur: une tour composée de plusieurs étages de cyclones pour
favoriser l’changement de chaleur et assurer la décarbonatation partielle.
Four: il achève la décarbonatation et assure la clinkerisation
La troisième étape : la production du ciment
Cette étape consiste à broyer le clinker ,gypse et additive pour produire le ciment..
Cette étape et très important pour détecter le classe de résistance et le type du ciment (portland, modifié ou composé)
Dans le préchauffage
La température est plus petit que 700°C . L’eau libre et combiné s’évaporent.
Les Réactions ChimiquesLes Réactions Chimiques
A l’entré du four
La température est entre 700 et 900°C . Le carbonate de calcium CaCO3 se
décompose pour donner CaO et CO2 selon l’équation: CaCO3 → CaO + CO2
Dans la première section du four
La température est entre 900 et 1200°C. La décarbonatation devient complète .
Il y a formation de petite cristaux ronds de C2S selon l’équation: 2CaO + SiO2 → Ca2SiO4
Dans la deuxième section du four
La température est entre 1200 et 1350°C. La matière se divise en deuxphases ; la phase liquide (Al, Fe, P,S,) et la phase solide (Si,Ca).La phase liquide joue un rôle important pour minimiser la distance entre les particules de la phase solide ce qui accélère la réaction entre les constituants de la phase solide. Le pourcentage de C2S augment et une partie de cette phase réagie avec le chaux libre pour produire le C3S(cristaux hexagonales) selon l’équation:CaO + Ca2SiO4 → Ca3SiO5
Les Réactions ChimiquesLes Réactions Chimiques
A la sortie du four (la zone de cuisson)
La température est entre 1350 et 1450°C .
Le pourcentage du chaux libre devient négligeable.
Le pourcentage de C2S diminue et leur dimension augment.
Le pourcentage et dimension de C3S augments
Dans le Refroidisseur
La phase liquide se cristallise pour donner le C3A et le C4AF
Zones limites des ciments dans le système CaO - Al2O3 - SiO2 (d ’après Zones limites des ciments dans le système CaO - Al2O3 - SiO2 (d ’après Lea)Lea)
COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND
Considérations générales
Principales phases cristallochimiques du clinkerPrincipales phases cristallochimiques du clinker
Ca3 SiO5 Ca2 SiO4 Ca3 Al2O6 Ca4AI2
Fe2Olo
3CaO - SiO2 2CaO - SiO2 3 CaO Al2O3 4CaO
Al2O3Fe2O3
C3S C2S C3A
C4AF
COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLANDConsidérations générales
Les phases du clinkerLes phases du clinker
• contiennent toujours des impuretés dans leur réseau
• peuvent être sous différentes formes cristallographiques:
• C3S(6) (TI – TII – TIII – MI - MII- R.)
• C2S (5)(α- άH – άL – β –γ)
• C3A (4) ( CI – CII – O –M)
• C4AF « C2A » - « C2F » Solution
COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND
COMPOSITION DU CLINKER
COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND
COMPOSITION DU CLINKER
Constituants
du clinker
Teneur
en %
Domaine
Moyenne
- ---
Image d’un clinker au microscope optique
C3A
C3S
C2S
C4 AF
CaO LIBRE
MgO
100 microns
COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLANDCOMPOSITION DU CLINKER
Image de clinker en microscopie optique (section polie)
Alite C3S Bélite C2S
COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLANDCOMPOSITION DU CLINKER
Image de clinker en microscopie optique (section polie)
Phaseliquide C3A
C4AF
COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLANDCOMPOSITION DU CLINKER
Éléments mineurs du clinker (de 0.1 à quelques %)
• SO3: présent sous forme de CaSO4 ou de sulfates alcalins ou dans les phases du clinker (C2S) :de 0.5 à ~3.0%
• Alcalins: – teneur exprimée en Na2Oequ (% Na2O + 0.658 K2O)– majoritairement dans les phases C3A (Na), C2S(K)– Pas de spécification pour le clinker ,mais ciments à basse
teneur en alcalins (< 0.6 % Na2Oequ) souvent demandés– de 0.2 à 1.5%
• MgO (0.5 à 5%)• Cl (< 0.1%)• P2O5 (0.1 à 0.75%), Mn2O3 (0.1 à 0.5%), TiO2 (0.1 à 0.5%), Sr
(0.1%)
COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND
COMPOSITION DU CLINKER
Autres phases
• CHAUX LIBRE- CaO- Acceptable entre 0.5 et 1.5- Pas de spécification mais
limitation effective
COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND
COMPOSITION DU CLINKER
PRINCIPALES PROPRIETES DES PHASES DU CLINKER ET LEURS EFFETS
•Chaleur d ’hydratation : chaleur émise • développement de fissures thermiques dans les structures
massives• augmentation de la résistance
•Vitesse d ’hydratation :• augmentation de la résistance• propriétés du béton frais: rhéologie ...
