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Cours Matériaux cimentaires
A. PischLCR - Lafarge Centre de Recherche
2009Cours Matériaux cimentaires
Cours Matériaux cimentaires
A. Pisch
Lafarge
n 90000 employées dans le monden Chiffres d’affaires : 19003 M€ en 2008 (3542 M€)n 2000 sites de production dans 76 paysn ciment, granulats : N°1 mondiale (Holcim, Cemex,…)n béton, plâtre : N°3 mondiale n 57% ciment, 35% béton et granulats, 8% plâtren Centre de Recherche (Isle d’Abeau) : 220 chercheurs,
techniciens et administratifs
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A. Pisch
Ciment – Mortier - Béton
n C’est quoi ?
+ eau coulis, pâte
+ sablemortier
+ granulatsbéton
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A. Pisch
Liant hydraulique
n Definition :
Un liant hydraulique est un liant qui se forme et durcit par réaction chimique avec de l’eau et est aussi capable de le faire sous l’eau.
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A. Pisch
Liants hydrauliques
n Ciments (OPC ordinary portland cement, aluminates)n Laitiers de haut fourneauxn Cendres volantesn Pouzzolanes
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A. Pisch
Liants hydrauliques
Pouzzolane = roche volcanique de Pouzzoles à coté de Naples (Italie)
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A. Pisch
n Du béton : pour quoi faire ?
o Réussites, échecs, préjugés, …o Génie civil,o Architecture, o Urbanisme, o Environnemental …
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A. Pisch
Viaduc de Millau35000 t de ciment
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A. Pisch
« À la Courneuve, y'a pas d'écoles, y'a qu'des prisons et du béton »Renaud
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A. Pisch
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A. Pisch
n Le béton : quelques chiffres
o Le matériau fabriqué en plus grande quantité par l’homme
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A. Pisch
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A. Pisch
n Composition béton courant :
o Pour 1 m3 :
o Gravillons calcaires 12.5/50 777 kgo Gravillons calcaires 4/12.5 415 kgo Sable 0/5 744 kgo Ciment CEM I 52,5N 353 kgo Eau 172 kgo Fluidifianto Total 2461 kg
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n 1/ du béton pour le remplissage (volume)
o On parle en tonnes de cimento On parle en m3 de béton
n 2/ du béton pour les résistances à la compression
o Béton courant :o 1 jour : 5 MPao 7 jours : 20 MPao 28 jours : 30 MPao 90 jours : 40 MPa
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granulats
pâte de ciment durcie
sable
n Le béton : matériau homogène, hétérogène ?o À l’échelle du cm / mm :
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ciment anhydre
hydrates
porosité
n Le béton : matériau homogène, hétérogène ?o À l’échelle du mm / 10µm : o ciment anhydre et porosité dans un milieu apparemment continu,
les hydrates du ciment
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Béton fibré( fibres d’acier + fibres minerales)
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pore
hydratesfaiblementcrystallisés
(C-S-H)
ettringite
Microscopeélectroniqueà balayage
portlandite
n Le béton : matériau homogène, hétérogène ?o À l’échelle du 10µm / 1µm : o cristaux, hydrates faiblement cristallisés et pores
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Ettringite (3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O)
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A. Pisch
C-S-H : Calcium silicate hydrates
Diffraction pattern exibits similarreflexions to these observedof tobermorite
100 nm
Diffraction Pattern of C-S-H
Conventional TEM image of C-S-H
CSH after annealing treatment (120 °C for 50 hours)
1,83 Ang
3,08 Ang
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C-S-H : Calcium silicate hydrates
0.7 nm
tétraèdres Si
plan de CaO
tétraèdres Si
TEM haute résolution
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A. Pisch
