Ciment - Définition et Explications

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Fabrication du ciment courant, ou ciment Portland

Four rotatif incliné ou kiln

La fabrication du ciment se distingue en six étapes principales :

  • l'extraction
  • l'homogénéisation
  • le séchage et le broyage
  • la cuisson
  • le refroidissement
  • le broyage

Extraction

L'extraction consiste à extraire les matières premières vierges (comme le calcaire"75 à 80%" et l'argile (L'argile (nom féminin) est une roche sédimentaire, composée pour une large part de minéraux spécifiques, silicates en général d'aluminium...) "20 à 25%") à partir de carrières naturelles à ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) ouvert. Ces matières premières sont extraites des parois rocheuses par abattage à l'explosif (Un explosif est un composé chimique défini ou un mélange de corps susceptibles lors de leur transformation, de dégager en un temps très court, un grand volume de gaz porté à haute...) ou à la pelle mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins,...). La roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du sous-sol est formé par un assemblage de...) est acheminée par des tombereaux, (dumpers), ou des bandes transporteuses vers un atelier de concassage. Les matières premières doivent être échantillonnées, dosées et mélangées de façon à obtenir une composition régulière dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). La prise d'échantillons en continu permet de déterminer 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...) des différents ajouts nécessaires (oxyde de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant...), alumine et silice).

Homogénéisation

La phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) d'homogénéisation consiste à créer un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange. Les...) homogène. Cette opération peut être réalisée: soit dans un hall où on obtient le mélange homogène en disposant la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état...) en couches horizontales superposées, puis en la reprenant verticalement à l'aide d'une roue-pelle; soit dans un silo vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) par brassage par air comprimé (L'air comprimé est de l'air ambiant, mis sous pression avec un compresseur, le plus souvent aux alentours de 10 bars mais parfois jusque 300 bars.).

Principes et méthodes de fabrication

La fabrication de 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...) se réduit schématiquement aux trois opérations suivantes :

  • préparation du cru
  • cuisson
  • broyage et conditionnement

Il existe quatre méthodes de fabrication du ciment qui dépendent essentiellement des matériaux :

  • Fabrication du ciment par voie humide (la plus ancienne).
  • Fabrication du ciment par voie semi-humide (dérivée de la voie humide).
  • Fabrication du ciment par voie sèche (la plus utilisée).
  • Fabrication du ciment par voie semi-sèche (dérivée de la voie sèche).

La composition de base des ciments actuels est un mélange de silicates et d’aluminates de calcium (Le calcium est un élément chimique, de symbole Ca et de numéro atomique 20.), résultant de la combinaison (Une combinaison peut être :) de la chaux (CaO) avec de la silice (La silice est constituée de dioxyde de silicium, un composé chimique qui entre dans la composition de nombreux minéraux ; sa formule est SiO2.) (SiO), de l’alumine (AlO), et de l’oxyde de fer (FeO). La chaux nécessaire est fournie par des roches calcaires, l’alumine, la silice et l’oxyde de fer par des argiles. Ces matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) se trouvent dans la nature sous forme de calcaire, argile ou marne et contiennent, en plus des oxydes déjà mentionnés, d’autres oxydes et en particulier FeO, l'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) ferrique.

Le principe de la fabrication du ciment est le suivant: calcaires et argiles sont extraits des carrières, puis concassés, homogénéisés, portés à haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) (1 450 °C) dans un 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...). Le produit obtenu après refroidissement rapide (la trempe) est le clinker.

Un mélange d’argile et de calcaire est introduit dans un four tubulaire rotatif légèrement incliné chauffé par une flamme aux environs de 2 000 °C. Cette flamme est alimentée par différents combustibles solides, liquides ou gazeux. Au contact des 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 propre : un gaz tend à...) chauds la matière s'échauffe progressivement. A l'entrée la température de l'ordre de 800 °C provoque la déshydratation (La déshydratation est la perte ou l'élimination de l'eau d'un corps. Cette dernière peut être partielle ou totale. Toutefois le terme de dessiccation est plus utilisé pour parler de...) des argiles et la décarbonation du calcaire pour produire la chaux(CaO). Puis la chaux se combine d'une part à l'alumine et l'oxyde de Fer pour former des aluminates et aluminoferrites de calcium, et d'autre part, à la silice pour former du silicate bicalcique (bélite). La température augmentant tandis que la matière progresse vers la flamme, les aluminates (1 450 °C) et aluminoferrites (1 380 °C) fondent: cette phase de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes identiques, la fusion s'effectue à...) favorise la formation de silicate tricalcique à partir du silicate bicalcique et de la chaux restante. C'est l'hydratation (L'hydratation désigne plusieurs phénomènes liés à l'eau.) au cours de cette phase qui donne l'essentiel de sa résistance au béton (Le béton est un matériau de construction composite fabriqué à partir de granulats naturels (sable, gravillons) ou artificiels (granulats...) de ciment Portland.

