contribution a l'etude d'elaboration de ciments a …

Thèse présentée par

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pour obtenir le grade de

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Soutenue le 17 Octobre 2005, devant le Jury composé de :

Président : Pr. RANDRIANOELINA Benjamin

Rapporteurs : Pr. RAKOTOMARIA Etienne

Pr. RANDRIANJA Roger

Examinateurs : Pr. RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo

Pr. RASOARAHONA Jean

2005

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE

��0000�� DEPARTEMENT SCIENCES DES MATERIAUX

ET METALLURGIE

CONTRIBUTION A L'ETUDE D'ELABORATION

DE CIMENTS A HAUTE RESISTANCE A MADAGASCAR ACTIONS SUR LE MELANGE CRU

Aux trois Dames de ma vie :

� Ma Femme Bakoly,

� Mes Filles Ieja et Nasaina

En témoignage d’amour et de reconnaissance

I

REMERCIEMENTS

Cette thèse a pu voir le jour grâce aux concours de plusieurs personnes. Je saisis ici l’occasion

qui m’est offerte pour leur exprimer ma profonde reconnaissance.

J’adresse mes plus vifs remerciements :

• Au Professeur RANDRIANOELINA Benjamin, Directeur de l’Ecole Supérieure Polytechnique

d’Antananarivo, pour le grand honneur qu’il me fait en présidant le jury de cette soutenance.

• Aux membres de jury qui ont accepté avec sympathie d’examiner ce travail et de siéger à ma

soutenance :

- Professeur RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo,

- Professeur RASOARAHONA Jean.

Qu’ils trouvent ici l’expression de mes sentiments les meilleurs.

• A mes Directeurs de thèse :

- Professeur RAKOTOMARIA Etienne, il a beaucoup apporté à la réalisation de ce

travail. Les aides et les conseils qu’il m’a prodigués tout au long de ma carrière ont

constitué pour moi les meilleurs de tous les encouragements. Qu’il trouve ici le

témoignage de mon indéfectible gratitude.

- Professeur RANDRIANJA Roger qui m’a encouragé, conseillé et soutenu. Je tiens à lui

exprimer toute ma reconnaissance.

Je ne saurais oublier l’ancienne équipe de l’ex SOMACIM, plus particulièrement Madame

RAZANAMPARANY Fara, Ingénieur – qualité de la société. Mille fois merci pour la franche

collaboration que vous avez témoignée à mon égard.

II

Je saisis l’opportunité qui m’est donnée pour exprimer ma profonde gratitude aux responsables

des différents laboratoires chez qui j’ai pu commencer mes travaux :

- Laboratoire de Chimie minérale de l’ESPA,

- Laboratoire de Mécanique des sols de l’ESPA

- Laboratoire National des Travaux Publics et des Bâtiments,

- Les laboratoires de l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon France.

- Les laboratoires « Turkiye Cimento Mustahsilleri » d’Ankara Turquie.

Enfin, je présente mes meilleurs remerciements à tous ceux qui, de près ou de loin, ont contribué

à la réalisation de ce travail. Qu’ils trouvent ici l’expression de ma profonde gratitude.

III

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 01 : Les différentes phases du clinker 9

Tableau 02 : Caractéristiques des six variétés de C3S 10

Tableau 03 : Caractéristiques des cinq variétés de C2S 10

Tableau 04 : Les cinq types de ciments courants 15

Tableau 05 : Classes de résistance 15

Tableau 06 : Les différents types de ciments de la norme NF EN 197-1 16

Tableau 07 : Correspondance entre anciennes et nouvelles désignations des ciments 17

Tableau 08 : Composition chimique moyenne des ciments (en % massique) 21

Tableau 09 : Composition minéralogique moyenne des ciments (en % massique) 25

Tableau 10 : Domaines d’utilisation des différents types de ciments 29

Tableau 11 : Température de déshydratation de quelques minéraux argileux 43

Tableau 12 : Composition chimique des matières premières de base en % massique 64

Tableau 13 : caractéristiques physiques des matières premières de base 64

Tableau 14 : Données sur les combustibles 64

Tableau 15 : Composition chimique des ajouts (en % pondéral) 69

Tableau 16 : caractéristiques physiques des ajouts 69

Tableau 17 : Composition chimique des minéralisateurs (en % pondéral) 73

Tableau 18 : Composition chimique du CPA 45 témoin (en % pondéral) 77

Tableau 19 : Valeurs requises du CPA 45 témoin 77

Tableau 20 : Caractéristiques physiques et mécaniques du CPA 45 témoin 77

Tableau 21 : Composition minéralogique du CPA 45 témoin (en % pondéral) 78

Tableau 22 : Composition des farines crue (en % pondéral) (Suivant la teneur en CaCO3 visée) 82

Tableau 23 : Composition chimique des farines crues (en % pondéral) 83

Tableau 24 : Modules des farines crues 83

Tableau 25 : Composition chimique des clinkers (en % pondéral) 83

Tableau 26 : Teneurs en C3S et en chaux libre des clinkers (en % pondéral) 83

IV

Tableau 27 : Résistance à la compression simple des ciments, à 28 jours (en MPa) 84

Tableau 28 : Caractéristiques physiques des ciments 84

Tableau 29 : Modules des farines crues corrigées 86

Tableau 30 : Composition des farines crues corrigées (en % pondéral) 86


Tableau 32 : Composition minéralogique des clinkers (en % pondéral) 87

Tableau 33 : Teneur en chaux libre et poids au litre des clinkers 87

Tableau 34 : Caractéristiques physiques des ciments 87

Tableau 35 : Résistance à la compression à 28 jours des ciments (en MPa) 88

Tableau 36 : Composition des crus industriels gypsés (en % pondéral) 94

Tableau 37 : Composition chimique des crus industriels gypsés (en % pondéral) 94

Tableau 38 : Modules des crus industriels gypsés 94

Tableau 39 : Composition chimique des clinkers industriels gypsés (en % pondéral) 95

Tableau 40 : Composition minéralogique des clinkers industriels gypsés (en % pondéral) 95

Tableau 41 : Teneur en chaux libre et poids au litre des clinkers « gypsés » 96

Tableau 42 : Caractéristiques des ciments « gypsés » 96

Tableau 43 : Résistance à la compression à 28 jours des ciments « gypsés » 96

Tableau 44 : Valeurs requises des mélanges crus 111

Tableau 45 : Composition des mélanges crus (en % pondéral) 112

Tableau 46 : Composition chimique des mélanges crus (en % pondéral) 112


Tableau 48 : Composition minéralogique des clinkers (en % pondéral) 113

Tableau 49 : Résistance à la compression à 28 jours sur pâte pure (en MPa) 113

Tableau 50 : Composition des crus gypsés et teneur en SO3 (en % pondéral) 117

Tableau 51 : Composition chimique des crus gypsés et corrigés (en % pondéral) 117