1 µm - 10 nm : porosité, et les hydrates faiblement cristallisés de la pâte de ciment apparaissent comme un assemblage de petites particules
Les hydrates de la pâte de ciment
porosité
Particuled’hydrate
Microscopeà Force Atomique
(Nonat, Journée Technique de l’Industrie Cimentière, Paris, 1998)
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Béton – un matériaux poreux multi-échelle
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A. Pisch
n Le béton : matériau homogène, hétérogène ?o Multi-phasiqueo Multi-échelle
n Le béton : un matériau évolutif :
o Du gâchage : une suspension concentrée de grains de ciment dans l’eau
o Au matériau durci : un milieu constitué d’un assemblage rigide :
o de grains anhydres o de grains d’hydrates 10 nmo et de pores
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A. Pisch
Histoire : Le ciment, son évolution
Matériau lié à l’habitatFacteurs climatiques, géographiquesDisponibilité des matériaux (bois, boue, paille, pierres…)Maîtrise de températures élevées
20 0000 ACCivilisation de chasse � économie de cueillette (grottes, souterrains…)Économie de cueillette � agriculture
5000 ACNil, Euphrate, Indes : construction de roseaux et argileSud Balkans : construction de terre cuiteAssyrie : brique moulée
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A. Pisch
3000 ACMésopotamie: brique + bitume (béton)
2800 ACFondation de l’Égypte : ne connaissent plus la terre cuite,connaissance du verre
2600 ACLes pyramides : plâtre, chaux
2500 ACDécouverte du bronze
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Empire romain : le ciment romain = chaux + pouzzolanes/tuiles(pulvis Puteolanum, Pozzuali)
2000 AC
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A. Pisch
1785James Parker : utilité du couple calcaire / argile = marne
quatre type de chaux:chaux grasses, non hydrauliqueschaux hydrauliqueschaux éminemment hydrauliqueschaux limites
1812Louis Vicat : mélange artificiel1824Joseph Aspdin: brevet ciment « Portland » (ressemblance avec pierre de la carrière à Portland, sud de l’Angleterre)1845Johnson : température élevée, industrialisation1887Henri Le Chatelier : explication mechanisme de prise : dissolution et precipitation1900Bied : ciment alumineux
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Physico-chimie du ciment
n Nomenclature cimentièreo C= CaOo S= SiO2
o A= Al2O3
o F= Fe2O3
o f = FeOo S = SO3
o K= K2Oo N= Na2O o H = H2O o C= CO2
o C3S= silicate tricalcique = 3 CaO, SiO2 = Ca3SiO5
o C12A7 = heptaaluminate dodecalciqueo nom du minéral = ettringite
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Silicates C3SC2S
Aluminates C3AC4AF
Mechanical performances of different mineralogical phases
Comparison of compressive strength of cement constituents(Bogue & Lerch)
���� C3S = the most interesting phase
Time (days)
Co
mp
ress
ive
Str
eng
hth
(MP
a)
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CaO – SiO2
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C3S
C + C2S = C3S
At 1300°C :
∆fH = +8790 J/moles∆fG = -1094 J/moles
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CaO – SiO2
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C2S
2 C + S = C2S
At 1300°C (Bredigite) :
∆fH = -117 695 J/moles∆fG = -142 563 J/moles
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C2S
ββββ
γγγγ
αααα’L αααα’ΗΗΗΗ αααα L
650°C
840°C
1177°C 1436°C 2130°C
Polymorphisme de C2S
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A. Pisch
C2S
-5
-4
-3
-2
-1
0
700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
temperature (°C)
hea
t fl
ux
(mu
V/s
)
Heating 5K/min
840°C14300 J/mol
1425°C16800 J/mol
1170°C
γ γ γ γ −−−− αααα’L
αααα’L−−−−αααα’H
αααα’H−−−−αααα
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C2S
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
temperature (°C)
hea
t fl
ux
mu
V/s
αααα’L−−−−ββββαααα’L−−−−αααα’H
αααα’H−−−−αααα
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Calcaire
n 3 CaO + SiO2 = C3S impossible sur le plan industriel !n CaCO3 – calcairen SiO2 idéalement dans calcaires, sinon, argile
n -> matériau naturel, impuretés !