•Capacité de liaison :• résistance à long terme
COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND
PRICIPALES PROPRIETES DES PHASES DU CLINKER
Chaleurs d ’hydratation typiques des différentes phases du clinker
PHASE Joule/g
C3S 500C2S 250C3A 1340C4AF 420Chaux libre 1150
COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND
PRINCIPALES PROPRIETES DES PHASES DU CLINKERChaleurs d’hydratation
Résistance à la compression des principaux constituants du clinker (d’après Bogue et Lerch)
COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND
PRINCIPALES PROPRIETES DES PHASES DU CLINKERRésistance à la compression
COMPOSE ALITE BELITE CELITE
Composition chimique
Silicate tricalcique
3CaO - SiO2 (C3S) Silicate bicalcique 2CaO - SiO2 (C2S)
Aluminate tricalcique 3CaO - Al2O3 (C3A)
Aluminoferrite 4CaO - Fe2O3 - Al2O3
(C4AF)
Vitesse d'hydratation Rapide (heures) Lente (jours) Instantanée Très rapide (minutes)
Développement de la résistance
Rapide (jours) Lente (semaine) Très rapide (1 jour) Très rapide (1 jour)
Résistance finale Forte
(dizaines de N/mm²) Probablement forte : dizaines de N/mm²
Faible : quelques N/mm²
Faible : quelques N/mm²
Chaleur d'hydratation Moyenne
(~ 500 J/g) Basse :
~ 250 J/g Très élevée : ~ 1340 J/g
Moyenne : ~ 420 J/g
Remarque Constituant
caractéristique des ciments portland
Instable à l'eau,
sensible à l'attaque des sulfates
Donne au ciment sa couleur grise
COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND
PRINCIPALES PROPRIETES DES PHASES DU CLINKER
LES TYPES DE CIMENT SELON NL53:99
Les ciments sont caractérisés, de manière normalisée:
Leur type: sans/avec ajout (ciment Portland/ ciment Portland avec ajouts et composés)Leur classe de résistance (32.5, 42.5 et 52.5)
Le type des ajouts (laitier granulé de haut fourneau « S » .matériaux pouzzolaniques « Z » cendre volante « V » calcaire « L »)Leur composition chimiques (ex C3A <5% pour RSS et< 8%pour RMS )d’autres caractéristiques éventuelles:Résistance supérieure aux sulfates« RSS», Résistance moyenne aux sulfates« RMS», Basse teneure en alcalis « BTNa »,haute résistance « HR »
EXEMPLESP 52.5 RMS,BTNaPA-L 42.5PA-S 42.5PA-Z 32.5C-S 32.5
LES TYPES DE CIMENT SELON EN197
Selon la norme européenne EN 197 les ciment sont caractérisées par:
Leurs caractéristiques Mécanique: class de résistance(32.5 - 42.5- 52.5)Leurs résistance à court terme : N :ordinaire et R : élevée. Le type et pourcentages des ajouts :
CEM I : Ciment Portland (max 5% ajouts)CEM II : Ciment Portland avec ajouts (ex CEM II /A-L ciment contenant entre 6 et 20 % du calcaire).CEM III : Ciment de haut fourneau (ex CEM II /A ciment contenant entre 36 et 65% de laitier).CEM IV: Ciment Pouzzolanique (ex CEM IV/A ciment contenant entre 11 et 35% de matière pouzzolanique)CEM V : Ciment composé (ex CEM V/A ciment contenant entre 18 et 30 % de laitier en plus entre 18 et 30% de matière pouzzolnique)
LES TYPES DE CIMENT SELON ASTM C150
Selon la norme ASTM C150 les ciment sont caractérisées par:
Composition chimique (ex C3A <5% pour Type V et< 8%pour type II )Caractéristiques physiques et mécaniques (ex blaine >280 m2/g pour toutes les types tan disque la résistance à la compression après un jour doit être 12 MPa seulement pour type III) Les type du ciment selon le ASTM C150 sont :
Type I ciment normal Type II ciment résistant moyenne aux sulfatesType III ciment à haut résistance à jeune age .Type IV ciment à basse chaleur d’hydratation.Type V ciment résistant supérieur aux sulfates.
Type du ciment en stock à CN
Selon NL53:99PAL 42.5PAS 42.5P 42.5P42.5 RMS ,BTNaP52.5 RMS,BTNa
Selon EN 197CEM I 42.5NCEM I 52.5N
Selon ASTM C150 :Type I ciment normal Type II ciment résistant moyenne aux sulfatesType V ciment résistant supérieur aux sulfates.
MERCI POUR VOTRE ATTENTION