Tableau 52 : Composition chimique des clinkers gypsés (en % pondéral) 118

Tableau 53 : Composition minéralogique des clinkers gypsés (en % pondéral) 118

Tableau 54 : Résistance à la compression sur pâte pure à 28 jours (en MPa) 119

Tableau 55 : Points (C3S – CaO libre) pour les crus gypsés 123

V

Tableau 56 : Compositions des mélanges crus (en % pondéral)(Activation par SO3 et MgO) 126

Tableau 57 : Composition chimique des mélanges crus (en % pondéral)(Activation par SO3 et MgO) 127

Tableau 58 : Composition chimique des clinkers (en % pondéral) (Activation par SO3 et MgO) 128

Tableau 59 : Composition minéralogique des clinkers (en % pondéral) (Activation par SO3 et MgO) 129

Tableau 60 : Résistance mécanique (en MPa)(Activation par SO3 et MgO) 129

Tableau 61 : Points (C3S – CaO libre) – Activation par SO3 et MgO 135

Tableau 62 : Composition des mélanges crus et teneur en CaF2 (en % pondéral) 138

Tableau 63 : Composition chimique des mélanges crus en % pondéral(Activation par la fluorine) 138

Tableau 64 : Composition chimique des clinkers en % pondéral (Activation par la fluorine) 139

Tableau 65 : Composition minéralogique des clinkers en % pondéral(Activation par la fluorine) 139

Tableau 66 : Résistance à la compression sur pâte pure à 28 jours (en MPa) (Activation par la fluorine) 139

Tableau 67 : Points (C3S – CaO libre) pour les crus activés par la fluorine 143

Tableau 68 : Résultats de l’essai d’activation thermique (∆T/∆t ≈ 300 °C/mn) 147

Tableau 69 : Teneur en chaux libre en fonction du temps de broyage (en % pondéral) 151

Tableau 70 : Temps de séjour en minutes (pour avoir CaO libre ≈ 2 %) en fonction du temps de broyage

151

Tableau 71 : Résistance à la compression à 28 jours en MPa en fonctiondu temps de broyage 151

Tableau 72 : Composition des ciments (en % pondéral) 157

Tableau 73 : Caractéristiques de la poudre 158

Tableau 74 : Caractéristiques mesurées sur pâte ou mortier normal 158

Tableau 75 : Composition chimique des ciments (en % pondéral) 159

Tableau 76 : Composition minéralogique des ciments (en % pondéral) 160

Tableau 76 : Résultats des essais de compression (en MPa) 172

Tableau 77 : Résultats des essais de traction (en MPa) 172

VI

LISTE DES FIGURES

Figure 01 : Utilisations possibles des ciments de la classe 35 (Source SOMACIM) 30

Figure 02 : Utilisations possibles des ciments de la classe 45 ou plus(Source SOMACIM) 31

Figure 03 : Installations pour procédé par voie sèche 34

Figure 04 : Installations pour procédé par voie semi – sèche(Cas de la cimenterie d’Ibity) 35

Figure 05 : Schéma du procédé de fabrication par voie sèche et semi – sèche 36

Figure 06 : Installations pour procédé à voie humide(Cas de la cimenterie d’Amboanio) 37

Figure 07 : Schéma du procédé de fabrication par voie humide et semi – humide 38

Figure 08 : Diffractogramme X du Cipolin 65

Figure 09 : Spectrogramme IR du Cipolin 65

Figure 10 : Diffractogramme X de l’Argile 66

Figure 11 : Spectrogramme IR de l’Argile 66

Figure 12 : Diffractogramme X du charbon de SAKOA 67

Figure 13 : Spectrogramme IR du charbon de SAKOA 67

Figure 14 : Diffractogramme X des Cendres de balles de riz CBR 70

Figure 15 : Spectrogramme IR des Cendres de balles de riz CBR 70

Figure 16 : Diffractogramme X de la Latérite 71

Figure 17 : Spectrogramme IR de la Latérite 71

Figure 18 : Diffractogramme X du Gypse 74

Figure 19 : Courbe d’ATD du Gypse 74

Figure 20 : Diffractogramme X de la Fluorine 75

Figure 21 : Spectrogramme IR de la Fluorine 75

Figure 22 : Diffractogramme X du CPA 45 témoin 78

Figure 23 : Spectrogramme IR du CPA 45 témoin 78

Figure 24 : Variation de la chaux libre en fonction de MS 89

Figure 25 : Degré de combinaison de la chaux en fonction de MS 89

Figure 26 : Evolution de la teneur en alite en fonction de MS 90

VII

Figure 27 : Variation de la résistance en fonction de MS 91

Figure 28 : Relation entre résistance mécanique et teneur en alite 92

Figure 29 : Evolution de la teneur en chaux libre en fonction de la quantité de gypse ajoutée 97

Figure 30 : Evolution du degré de combinaison de la chaux en fonction de la quantité de gypse ajoutée 98

Figure 31 : Evolution de la teneur en alite en fonction de la quantité de gypse ajoutée 98

Figure 32 : Evolution du poids au litre du clinker en de la quantité de gypse ajoutée 100

Figure 33 : Evolution de la résistance mécanique en de la quantité de gypse ajoutée 100

Figure 34 : Relation entre teneur en alite et résistance mécanique 103

Figure 35 : Chronogramme du traitement thermique 110

Figure 36 : Variation des critères de sélection : CaO libre, C3S et Rc 114

Figure 37 : Evolution de la teneur en alite en fonction de la quantité de gypse ajoutée 120

Figure 38 : Evolution de la teneur en chaux libre en fonction de la quantité de gypse ajoutée 121

Figure 39 : Evolution de la résistance à la compression en fonction 122

de la quantité de gypse ajoutée (essais sur pâte pure)

Figure 40 : Critères de choix de la teneur optimale en SO3 123

Figure 41 : Evolution du rapport SO3/MgO dans les crus gypsés, additionnés de dolomie 127