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C3S : 73.7%CaO + 26.3% SiO2 (rapport 2.8)
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Argiles
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Argiles
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CaO – Al2O3
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CaO – SiO2 - Al2O3
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CaO – Al2O3 – Fe2O3
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CaO – SiO2 – Al2O3 – Fe2O3
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CaO – SiO2 – Al2O3 – Fe2O3
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DSC cru Portland
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
Temperature (°C)
Hea
t F
low
(µV
/g)
Portland
décarbonatation
réaction
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DSC cru Portland
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500
Temperature (°C)
Hea
t F
low
(µ
V/g
)
Portland
2C+S=C2S
C2S+C=C3S
C3A, C4AF = liq
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A. Pisch
DSC cru Portland
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400
Temperature / °C
Hea
t F
Lo
w /
µV
Liq = C3A, C4AF, C2S
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Production de ciment
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Carrière : usine Le Teil (Ardèche)
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Chevron type
Prehomogenization
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Prehomogenization
Backward Forward
StackerBelt conveyor
“Zig-Zag layering”
A
A’
section A-A’
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Prehomogenization - Reclamation
Reclaiming direction Digging front
Bucket wheelreclaimer
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Production clinker de ciment
n Contrôle qualité pour une bonne compositiono Analyse des matière premièreso Cible de composition en utilisant formules théoriqueso Mesures de contrôles
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A. Pisch
Control chimique : formules de Bogue
C4AF = F
C3A = A-F
C3S = C-2S-3A-F
C2S = -C+3S+3A+F
Formules originales de Bogue en 1929à partir des diagrammes de phases
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Control chimique : formules de Bogue
C3S = 4.0710CaO -7.6024SiO2 -6.7187Al2O3 -1.4297Fe2O3
C2S = -3.0710CaO +8.6024SiO2 +5.0683Al2O3 +1.0785Fe2O3
C3A = 2.6504Al2O3 -1.6920Fe2O3
C4AF = 3.0432Fe2O3
Transformations linéaires des mesures de C, S, A, F
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A. Pisch
Taylor’s averaged clinker phase compositions, based on a wide range of microprobe analyses(Advances in Cement Research, 1989)
mass%: Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 SO3 K2O CaO TiO2 Mn2O3 Fe2O3
Alite 0.1 1.1 1.0 25.2 0.2 0.0 0.1 71.6 0.0 0.0 0.7
Belite 0.1 0.5 2.1 31.5 0.2 0.1 0.9 63.5 0.2 0.0 0.9
Aluminate 1.0 1.4 31.3 3.7 0.0 0.0 0.7 56.6 0.2 0.0 5.1
Ferrite 0.1 3.0 21.9 3.6 0.0 0.0 0.2 47.5 1.6 0.7 21.4
Phase \\ mass%: Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 SO3 K2O CaO TiO2 Mn2O3 Fe2O3
Aluminate (WPC) 0.4 1.0 33.8 4.6 0.0 0.0 0.5 58.1 0.6 0.0 1.0
Ferrite (SRPC) 0.1 2.8 15.2 3.5 0.0 0.0 0.2 46.0 1.7 0.7 29.8
Phase \\ mass% : Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 SO3 K2O CaO TiO2 Mn2O3 Fe2O3
“Alkali-Aluminate” 0.6 1.2 28.9 4.3 0.0 0.0 4.0 53.9 0.5 0.0 6.6
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Modified Bogue calculation based on microscopic studies of industrial clinkers
(Cariou & Sorrentino, ICMA proceedings, 1988)
% alite = +5.17CaO -7.62SiO2 -5.79Al2O3 -3.12Fe2O3 +4.27MgO +12.8Rl -71.42
% belite = -4.59CaO +9.21SiO2 +4.87Al2O3 +2.74Fe2O3 -4.70MgO -16.73Rl +89.42
% aluminate = 2.02Al2O3 -1.62Fe2O3 -1.52MgO +1.49Rl +1.49
% ferrite = 2.69Fe2O3 +1.61MgO -4.62
% periclase = 0 si MgO < 2%, et = (MgO -2%) si MgO > 2%
avec:
CaO = total CaO -free CaO -1.27CO2 -0.7SO3 -0.85 sol. K2O -1.29 sol. Na2O
Rl = “alcalins réseau”
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Cuisson d’un cru de ciment
n Température optimale de cuissono Composition chimique
n Cinétique de cuisson (« aptitude à la combinaison »)o Composition chimiqueo Type de matière premièreo Homogénéité du mélange
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Aide à la combinaison
n Chimie :o Phase liquide (A,F,M,SO3,…)
n Physique :o Broyage : particules fines sont plus réactifs !
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Lifting Liners
Classifying liners
Chamber 1
Chamber 2
Intermediate partition
Outlet partition
Compound Ball Mill
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Grinding Table
Grinding Roller
Feed Material
HE Separator
Air or Hot Gases
Fine Product
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Distribution granulométrique d’un cru
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Influence of particle sizing$
$
$ $ $ $ $$ $
MINIMUMCost
$ $ $
$ $
$ $
$ $ $ $
Raw Mix Grinding
Burning
Raw mix fineness atminimum cost point
$
CementGrinding