Fabrication par voie humide

Cette voie est utilisée depuis longtemps. C’est le procédé le plus ancien, le plus simple mais qui recquiert le plus d’énergie.

Dans ce procédé, le calcaire et l’argile sont broyés finement et mélangés avec l’eau de façon à constituer une pâte assez liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) (28 à 42% d’eau). On brasse (Le terme Brasse peut désigner :) énergiquement cette pâte dans de grands bassins de huit à dix mètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre...), dans lesquels tourne un manège de herses.

La pâte est ensuite entreposée dans de grands bassins de plusieurs milliers de mètres cubes de capacité, où elle est continuellement malaxée et homogénéisée. Ce mélange est appelé le cru. Des analyses chimiques permettent de contrôler la composition de cette pâte, et d’apporter les corrections nécessaires avant sa cuisson.

La pâte est ensuite acheminée à l’entrée d’un four rotatif, chauffé à son extrémité par une flamme intérieure. Ce four rotatif légèrement incliné est constitué d’un cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane fermée (c), appelée courbe directrice et gardant une direction...) d’acier dont la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) peut atteindre deux cents mètres. On distingue à l’intérieur du four plusieurs zones, dont les trois principales sont:

  • Zone de séchage.
  • Zone de décarbonatation.
  • Zone de clinkerisation.

Les parois de la partie supérieure du four (zone de séchage - environ 20% de la longueur du four) sont garnies de chaînes marines afin d’augmenter les échanges caloriques entre la pâte et les parties chaudes du four.

Le clinker à la sortie du four, passe dans des refroidisseurs (trempe du clinker), dont il existe plusieurs types comme les refroidisseurs à grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du tube de télévision. Une grille d'arrêt est un élément du tube de télévision. Une...), ou à ballonnets. La vitesse (On distingue :) de trempe (La trempe ou trempage est un traitement thermique consistant en un refroidissement rapide d'un matériau pour obtenir des propriétés mécaniques particulières. On...) a une influence sur les propriétés du clinker (phase vitreuse).

De toute façon, quelle que soit la méthode de fabrication, à la sortie du four, on obtient un même clinker qui est encore chaud, d' environ 600 à 1 200 °C. Il faut ensuite le broyer très finement et très régulièrement avec environ 5% de gypse CaSO afin de «régulariser» la prise.

Le broyage est une opération délicate et coûteuse, non seulement parce que le clinker est un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières et mise...) dur, mais aussi parce que même les meilleurs broyeurs ont des rendements énergétiques déplorables.

Les broyeurs à boulets sont de grands cylindres disposés presque horizontalement, remplis à moitié de boulets d’acier et que l’on fait tourner rapidement autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre...) de leur axe (20t/mn); le ciment y atteint une température élevée (160 °C), ce qui nécessite l’arrosage extérieur des broyeurs. On introduit le clinker avec un certain pourcentage (Un pourcentage est une façon d'exprimer une proportion ou une fraction dans un ensemble. Une expression comme « 45 % » (lue « 45 pour cent ») est en réalité la...) de gypse dans la partie haute, puis on récupère la poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général de taille...) dans la partie basse.

Lors du broyage à circuit ouvert (Un circuit ouvert est un terme utilisé en électronique pour désigner une portion d'un circuit électrique qui n'est reliée à aucune résistance ou...), le clinker ne passe qu’une fois dans le broyeur. Lors du broyage en circuit fermé, le clinker passe rapidement dans le broyeur, puis à sa sortie, est trié dans un cyclone (Un cyclone (du grec kyklos, cercle) est un terme météorologique qui désigne une grande zone où l'air atmosphérique est en rotation autour d'un centre de basse pression...). Le broyage a pour but de réduire les grains du clinker en poudre, et de permettre l’ajout du gypse (environ 4%) pour réguler quelques propriétés du ciment Portland, comme son temps de prise et de durcissement.