Figure 42 : Influence de l’addition de dolomie sur la teneur en alite 130

Figure 43 : Influence du rapport SO3 / MgO sur la teneur en alite 131

Figure 44 : Influence de l’addition de dolomie sur la teneur en chaux libre 132

Figure 45 : Influence du rapport SO3 / MgO sur la teneur en chaux libre 132

Figure 46 : Influence de l’addition de dolomie sur la résistance mécanique 133

Figure 47 : Influence du rapport SO3 / MgO sur la résistance mécanique 134

Figure 48 : Critères de choix de la valeur du rapport SO3 / MgO 135

Figure 49 : Evolution de la teneur en alite en fonction de la quantité de fluorine ajoutée 140

Figure 50 : Evolution de la teneur en chaux libre en fonction de la quantité de fluorine ajoutée 141

Figure 51 : Evolution de la résistance à la compression en fonction 142

de la quantité de fluorine ajoutée (essais sur pâte pure)

Figure 52 : Choix de la teneur optimale en CaF2 143

Figure 53 : Evolution de la teneur en alite en fonction de la durée de cuisson (activation thermique) 148

VIII

Figure 54 : Evolution de la teneur en chaux libre en fonction de la durée de cuisson 149

Figure 55 : Evolution du degré de combinaison de la chaux fonction de la durée de cuisson 149

Figure 56 : Evolution du degré de combinaison de la chaux fonction de la durée de cuisson 149

Figure 57 : Evolution de la teneur en chaux libre en fonction de la durée du broyage 152

Figure 58 : Evolution du temps de séjour en fonction de la durée du broyage 153

Figure 59 : Evolution de la résistance mécanique en fonctionde la durée du broyage 153

Figure 60 : Diffractogrammes X de CM3 anhydre et de son produit d’hydratation à 28 jours 163

Figure 61 : Diffractogrammes X de CM2 anhydre et de son 164

produit d’hydratation à 28 jours

Figure 62 : Diffractogrammes X de CM1 anhydre et de son 165


Figure 63 : Diffractogrammes X de CPA 45 anhydre et de son 166


Figure 64 : Spectres IR des produits d’hydratation à 28 jours 167

Figure 65 : Courbes d’ATD des produits d’hydratation à 28 jours 167

Figure 66 : Evolution de la résistance en compression 173

en fonction du temps

Figure 67 : Evolution de la résistance en traction 173


IX

LISTE DES PHOTOS

PHOTO 01 : Vue générale – petits hydrates ( x 1000) 168

PHOTO 02 : Ettringite (x 10 000) 168

PHOTO 03 : CSH ( x 4 500) 169

PHOTO 04 : Ettringite (x 10 000) 169

PHOTO 05 : CSH (x 10 000) 170

PHOTO 06 : C4AH13 ( x 6 000) 170

X

NOTATION DES CIMENTIERS

La notation simplifiée utilisée dans le texte est celle adoptée par les cimentiers pour

facilité d’écriture, et dénommée couramment «NOTATION DES CIMENTIERS » :

C : CaO

S : SiO2

A : Al2O3

F : Fe2O3

H : H2O

_ C : CO2 _ S : SO3

Exemples :

Ca(OH)2 ou CaO.H2O → CH

Al2O3,2SiO2 → AS2

CaO,SiO2.H2O → CSH

2CaO,Al2O3,SiO2.8H2O → C2ASH8

3CaO,Al2O3.6H2O → C3AH6

3CaO,SiO2 → C3S

2CaO,SiO2 → C2S

3CaO,Al2O3 → C3A

4CaO,Al2O3,Fe2O3 → C4AF

2CaO,Fe2O3 → C2F

SOMMAIRESOMMAIRESOMMAIRESOMMAIRE

REMERCIEMENTS I LISTE DES TABLEAUX III LISTE DES FIGURES VI LISTE DES PHOTOS IX NOTATION DES CIMENTIERS X INTRODUCTION 1 PREMIERE PARTIE:GENERALITES & RAPPELS BIBLIOGRAPHIQ UES Chapitre 01 : L'INDUSTRIE CIMENTIERE À MADAGASCAR 4 1. HISTORIQUE ET SITUATION ACTUELLE 4

