Ciment - Définition

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 sont :

• Alite 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 dans le clinker (la quantité de chaux libre augmente lorsque la température du four 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 Ca(OH)₂, provenant de l'hydratation de la chaux libre.
• Sable, silice : SiO₂

La composition chimique garantit les qualités du ciment à terme, c’est-à-dire pendant sa fabrication, et également des mois, voire des années après sa commercialisation. Des analyses sont donc effectuées sur des échantillons prélevés régulièrement tout 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, 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 :
• Module silicique (MS ou SR) :
• Module alumino-ferreux (AF ou AR) :

Contamination

La présence de chlore (chlorures) et de soufre (sulfates, sulfure) dans les matières premières est problématique. En effet, lors du chauffage, 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 ou externe)et, en l'absence d'alcalin comme le potassium 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, selon la relation d'Arcy-Kozeny, qui établit que la traversée d'un lit de granules par un fluide est affectée par la surface spécifique de ces granules. Ainsi, en calculant la durée que met un gaz sous pression à traverser un volume 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 infinie en broyant toujours plus finement le ciment. Il s'agit là d'une application industrielle d'un modèle expliqué par les mathématiques fractales: une dimension d'ordre n, finie, englobant une dimension d'ordre n-1, tendant vers l'infini.

Mesures chimiques