A la sortie du broyeur, le ciment est à une température environ de 160 °C, et avant d'être transporté vers des silos de stockage, il doit passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) au refroidisseur à force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) centrifuge pour que sa température soit maintenue à environ 65 °C.

Fabrication par voie sèche

Les ciments usuels sont fabriqués à partir d’un mélange d'environ de 80 % de calcaire (CaCO) et de 20 % d’argile (SiO–AlO). Selon l’origine des matières premières, ce mélange peut être corrigé par apport de bauxite, oxyde de fer ou autres matériaux fournissant le complément d’alumine et de silice requis.

Après avoir été finement broyée, la poudre (farine) est transportée depuis le silo d'homogénéisation jusqu’au four, soit par pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.), aéroglisseur (Un aéroglisseur est un véhicule amphibie à portance aérostatique, à propulsion aérienne.) puis par aérolift ou élévateur.

Les fours sont constitués de deux parties:

  • la structure verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) fixe: la tour de préchauffage constituée de cyclones et d'échangeurs de chaleur ;
  • le four ou tronçon rotatif.

Les gaz réchauffent la farine crue qui circule dans les cyclones en sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution...) inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...), par gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.). La farine en s'échauffant au-delà des 800 °C environ va se décarbonater (partiellement) en libérant du dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un composé chimique composé d'un atome de carbone et...) (CO) et son eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.). La farine chaude pénètre ensuite dans le tronçon rotatif analogue à celui utilisé dans la voie humide, mais beaucoup plus court.

La méthode de fabrication par voie sèche pose aux fabricants d’importants problèmes techniques:

La ségrégation possible entre argile et calcaire dans les préchauffeurs. En effet, le système utilisé semble être néfaste et, en fait, est utilisé ailleurs pour trier des particules. Dans le cas de la fabrication des ciments, il n’en est rien. La poudre reste homogène et ceci peut s'expliquer par le fait que l’argile et le calcaire ont la même masse volumique (La masse volumique est une grandeur physique qui caractérise la masse d'un matériau par unité de volume.) (2,70 g/cm³). De plus, le matériel a été conçu dans cet esprit et toutes les précautions ont été prises.

Le problème des poussières. Ce problème est rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D comportant à la fois des objets et des...) d’autant plus aigu, que les pouvoirs publics, très sensibilisés par les problèmes de nuisance, imposent des conditions draconiennes. Ceci oblige les fabricants à installer des dépoussiéreurs, ce qui augmente considérablement les investissements de la cimenterie.

Les dépoussiéreurs utilisés pour traiter les gaz du four sont :

  • les électrofiltres constitués de grilles de fils métalliques mis sous haute tension (La tension est une force d'extension.) électrique et sur lesquels viennent se fixer des grains de poussière ionisée. Ces grains de poussière s’agglomèrent et, sous l’action de vibreurs ou de marteaux qui agitent les fils, retombent au fond du dépoussiéreur où ils sont récupérés et renvoyés dans le four. En dehors des pannes, ces appareils ont des rendements de l’ordre de 99%, mais absorbent une part importante du capital d’équipement de la cimenterie.
  • les filtres à manche

Le problème de l’homogénéité du cru est délicat. Nous avons vu comment il pouvait être résolu au moyen d’une préhomogénéisation puis d’une homogénéisation.

Séchage et le broyage

Le séchage et le broyage sont l'étape visant à favoriser les réactions chimiques ultérieures. Les matières premières sont séchées et broyées très finement (de l’ordre du micron) dans des broyeurs à boulets, ou, plus récemment, dans des broyeurs verticaux à meules, plus économes en énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.).

On distingue trois types principaux de "voies" en fonction du type de préparation :

  • la voie humide : c’est la technique la plus ancienne. Elle est aussi la plus gourmande en énergie, nécessaire à l’évaporation de l’excédent d’eau.

Dans les deux techniques suivantes, les matières premières sont parfaitement homogénéisées et séchées sous forme de « cru » ou « farine ».

  • la voie sèche : la farine est introduite directement dans le four sous forme pulvérulente, après un préchauffage dans une tour à échangeurs thermiques.
  • la voie semi-sèche : avant introduction dans le four, la farine est transformée en “granules” par humidification dans de grandes « assiettes » rotatives inclinées.