1.1. Cimenterie d'Amboanio 4

1.2. Cimenterie d'Ibity 5

2. LE CALCAIRE A MADAGASCAR 6

3. L'ARGILE A MADAGASCAR 7

4. CONCLUSION 7 Chapitre 02 : GENERALITES SUR LES CIMENTS 8

1. DEFINITION 8

1.1. Les ciments 8

1.2. Les ciments à hautes résistances 8

2. LES CONSTITUANTS DU CIMENT 8

2.1. Le clinker 9

2.1.1. Alite – Silicate tricalcique 9

2.1.2. Bélite – Silicate bicalcique 10

2.1.3. Aluminate tricalcique 10

2.1.4. Alumino-ferrite tetracalcique 11

2.2. Les autres constituants principaux 11 2.2.1. Laitier granulé de haut fourneau 11

2.2.2. Pouzzolanes naturelles 11

2.2.3. Cendres volantes 11

2.2.4. Schistes calcinés 12

2.2.5. Calcaires 12

2.2.6. Fumées de silice 12

2.3. Les constituants secondaires 12

2.4. Les additifs 13

2.5. Sulfate de calcium 13

3. NORMALISATION ET CLASSIFICATION 13

3.1. Les ciments et la normalisation 13

3.2. La norme européenne EN 197-1 14 3.2.1. Désignation et marquage 14

3.2.2. Classes de résistance 15

3.3. Les ciments de la norme NF EN 197-1 (ciments courants) 16 3.4. Les ciments qui font l’objet d’autres normes 18

3.4.1. Ciment de laitier à la chaux (CLX) 18

3.4.2. Ciment à maçonner (CM) 18

3.4.3. Ciment naturel (CN) 18

3.4.4. Ciment sursulfaté (CSS) 18

3.4.5. Ciment prompt naturel (CNP) 19

3.4.6. Ciment alumineux fondu (CA) 19

3.5. Ciments à caractéristiques complémentaires normalisées 19

3.5.1. Ciments pour travaux à la mer (PM) 19

3.5.2. Ciments à teneur en sulfures limitée (CP) 20

3.5.3. Les ciments pour travaux en eaux à haute teneur en sulfates 20 4. CARACTERISTIQUES DES CIMENTS 20

4.1. Caractéristiques chimiques et minéralogiques 20

4.1.1. Composition chimique élémentaire 20

4.1.2. Hydraulicité 21

4.1.3. Chaux de saturation 21

4.1.4. Modules et valeurs requises 22

4.1.5. Composition minéralogique – Formule de BOGUE 23

4.1.6. Chaux libre : 26

4.2. Caractéristiques physiques 26

4.2.1. Couleur 26

4.2.2. Finesse de mouture 26

4.2.3. Densités 26 4.2.4. Début de prise 27

4.2.5. Expansion 27

4.2.6. Retrait 27

4.2.7. Eau de consistance normale 28

4.3. Caractéristiques mécaniques 28

5. DOMAINES D’UTILISATION 28 Chapitre 03 : FABRICATION DU CIMENT 32

1. APERÇU GENERAL 32

2. LES DIFFERENTES ETAPES DE LA FABRICATION 33

2.1. Approvisionnement en matières premières 33

2.2. Dosage du mélange cru 39

2.2.1. Objectifs 39

2.2.2. Calcul du mélange cru 39

2.3. Préparation du cru 41

2.4. Cuisson du cru 41

2.4.1. Aperçu sur les principales réactions mises en jeu lors de la cuisson 42

2.4.2. Déshydratation des minéraux argileux 42 2.4.3. Décarbonatation 43

2.4.4. Réactions entre solides 44

2.4.5. Réactions en présence de matière fondue - clinkerisation 44 2.5. Traitement du clinker - conditionnement 45

3. EVALUATION DES PRODUITS - CONTROLES DE QUALITE 45

3.1. Evaluation du clinker 46

3.2. Evaluation du ciment 47

4. FACTEURS INTERVENANT SUR LA FABRICATION DU CLINKER 47

4.1. Composition du cru 47

4.2. Teneurs en éléments secondaires 48

4.3. Composition minéralogique du cru 49

4.4. Composition granulométrique 49

4.5. Homogénéité 49

4.6. Activation chimique 50 4.7. Activation thermique 50

4.8. Activation mécanique 51 Conclusion 52 DEUXIEME PARTIE: ETUDE EXPERIMENTALE Chapitre 01 : METHODES EXPERIMENTALES 53

1. CARACTERISTIQUES PHYSIQUES 53

1.1. Teneur en eau naturelle 53

1.2. Limites d'Atterberg 53

1.3. Densités 54

1.4. Granulométrie 55

1.5. Surface spécifique 56

1.6. Porosité 57

1.7. Début de prise 57

1.8. Retrait 57

1.9. Expansion 58

2. CARACTERISTIQUES CHIMIQUES ET MINERALOGIQUES 58 2.1. Analyse chimique 58

2.2. Diffraction des rayons X DRX 58

2.3. Spectrométrie Infra Rouge SIR 59

2.4. Analyse thermique différentielle ATD 60

2.5. Microscopie électronique à balayage 60

3. CARACTERISTIQUES MECANIQUES 61

3.1. Principe 61

3.2. Coulage et conservation des éprouvettes 61 Chapitre 02 : CARACTERISTIQUES DES MATIERES PREMIER ES 63

1. LES MATIERES PREMIERES DE BASE 63

1.1. Expression des résultats 63

1.2. Interprétation 68

2. LES AJOUTS 69

2.1. Expression des résultats 69 2.2. Interprétation 72

3. LES MINERALISATEURS 73



4. LE CPA 45 TEMOIN 76


4.2. Interprétation 79 Chapitre 03: CONTRIBUTION AUX ETUDES SUR L'AMELIOR ATION DE LA QUALITE D'UN CLINKER INDUSTRIE L 80

1. PRESENTATION DE L'ETUDE 80

2. FABRICATION DE CLINKER PAR LES METHODES DE L'USINE 81

2.1. Calcul du mélange cru 81



3. CORRECTION DE LA COMPOSITION DU CRU INDUSTRIEL 85

3.1. Expression des résultats 86 3.1.1. Composition des farines crues corrigées 86

3.1.2. Caractéristiques des clinkers et des ciments 86


4. ESSAI DE GYPSAGE DU MELANGE CRU INDUSTRIEL 93



5. CONCLUSION 104 Chapitre 04: ELABORATION DE CLINKERS RICHES EN ALI TE ET A FAIBLE TENEUR EN CHAUX LIBRE 105


2. CHOIX DES PARAMETRES TECHNIQUES DE FABRICATION 106

2.1. Finesse de mouture 107

2.2. Homogénéisation 108

2.3. Préparation de la matière à cuire 108

2.4. Chronogramme du traitement thermique 109

3. DETERMINATION DE LA COMPOSITION OPTIMALE 110

3.1. Principe 110 3.2. Expression des résultats 111

3.3. Choix de la composition optimale 113

4. ESSAI D'ACTIVATION CHIMIQUE 115

4.1. Activation par le gypse 116

4.1.1. Principe 116

4.1.2. Expression des résultats 116

4.1.3. Détermination de la teneur optimale en SO3 119

4.1.4. Conclusion 124

4.2. Activation par action combinée de SO3 et MgO 125 4.2.1. Principe 125


4.2.3. Détermination de la combinaison SO3 - MgO optimale 130

4.2.4. Conclusion 136

4.3. Activation par la fluorine 137

4.3.1. Principe 137


4.3.3. Détermination de la teneur optimale en CaF2 140

4.4. Conclusion 144

5. ESSAI D'ACTIVATION THERMIQUE 146

5.1. Principe 146 5.2. Expression des résultats et interprétation 147

6. ESSAI D'ACTIVATION MECANIQUE 150

6.1. Principe 150

6.2. Expression des résultats et interprétation 151

7. CONCLUSION 154 Chapitre 05: ELABORATION DE CIMENTS A HAUTE RESISTA NCE 156


2. FABRICATION DES CIMENTS 157

2.1. Principe 157

2.2. Composition des ciments 157

3. CARACTERISATION ET CONTROLE 158

3.1. Caractéristiques physiques 158

3.2. Analyse chimique 159

3.3. Analyse minéralogique 160

3.3.1. Calcul de la composition minéralogique potentiel par la formule de Bogue 160

3.3.2. Détermination qualitative des constituants des ciments 161

3.4. Identification des produits d'hydratation 161 3.5. Performances mécaniques - Classe de résistance. 171

3.6. Stabilité et durabilité 174

3.7. Conclusion 175 CONCLUSION GENERALE 176 BIBLIOGRAPHIE 178 ANNEXES 01 - Méthodes d’analyse chimique des matières premières A1 02 - Analyse chimique du Clinker et/ou du Ciment A4 03 - Norme AFNOR NF P 15-301 de 1981 – Enoncé des garanties A5 04 - Préparation du mortier – Norme NF EN 196-1 A7 05 - Préparation des éprouvettes A8 06 - Détermination du temps de prise A9 07 - Principe de fonctionnement des appareils de caractérisation A11

1

Cette étude entre dans le cadre des recherches menées au sein de l’Ecole Supérieure

Polytechnique d’Antananarivo en coopération avec le secteur privé, pour la recherche de

nouveaux matériaux ou pour l’amélioration des performances des matériaux déjà existant.

