Téchnologie du béton K.H. Khayat

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Conférences à la licence

FABRICATION DU CIMENT ET COMPOSITION DE LA PÂTE HYDRATÉE

* Fabrication et composition du ciment Portland* Réactivité des composés du ciment * Hydratation du ciment• Structure de la pâte de ciment hydratée• Microstructure du béton

MICROSTRUCTURE ET PROPRIETES A JEUNE AGE

* L’importance de la rhéologie dans le domaine de béton* L’entraînement d’air et la résistance au gel-dégel

Kamal H. Khayat

La fabrication du ciment passe par quatre étapes

1. Obtention des matières premières

2. Préparation des matières premières

3. Cuisson du clinker

4. Mouture finale

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Sources communesdes matières premières

Chaux (CaO) 63 % +/-

- Calcaire, schiste argileux

Silice (SiO2) 22 % +/-- Argile, sable, schiste argileux

Alumine (Al2O3) 6 % +/-

- Argile, cendres volantes, schiste argileux

Fer (Fe2O3) 2,5 % +/-

- Argile, minerai de fer

Calcium Fer Silice Alumine SulfateAragoniteCalcitePoussière de four

à cimentCalcaire à cimentCraieArgileTerre à foulonsCalcaireMarbreMarneCoquillagesSchisteLaitier

Poussière de haut-fourneau

ArgileMinerai de ferLavage de

mineraisCendre de pyriteSchiste

Silicate de calciumCalcaire à cimentArgileCendre volanteTerre à foulonsCalcaireLoessMarneLavage des mineraisQuartziteCendre d’écorce de rizSableGrèsShaleLaitierTrapp

Aluminum-ore refuse

BauxiteCalcaire à cimentArgileCopper slagCendre volanteTerre de FullerGranodioriteCalcaireLoessLavage des

mineraisShaleLaitierStaurolite

AnhydriteSulfate de

calciumGypse

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Composés typiquesNom Oxyde Raccourci Poids %

Chaux CaO C 63%

Silice SiO2 S 22%

Alumine Al2O3 A 6%

Oxyde ferrique Fe2O3 F 2.5%

Magnésie MgO M 2.6%

Dioxyde de carbone CO2 C -

Eau H20 H -

Trioxyde de soufre S03 S 3%

Oxydes de sodium et de potassium 0,3 à 1%

COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND

Nom du produit Abréviation

CaO Chaux (vive = combinée,libre = non-combinée) C

SiO2 Silice SAl2O3 Alumine AF2O3 Oxyde de fer FMgO Magnésie MSO3 Oxyde de soufre SH2O Eau HCa(OH)2 Chaux hydratée (Portlandite) CH?CaO.?SiO2.?H2O Silicate de calcium hydraté C-S-HCaSO4.2H2O (Ca).SO3.2H2O Gypse CSH2CaSO4.1/2H2O Hémihydrate CSH1/2CaSO4 Anhydrite CS

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Fabrication traditionnelle du ciment Portland

1. La pierre est d’abord réduite à une taille de 125 mm, puis 20 mm, avant d’être remisée

Concasseur primaire

Situé à la carrière

Concasse le matériau à la taille d’une balle de baseball

Le matériau est alors envoyé à un concasseur secondaire qui réduit sa taille de 20 à 125 mm

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2. Les matières premières sont réduites en poudre et mélangées

2. Préparation des matières premières

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2. Les matières premières sont réduites en poudre et mélangées

ou

2. Les matières premières sont moulues, on y ajoute de l’eau pour former une boue, puis elles sont mélangées

3. La cuisson transforme chimiquement le mélange le mélange de base pour en faire un clinker de ciment

La "farine" est introduite à l'extrémité supérieure d'un four en acier de forme cylindrique qui est incliné selon un angle de 3 à 5 degrés et qui tourne à 1-2 tpm.

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1. Longueur d'un four conventionnel ~ 160 m+ ---> cuisson ~ 2 heures. 2. Longueur d'un four conventionnel ~ 50 m -- cuisson dure 1/2 heure :* préchauffage (dessiccation d'eau libre) est fait dans un four de

préchauffage * décarbonatation (CaCO3 --->> CaO + CO2) et précalcination

(argile --->> SiO2, Al2O3 et Fe2O3) sont faites dans un four de précalcination.