Le cru est ensuite introduit dans un long four (60m à 200m) rotatif (1.5 à 3 tours par minute), tubulaire (jusqu’à 6m de diamètre), légèrement incliné (2 à 3 % d’inclinaison)

Cuisson

Le cru va suivre différentes étapes de transformation lors de sa lente (La Lente est une rivière de la Toscane.) progression dans le four, vers la partie basse, à la rencontre de la flamme. Cette source de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) est alimentée au charbon broyé, fuel lourd, gaz, ou encore en partie avec des combustibles de substitution provenant d'autres industries, tels que le coke de pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de cette énergie fossile est l’un des piliers de l’économie industrielle contemporaine, car le pétrole fournit la...), les pneus usagés, les farines animales, les huiles usagées.

La température nécessaire à la clinkerisation est de l'ordre de 1 450 °C. L'énergie consommée se situe entre 3 200 et 4 200 kJ par tonne ( La tonne représente différentes unités de mesure ; Une tonne est un grand et large tonneau ; Une tonne-pompe est un fourgon d'incendie ; En zoologie,...) de clinker, qui est le produit semi fini obtenu à la fin du cycle de cuisson. Il se présente sous forme de granules grises.

À la sortie du four, le clinker doit être refroidi et broyé avant d'être entreposé dans des silos.

Le clinker est le résultat d'un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) de réactions physico-chimiques progressives (clinkerisation) permettant :

  • La décarbonatation du carbonate de calcium (donnant la chaux vive)
  • La scission de l'argile en silice et alumine
  • La combinaison de la silice et de l'alumine avec la chaux pour former des silicates et des aluminates de calcium.

Refroidissement

Dans le cas des ciments gris, le clinker est refroidi, dans la plupart des cimenteries actuelles, par un refroidisseur à grilles:

  • le clinker va progresser à l'intérieur du refroidisseur grâce aux à-coups répétés des grilles sur lesquelles il repose,
  • au travers des grilles, de puissants ventilateurs vont souffler sous le clinker afin de le refroidir,
  • à l'entrée ou à la sortie du refroidisseur, selon le modèle utilisé, un concasseur à un ou plusieurs rouleaux va le broyer de manière grossière.

Dans le cas du ciment blanc, plus fragile que le gris car il doit rester immaculé, un refroidisseur rotatif est inséré entre le four rotatif et le refroidisseur a grilles. Il s'agit d'un cylindre légèrement incliné qui tourne sur lui-même et à l'intérieur duquel de l'eau est pulvérisée à l'aide de multiples buses. Bien que sa composition chimique soit légèrement différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide de la trace, dans l'anneau des entiers...), c'est grâce aux refroidisseur rotatif que le ciment peut rester blanc : en effet, son rôle est de refroidir très rapidement le clinker à sa sortie du four, avant qu'il ne soit oxydé au contact de 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 avec l'altitude, il est nécessaire de...). De plus, la taille des refroidisseurs à grilles utilisés sur les lignes de ciment blanc est considérablement réduite, le refroidisseur rotatif accomplissant une partie de leur travail.

Broyage

Le clinker est ensuite finement broyé pour conférer au ciment des propriétés hydrauliques actives. Ce broyage s'effectue dans des broyeurs à boulets, dispositifs cylindriques chargés de boulets d'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de l’acier) et de la construction mécanique.) et mis en rotation.

Lors de cette étape, le gypse (3 à 5 %), indispensable à la régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se rattache au plan scientifique à l'automatique.) de prise du ciment, est ajouté au clinker. On obtient alors le ciment Portland.

Les ciments à ajouts sont obtenus par l'addition (L'addition est une opération élémentaire, permettant notamment de décrire la réunion de quantités ou l'adjonction de grandeurs extensives de même nature, comme les longueurs, les aires,...), lors de la phase de broyage, d'éléments minéraux supplémentaires contenus dans des matériaux tels que :

  • le laitier de hauts fourneaux (résidus de la sidérurgie)
  • les cendres volantes de centrales électriques
  • les fillers calcaires (granulats)
  • les pouzzolanes naturelles ou artificielles

Broyage très fin

EMC Energetically Modified Cement est un ciment produit selon un procédé breveté de broyage intense de ciment CPA avec des différentes charges, comme sable (Le sable, ou arène, est une roche sédimentaire meuble, constituée de petites particules provenant de la désagrégation d'autres roches dont la dimension est comprise entre 0,063 et 2 mm.) fin, quartzite, pouzzolane ou cendres volantes, etc. Il possède les mêmes caractéristiques physiques que les ciments portland artificiels CPA, mais avec 50% moins de ciment.

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