Le ciment est un des matériaux qui restent indispensables dans le domaine du génie civil et du

bâtiment. On a toujours essayé de trouver des liants qui puissent se substituer au ciment.

Plus un pays aspire au modernisme, plus il ne peut se passer de béton et donc de ciment. Plus les

ouvrages sont sollicités mécaniquement, plus les liants utilisés doivent avoir des performances

mécaniques élevées.

Les ciments à haute résistance sont des ciments dont la résistance à la compression simple des

mortiers normaux peut atteindre 80MPa. De tels ciments permettent la construction d’ouvrages

de plus en plus sollicités mécaniquement et avec un délai d’exécution écourté. En outre, ils

présentent un intérêt économique certain puisque, dans les limites techniques permises et à

résistances égales, ils sont utilisés en moindre quantité. Enfin ces ciments peuvent donner des

bétons plus étanches, donc durables, qui auront des meilleures résistances aux milieux agressifs,

en particulier l’air marin, que les bétons classiques courants.

Compte tenu de ces avantages, nous pensons qu’il serait intéressant de maîtriser la fabrication

de tels ciments à Madagascar. C’est la raison de la création d’un groupe de recherche sur le

thème « Ciments à hautes résistances » au sein du Département Sciences des Matériaux de

l’Ecole Supérieure Polytechnique.

Ils existent plusieurs méthodes qui permettent d’obtenir des ciments à hautes résistances mais

elles peuvent être classées dans deux groupes distincts :

o celles qui reposent sur une bonne préparation du mélange cru et une bonne

conduite de la cuisson ;

o celles qui agissent sur le clinker.

2

Dans ce travail qui s’intitule " Contribution à l’étude d’élaboration de ciments à haute

résistance à Madagascar – Actions sur le mélange cru" et qui a été faite en étroite

collaboration avec la SOMACIM (actuellement HOLCIM), nous essayons de définir les

conditions optimales qui permettent, en agissant sur le mélange cru, d’obtenir, un produit de

cuisson qui constitue le clinker d’un ciment à haute résistance.

Des travaux de recherche, qui ont abouti à une soutenance de thèse d’état [1], sur le même

thème mais avec une approche différente, ont été menés parallèlement à notre étude sur le

ciments à haute résistance.

Ces deux thèses constituent la contribution du Département Sciences des Matériaux et

Métallurgie de l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo à la recherche de solutions

aux problèmes liés aux liants minéraux en général et aux ciments en particulier :

o prix ;

o performances ;

o durabilité ;

o normes ;

o …

La première partie de notre travail est consacrée à un bref aperçu de l’industrie cimentière de

Madagascar et à un rappel bibliographique sur le ciment en général et sur les différentes

méthodes d’obtention de ciments à haute résistance mécanique.

La partie expérimentale comprend successivement :

o une présentation des différentes techniques expérimentales mises en œuvre lors de

cette étude ;

o la caractérisation des matières premières utilisées ;

o notre contribution, à l’échelle industrielle, à l’amélioration de la qualité des

ciments de la SOMACIM ;

o les essais, à l’échelle du laboratoire, d’obtention de ciments à haute résistance :

- choix des paramètres techniques de fabrication,

- détermination de la meilleure composition,

3

- essais d’activation chimique,

- essais d’activation thermique,

- essais d’activation mécanique.

L’étude se termine par la caractérisation et le contrôle des meilleurs ciments obtenus.

4

CChhaappii tt rree 0011 :: LLL’’’IIINNNDDDUUUSSSTTTRRRIIIEEE CCCIIIMMMEEENNNTTTIIIEEERRREEE ÀÀÀ MMMAAADDDAAAGGGAAASSSCCCAAARRR

1. HISTORIQUE ET SITUATION ACTUELLE [1]

ÀÀ l’heure actuelle, Madagascar possède deux industries cimentières :

- La SANCA (Société Anonyme de la Nouvelle Cimenterie d’Amboanio) ;

- La Holcim Madagascar (Holderbank Cimenteries).

1.1. Cimenterie d’Amboanio

Elle se situe à Amboanio, 30 Km au sud-est de Mahajanga, Commune de Boanamary,

Fivondronana de Mahajanga II. Cette cimenterie d’ Amboanio a été fondée en 1932 par

la Société de ciments française VICAT. La mise en exploitation commençait en 1934 et

l’usine produisait 20 000 tonnes au cours de cette année. ÀÀ cette époque, à cause de la

concurrence des ciments étrangers, la société a été mise en faillite en 1935.

L’usine a été rachetée par le Belge CURRIMJEE JEEWANJEE en 1936. De 1940 à

1941, la nouvelle société belge n’atteignait qu’une production de 10 000 tonnes / an.

Ceci s’expliqua par la pénurie d’approvisionnement en énergie due à la guerre ; mais au

cours de cette même guerre, les difficultés d’approvisionnement en ciment incitèrent la

société à relancer sa production.

En 1953, le Gouvernement colonial a alloué à l’usine une importante somme de 182

millions de Francs et entreprit de la faire exploiter. Plusieurs sociétés furent pressenties

et contactées. En 1956, un groupe belge relançait de nouveau l’usine et la nommait

« Compagnie Malgaches des Ciments » ; le Gouvernement colonial contribuait pour un

apport évalué à 44 millions de Francs.

De nouveau privatisée en 1993, elle portait le nom de « SANCA » (Société Anonyme de

la Nouvelle Cimenterie d’Amboanio) et le Groupe SOMIFRERES était l’actionnaire

majoritaire. ÀÀ partir du 14 Février 1997, la société LAFARGE est devenue l’actionnaire

majoritaire de la SANCA.

5

La SANCA produit actuellement 70 000 tonnes de ciments par an avec trois variétés de

produits : CM 160, CPA 32.5 et CPJ 35.

1.2. Cimenterie d’Ibity

Fondée en 1980 par l’état Malagasy avec l’accord de la Banque Mondiale et de la FMI,

elle se situe à Ibity à 25 Km d’Antsirabe. ÀÀ cette époque, elle était désignée sous le

nom de « CIMA » (Cimenterie de Madagascar).