Comment alimente-t-on le four?

Charbon

Huile

Gaz naturel

Déchets

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Déchets? Vieux pneus

Huile à moteur usée

Sous-produits de l’industrie papetière

Boues

Agriculture

3. La cuisson transforme chimiquement le mélange de base en clinker de ciment

CaCO3 à + 9000 C -----> CaO + CO2

Oxydes ComposésSiO2, CaO 3CaO.SiO2 (C3S);

2CaO.SiO2 (C2S)Al2O3, Fe2O3 3CaO.Al2O3 (C3A)

4CaO.Al2O3.Fe2O3

(C4AF) + impuretés

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4. Fin de cuisson

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Clinker de cimentPCA Slide

4. Le clinker et le gypse sont mélangés pour former du ciment Portland

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Fin du broyage

Broyé avec ~5% Gypsum

95% du matériau doit passer le tamis 325 microns

En quoi diffèrent les ciments?4 composés principaux

Silicate tricalcique (C3S)

Silicate bicalcique (C2S)

Aluminate tricalcique (C3A)

Aluminoferrite tetracalcique (C4AF)

Finesse Blaine (m2/kg)

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Composés chimiques - Formuleappellation cimentaire chimique

Silicate tricalcique - alite 3CaO.SiO2 C3SSilicate bicalcique - bélite 2CaO.SiO2 C2SAluminate tricalcique - célite 3CaO.Al2O3 C3AAlumino ferrite trétracalcique - ferrite 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF

Le C3S, C2S, C3A et C4AF forment plus de 90% du clinker (massique).

D'autres phases ou composés minéraux qui font partie du clinker sont :

la magnésie (MgO), la chaux libre ou vive (CaO) et les sulfates alcalins Na2SO4 et K2SO4.

C3SSilicate tricalcique 3CaO.SiO2 -“Alite”

Favorise le développement de la résistance à jeune âge

70% de réaction à 28 jours

Habituellement présent à 40-70%

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C2SSilicate bicalcique 2CaO.SiO2 -“Bélite”

Favorise le développement de la résistance à long terme

30% de réaction à 28 jours

Présent à 20-40%

C3AAluminate tricalcique

3CaO.Al2O3 -“Aluminate”

Fournit la chaleur initiale nécessaire à l’hydratation (10 à 15 F par 100 lb de ciment)

Gypse requis pour ralentir le processus…

C3A élevé pas aussi résistant aux attaques par les sulfates

Contribue peu à la résistance à long terme

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C4AFAlumino Ferrite tétracalcique

4CaO.Al2O3.Fe2O3 -“Ferrite”

Gouverne la couleur du ciment

Présent à 1-10%

Contribue peu à la résistance

Hydratation du Ciment Portland D’où vient la poudre magique que nous appelons ciment? Quelle est la composition chimique de la poudre que nous

appelons ciment Portland? Comment ces compositions chimiques réagissent-elles et

changent-elles de propriétés avec le temps? Quelles sont les réactions chimiques qui surviennent dans

le ciment Portland? Taux de réaction et cinétique de l’hydratation Microstructure

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HydratationQu’arrive-t-il quand nous ajoutons de l’eau au ciment?

Les grains de ciment se dissolvent…

se diffusent…

se précipitent…

Composés chimiques du ciment Portland

Alite – C3S – AngulaireBélite – C2S - Rond

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Micrographes de clinker

PCA Slide

Composition typique du ciment

Nom chimique Formule Abrégé Poids

Silicate tricalcique 3CaO*SiO2 C3S 50%

Silicate dicalcique 2CaO*SiO2 C2S 25%

Aluminate tricalcique 3CaO*Al2O3 C3A 12%

Aluminoferrite tétracalcique 4CaO*Al2O3*Fe2O3 C4AF 8%

Gypse CaSO4*2H2O CSH2 3.5%

Alite – C3S Belite – C2S Déterminer les matières premières “Calcul de Bogue”