Ciment - Définition et Explications

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Chimie du ciment

Phases cimentières

Pour désigner les phases cimentières, on utilise en général une notation abrégée dite « notation shorthand » : C pour CaO (Chaux), S pour SiO2 (silice), A pour Al2O3 (alumine) et F pour Fe2O3 (hématite).
Les phases couramment rencontrées dans l'industrie du ciment (Le ciment (du latin caementum, signifiant moellon, pierre de construction) est une matière pulvérulente, formant avec l’eau ou avec une solution saline une pâte plastique liante, capable d’agglomérer, en...) sont :

  • Alite (Silicate tricalcique ( (CaO)3(SiO2) ou encore C3S), principal constituant anhydre du clinker, qui lui confère ses propriétés hydrauliques.) C3S : (CaO)3(SiO2) ;
  • Aluminate C3A : (CaO)3(Al2O3) ;
  • Belite C2S : (CaO)2(SiO2) ;
  • Calcaire (limestone) : CaCO3
  • Célite C4AF : cf. ferrite. L'appellation Célite a disparu;
  • Chaux libre (free lime) : CaO, la teneur doit être en général inférieure à 2 % en masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à...) dans le clinker (la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de...) de chaux libre augmente lorsque la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) du four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage puissant, qui transforme, par la chaleur les produits et les objets. En cuisine, il permet de cuire des aliments. Dans un processus de...) baisse) ;
  • Ferrite ou aluminoferrite ou brownmillerite C4AF : (CaO)4(Al2O3)(Fe2O3), on voit parfois la demi-formule (CaO)2FeAlO3 ;
  • Gypse : CaSO4.2(H2O) ; chauffé entre 60 °C et 200 °C, le gypse se déshydrate et donne le plâtre ;
  • Périclase : MgO ;
  • Portlandite : hydroxyde de calcium (Le calcium est un élément chimique, de symbole Ca et de numéro atomique 20.) Ca(OH)2, provenant de l'hydratation (L'hydratation désigne plusieurs phénomènes liés à l'eau.) de la chaux libre.
  • Sable (Le sable, ou arène, est une roche sédimentaire meuble, constituée de petites particules provenant de la désagrégation d'autres roches dont la dimension...), silice : SiO2

La composition chimique garantit les qualités du ciment à terme, c’est-à-dire pendant sa fabrication, et également des mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.), voire des années après sa commercialisation. Des analyses sont donc effectuées sur des échantillons prélevés régulièrement tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) au long du processus de la fabrication. On analyse également les matières premières et les combustibles afin de connaître leur teneur en différents composés, et de pouvoir ainsi les doser. Ces analyses sont devenues d'autant plus importantes que la fabrication du ciment a de plus en plus recours à des produits de recyclage (Le recyclage est un procédé de traitement des déchets industriels et des déchets ménagers qui permet de réintroduire, dans le cycle de production d'un produit, des matériaux qui le composent. L'un des exemples qui illustre ce...), tant dans les matières premières (par exemple le laitier) que pour les combustibles (déchets ne dégageant pas de fumées toxiques, farines animales…). Par ailleurs, cette analyse permet également un pilotage rétroactif du four : lorsque le taux de chaux libre (CaO) est trop important, cela signifie que le four n'est pas assez chaud.

La qualité finale est évaluée par des modules, c'est-à-dire des valeurs calculées à partir de la composition.
On définit par exemple :

  • Module de saturation de Kühl :  LSF= \frac{\mathrm{CaO}}{\mathrm{2,8 \cdot SiO_{2} + 1,1 \cdot Al_{2}O_{3} + 0,7 \cdot Fe_{2}O_{3}}}
  • Module silicique (MS ou SR) : MS= \frac{\mathrm{SiO_{2}}}{\mathrm{ Al_{2}O_{3} + Fe_{2}O_{3}}}
  • Module alumino-ferreux (AF ou AR) : AF= \frac{\mathrm{Al_{2}O_{3}}}{\mathrm{ Fe_{2}O_{3}}}

Contamination

La présence de chlore (Le chlore est un élément chimique de la famille des halogènes, de symbole Cl, et de numéro atomique 17.) (chlorures) et de soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.) (sulfates, sulfure) dans les matières premières est problématique. En effet, lors du chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.), le chlore et le soufre se volatilisent et réagissent avec les composés alcalins pour former des chlorures et sulfures alcalins. En effet, les chlorures et les sulfates forment un cycle des chlorures et des sulfates (cycle interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée...) ou externe)et, en l'absence d'alcalin comme le potassium (Le potassium est un élément chimique, de symbole K (latin : kalium, de l’arabe : القَلْيَه al-qalyah) et de numéro atomique...) et le sodium( K2O & Na2O) avec qui réagissent les chlorures et les sulfates, des concrétions de sulfates en forme d'anneau se forment au niveau des tours de préchauffage.

Tests en laboratoire

Mesures physiques

Surface spécifique : La finesse de broyage d'un ciment est exprimée par sa surface spécifique (cm²/gramme): c'est la surface developpée par unité de masse. Elle est mesurée au moyen du test de Blaine, dit de perméabilité à l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air...), selon la relation d'Arcy-Kozeny, qui établit que la traversée d'un lit de granules par un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans certaines conditions...) est affectée par la surface spécifique de ces granules. Ainsi, en calculant la durée que met un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume...) sous pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) à traverser un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) donné de granules, on peut déduire la surface des granules. Plus le broyage est fin, plus la surface calculée est importante. Cette expérience se produisant dans un volume déterminé, on peut imaginer obtenir une surface développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la...) infinie en broyant toujours plus finement le ciment. Il s'agit là d'une application industrielle d'un modèle expliqué par les mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres, les figures,...) fractales: une dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son...) d'ordre n, finie, englobant une dimension d'ordre n-1, tendant vers l'infini (Le mot « infini » (-e, -s ; du latin finitus, « limité »), est un adjectif servant à qualifier quelque chose qui n'a pas de limite en nombre ou en taille.).

Mesures chimiques

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