L’installation de l’usine et le début d’exploitation de la carrière de cipolin d’Ibity ont

commencé en 1980 mais la mise en exploitation effective ne débuta qu’ en 1985. Dans

les années 87/88, la société connut des problèmes d’ordre financier et l’Etat a eu

recours à sa privatisation en 1990.

ÀÀ partir de 1990, une nouvelle marque de ciment est apparue : les ciments ABACIMAL,

du nom du propriétaire Prince ABASUBUNG. La nouvelle société, à cause de la

mauvaise qualité de ses produits, a vite fait faillite et a été reprise par ses principaux

créanciers : l’Etat Malagasy, la BNI et la JIRAMA.

Vers la fin de l’année 1994, la société a été rachetée par le HOLDERBANK dont fait

partie le groupe ORIGNY sous le nom de SOMACIM (Société Malgache des Ciments).

ÀÀ partir de 1995, la réhabilitation des installations a commencé, et la société a pu se

lancer dans de nouvelles productions. La SOMACIM produisait deux types de ciments :

CPJ 35 et CPA 45. De nouvelles marques de ciment sont apparues sur le marché : les

ciments MORAINGY.

Actuellement, la cimenterie d’Ibity appartient au puissant groupe HOLCIM et les

produits portent la marque du groupe. La HOLCIM a une capacité de production de

120 000 à 200 000 tonnes de ciments par an et propose sur le marché du CPJ 35, du

CPA 45 et dernièrement du CPJ 45.

Un projet de réhabilitation de l’usine d’Ibity, et plus particulièrement le remplacement de

toutes les installations de cuisson est actuellement en cours de réalisation.

6

En plus de ses installations d’Ibity, la HOLCIM possède une usine de traitement de

clinker importé et d’ensachage à Tamatave. Cette usine livre sur le marché du CPA 45

de marque HOLCIM.

D’autres projets sont en cours, à l’instar du projet chinois d’installation d’une usine de

traitement de clinker et d’ensachage à Ambohimanambola (Antananarivo).

2. LE CALCAIRE A MADAGASCAR [2]

L’industrie cimentière d’un pays doit être considérée en parallèle avec ses ressources

potentielles en matières premières. En effet, on ne peut penser créer une cimenterie

sans évaluer les réserves en matière de calcaire. A titre indicatif nous donnons les

gisements de calcaires dont dispose Madagascar.

Le calcaire ou pierre à chaux est très abondant à Madagascar. Selon les gisements, il

peut être très pur ou dolomitique :

- Antsiranana : réserve inépuisable, peu dolomitique, autour de la Baie de

Diégo ;

- Mahajanga : beaucoup de gisements dolomitiques sauf à Marohogo et

Amboanio (gisement exploité par la SANCA) ;

- Toliary : réserve inépuisable aux environs de Toliary, gisements exploités par

des fabricant de chaux de façon artisanale ;

- Antsirabe :

� gros gisement fortement dolomitique à Ambatofinandrahana et

Sahatany ;

� un bon gisement estimé à 10 millions de m3 à Ibity, exploité par

la CHAUMAD et la HOLCIM ;

- Ambatondrazaka : réserve constitué par de petits gisements dispersés.

7

3. L’ARGILE A MADAGASCAR Le constituant silico-alumineux généralement utilisé pour la fabrication du clinker à

ciment avec le calcaire, est l’argile naturelle. L’argile est abondante à Madagascar, mais

ne convient pas toujours à des fins cimentières.

A Madagascar, les gisements d’argile sont nombreux mais d’intérêt variable. Parmi les

plus importants, on peut citer (Source Service Géologique de Madagascar):

- les gisements de kaolin d’Ampanihy ;

- les pegmatite fortement kaolinisées dans la région d’Andilana;

- les argiles réfractaires de la plaine d’Antananarivo;

- les argiles kaoliniques d’Ambatolampy, d’Ambohimena et de Fianarantsoa ;

- les argiles sédimentaires du bassin lacustre de Mangoro ;

- les argiles mélangées (kaolinite, beidellite, nontronite) d’Antanifotsy et

d’Antsirabe ;

- les marnes argileuses de Toliary et de Soalara, et celles calcaires de

Mahajanga ;

- les argiles bentonitiques de la région d’Ejeda (Beomby).

4. CONCLUSION En conclusion, on peut dire qu’au point de vue géologique, Madagascar possède les

matières premières nécessaires à l’industrie du ciment : calcaires, argiles, schistes et

peut être gypse…

La production cimentière de Madagascar doit suivre l’augmentation de la

consommation. Les industries existantes doivent moderniser leurs installations

anciennes.

L’expansion de la consommation en ciment nécessite la recherche et l’étude de

nouveaux sites de cimenteries pouvant conduire à une installation lorsque les

gisements de matériaux sont importants et économiquement bien placés.

8

CCChhhaaappp iii ttt rrreee 000222 ::: GGGEEENNNEEERRRAAALLLIIITTTEEESSS SSSUUURRR LLLEEESSS CCCIIIMMMEEENNNTTTSSS 1. DEFINITION

1.1. Les ciments

Les ciments sont des liants hydrauliques : ils se combinent à l’eau en donnant des

composés hydratés stables qui leur confèrent une résistance mécanique. Ils sont

constitués essentiellement de silicates et aluminates de calcium. Ils sont obtenus par la

cuisson à haute température (1400 – 1450 °C) de mél anges dosés de calcaire et

d’argile et se présentent sous forme de poudres inodores, grises en général. [3] [4]

1.2. Les ciments à hautes résistances

Selon la norme AFNOR NF P 15 301 de 1981, les ciments à hautes résistances sont

des ciments dont la résistance à la compression des mortiers normaux à 28 jours a une

valeur moyenne supérieure à 65 MPa. [5]

Selon la nouvelle norme européenne NF EN 197-1 de Janvier 2001, ce sont des

ciments dont la résistance à la compression des mortiers normaux à 28 jours a une

valeur minimale supérieure à 52,5 MPa. [5]

En général, ce sont des ciments à prise rapide et à faible retrait (début de prise

inférieure à 1 heure à 20 °C ; retrait environ 1mm/ m).

2. LES CONSTITUANTS DU CIMENT

Ils présentent une ou plusieurs des propriétés suivantes :

• des propriétés hydrauliques : ils forment par réaction avec l’eau des

composés hydratés stables très peu solubles dans l’eau ;

9

• des propriétés pouzzolaniques : ils ont la faculté de former à température

ordinaire, en présence d’eau, par combinaison avec la chaux, des composés

hydratés stables ;

• des propriétés physiques qui améliorent certaines qualités du ciment

(accroissement de la maniabilité et de la compacité, diminution du

ressuage…).

2.1. Le clinker [5] [6] [7] C’est le principal constituant des ciments. Le clinker est un produit obtenu par la

cuisson jusqu’à fusion partielle (clinkerisation) d’un mélange dosé et homogénéisé de

matières contenant les quatre oxydes : CaO, SiO2, Al2O3 et Fe2O3.

Les oxydes cités ci-dessus se retrouvent dans le clinker sous forme de silicates et

aluminates de calcium anhydres dont les principaux sont :

- C3S : 45 à 65 %,

- C2S : 10 à 30 %,

- C3A : 05 à 15 %,

- C4AF : 05 à 15 %.

Ces différentes phases ne se trouvent pas à l’état pur dans le clinker, mais sous forme

de solution solide. (Tableau 01)

Tableau 01 : Les différentes phases du clinker

Minéral pur Formule chimique Notation Minéral présent dans le clinker

Silicate tricalcique 3CaO,SiO2 C3S Alite

Silicate bicalcique 2CaO,SiO2 C2S Bélite

Aluminate tricalcique 3CaO,Al2O3 C3A Célite

Alumino-ferrite 2CaO,pAl2O3,(1-p) Fe2O3 C4AF Alumino-ferrite tetracalcique

2.1.1. Alite – Silicate tricalcique (C3S)

On connaît six variétés de C3S. Dans le clinker, l’alite se présente sous une forme

monoclinique (MII) et trigonale (R). Le C3S est le minéral le plus important du clinker,

10

étant donné qu’il confère au ciment la plus grande partie de sa résistance. Le tableau 02

donne les caractéristiques des six variétés du C3S.

Tableau 02 : Caractéristiques des six variétés de C3S [8]

Minéraux Variétés

cristallines Température

[°C] Paramètres cristallins [nm]

a b c α β γ C3SR Rhomboédrique 1100 1.283 0.715 2.556 90 90 90 C3SMII Monoclinique 1000 1.234 0.714 2.543 90 90 90 C3SMI Monoclinique 985 1.233 0.714 2.542 90 89.85 90 C3STIII Triclinique 940 2.463 1.423 1.429 2.541 90.06 89.86 C3STII Triclinique 680 2.453 1.427 2.530 89.98 89.75 89.92 C3STI Triclinique 20 2.443 1.421 2.510 89.91 89.69 89.69

2.1.2. Bélite – Silicate bicalcique (C2S)

Il existe cinq variétés de C2S (Tableau 03). Dans les clinkers, le bélite correspond, en

général, à C2Sβ et plus rarement à C2Sα et C2Sα’. Elle intervient positivement dans les

résistances du ciment à 7 et 28 jours d’âge (à un degré moindre que C3S toute fois). Les

cristaux sont d’aspects variables, souvent arrondis, d’une taille moyenne de 30 µ. Leur

surface est lisse ou striée (stries provenant du passage de la forme α à la forme β).

Tableau 03 : Caractéristiques des cinq variétés de C2S [8] Minéraux Variétés

cristallines Température

[°C] Paramètres cristallins [nm] ρ

a b c α β γ [g/cm2] C2Sα Hexagonal 1500 0.553 - 0.731 - - - 3.04

C2SαH’ Orthorhombique 1250 0.559 0.954 0.686 - - - 3.40 C2SαL’ Orthorhombique 1000 1.118 1.895 0.684 - - - 3.40 C2Sβ Monoclinique 650 0.555 0.681 0.942 - 93.6 - 3.28 C2Sγ Orthorhombique 200 0.508 0.677 1.124 - - - 2.97

2.1.3. Aluminate tricalcique (C3A)

On ne connaît pas de transformations allotropiques de C3A pur. Le réseau cristallin est

cubique (a = 1.526 nm). Dans le clinker, C3A peut être cubique, orthorhombique ou

quadratique ; deux de ces formes peuvent exister conjointement.

11

C’est le constituant qui possède la prise la plus rapide et la chaleur d’hydratation la plus

élevée. Les cristaux sont petits et mal formés, si le refroidissement est rapide. Ils sont

grands et rectangulaires dans le cas inverse. Il joue un rôle important dans la résistance

à court terme et la tenue du ciment à certains milieux agressifs.

L’aluminate tricalcique constitue, avec C4AF, ce qu’on appelle la « masse interstitielle »

du clinker.

2.1.4. Alumino-ferrite tetracalcique (C4AF)

Elle correspond à la phase aluminoferritique tetracalcique C4AF ; C’est une solution

solide à l’intérieur des solutions solides dont les éléments extrêmes sont la combinaison

C2F et l’hypothétique C2A.

Dans le clinker, C4AF se présente sous une forme orthorhombique. Il n’entre pas en jeu

dans la résistance du ciment, mais joue par contre le rôle de fondant favorisant

l’eutectique lors de la cuisson du mélange cru.

2.2. Les autres constituants principaux [5]

Ils sont ajoutés au clinker, dans certaines proportions bien définies (supérieure à 5 %),

pour donner les différents types de ciments.

2.2.1. Laitier granulé de haut fourneau

Il est obtenu par refroidissement rapide de la scorie provenant de la fusion du minerai de

fer dans un haut fourneau. Le laitier de haut fourneau doit présenter des propriétés

hydrauliques latentes pour convenir à son emploi en cimenterie.

2.2.2. Pouzzolanes naturelles

Ce sont des produits essentiellement composés de silice, d’alumine et d’oxyde de fer,

présentant soit naturellement, soit après activation thermique, des propriétés

pouzzolaniques.

12

2.2.3. Cendres volantes

Ce sont des particules pulvérulentes obtenues par dépoussiérage électrostatique ou

mécanique des gaz de chaudières alimentées au charbon pulvérisé. Elles peuvent être

de nature silico-alumineuse ou calcique. Dans le premier cas présentent des propriétés

pouzzolaniques, dans le second des propriétés hydrauliques.

2.2.4. Schistes calcinés

Sous réserve de caractéristiques convenables définie dans la norme [3] ils peuvent être

utilisés. Dans ce cas ils contiennent des phases du clinker, principalement du silicate

bicalcique et de l’aluminate monocalcique, de même que de la chaux libre et du sulfate

de calcium. Finement broyés, ils montrent de fortes propriétés hydrauliques et des

propriétés pouzzolaniques.

2.2.5. Calcaires

Ce sont des produits obtenus par broyage fin de roches naturelles présentant une teneur

en carbonate de calcium (CaCO3) supérieure à 75 %. Ils sont ajoutés en tant que

« fines » au ciment.

2.2.6. Fumées de silice

Ce sont des particules très fines (environ 1 µm) présentant une très forte teneur en silice

amorphe. Elles proviennent de la réduction de quartz de grande pureté par du charbon

dans des fours à arc électrique utilisés pour la production du silicium et d’alliage de

ferrosilicium.

2.3. Les constituants secondaires

Les constituants secondaires sont des matériaux minéraux naturels ou dérivés du

processus de fabrication du clinker ou des constituants décrits dans les paragraphes

ci-dessus, sauf s’ils sont déjà inclus en tant que constituants principaux.

13

Dans tous les cas, ils entrent dans la composition des ciments dans des proportions qui

n’excèdent pas 5 % en masse.

2.4. Les additifs

Les additifs sont des constituants qui ne figurent pas dans ceux énumérés ci-dessus et

qui sont ajoutés pour améliorer la fabrication ou les propriétés du ciment. La quantité

totale des additifs doit être inférieure ou au plus égale à 1 % en masse (exception faite

des pigments). La proportion des additifs organiques, sous forme d’extrait sec, doit être

inférieure à 0,5 % en masse du ciment.

2.5. Sulfate de calcium

Le sulfate de calcium, généralement du gypse ou de l’anhydrite, doit être ajouté en faible

quantité (4 – 5 %) aux autres constituants du ciment lors de sa fabrication pour réguler la

prise.

3. NORMALISATION ET CLASSIFICATION

3.1. Les ciments et la normalisation [5]

L’objectif de la normalisation est de répondre à un souci de qualité et de régularité des

ciments, grâce à des spécifications rigoureuses de leurs compositions et de leurs

caractéristiques.

Plusieurs normes sont utilisées, pour la normalisation des ciments. Ces normes peuvent

être propres à un pays ou adoptées par un ensemble de pays. Les pays membres de

l’Union Européenne (UE), par exemple, utilisent la même norme (EN 197-1) dans le

domaine des ciments.

A Madagascar, les normes en vigueur et utilisées par les laboratoires de contrôle sont

celles publiées par l’AFNOR.

14

L’évolution des ciments a justifié en 1978 l’homologation de la norme AFNOR NF P

15 301 (appliquée en 1981), qui définit et classe la plupart des ciments selon des

spécifications conformes aux textes réglementaires. Cette norme a été révisée en 1994

en vue de l’élaboration d’une norme commune européenne ; la nouvelle norme conservait

cependant les exigences de la norme précédente de 1981.

Le 21 mai 2000, le projet de norme commune européenne EN 197-1 a été adopté à

l’unanimité par les pays membres du CEN et mise en application à partir du 1er avril 2001.

3.2. La norme européenne EN 197-1

La norme de référence des ciments courants est la norme européenne EN 197-1 publiée

par l’AFNOR sous la référence NF EN 197-1 « Ciment – Partie 1 : composition,

spécifications et critères de conformité des ciments courants ».

La norme NF EN 197-1 est subdivisée en trois rubriques :

- une première partie descriptive qui définit les constituants du ciment et

délimite les différents types de ciments ;

- une deuxième partie qui fixe les classes de résistance, les spécifications

mécaniques et physico-chimiques ;

- une troisième partie consacrée aux critères de conformité, les procédures de

leur vérification et les seuils de garantie.

3.2.1. Désignation et marquage

Les ciments courants bénéficient d’un double marquage CE et NF qui atteste :

- pour le marquage CE, que les produits sont conformes aux réglementations

européennes en matière de santé, de sécurité et de respect de l’environnement, et sont

donc réglementairement aptes à l’usage ;

- pour le marquage Nf associé à CE, que les produits bénéficient de garanties

complémentaires (de l’AFNOR) sur leur composition, leur performance et leur contrôle.

Dans la norme NF EN 197-1, les ciments courants sont subdivisés en cinq types selon la

nature et la proportion des constituants (Tableau 04).

15

Tableau 04 : Les cinq types de ciments courants [5]

Type Désignation

Ciments Portland CEM I

Ciments Portland composés CEM II / A ou B

Ciments de haut fourneau CEM III / A, B ou C

Ciments pouzzolaniques CEM IV / A ou B

Ciments composés CEM V / A ou B

(De plus amples informations seront fournies concernant ces types de ciments)

3.2.2. Classes de résistance

Un mode de classification des ciments le plus utilisé est la classification suivant les

résistances mécaniques, et plus exactement la résistance à la compression simple.

Selon la norme NF EN 197-1, les ciments sont réparties en trois classes : 32.5, 42.5 et

52.5, définies par la valeur minimale de la résistance normale du ciment à 28 jours. La

résistance normale d’un ciment est la résistance mécanique à la compression mesurée

à 28 jours sur mortier normal conformément à la norme NF EN 196-1 et exprimée

en MPa. (Tableau 05)

Tableau 05 : Classes de résistance [5]

Désignation

de la classe

Résistances à la compression [MPa]

à 2 jours à 28 jours

Limite Limite Limite

inférieure inférieure supérieure

32.5N - ≥32.5 ≤52.5

32.5R ≥ 10

42.5N ≥10 ≥42.5 ≤62.5

42.5R ≥20

52.5N ≥20 ≥52.5 -

52.5R ≥30

● Sous classe N : Normale

● Sous classe R : résistance au jeune âge élevée

Remarques : 1°- Pour l’ancienne norme NF P 15 301 jusqu’à 1994, les classes de résistance étaient définies par la valeur moyenne de la résistance normale du ciment à 28 jours. C’est le mode de classification encore en vigueur à Madagascar : • 35 (n’a pas de correspondance dans la nouvelle norme) ; • 45 et 45 R (→ 32.5 N et 32.5 R) ; • 55 et 55 R (→ 42.5 N et 42.5 R) ; • HP et HPR (→ 52.5 N et 52.5 R) ; 2°- Pour les liants dont la résistance normale moyenne est inférieure à 35 MPa, la classe de résistance est définie par sa valeur exprimée en bar.

16

3.3. Les ciments de la norme NF EN 197-1 (ciments c ourants)

Les ciments de la norme NF EN 197-1 sont définis comme ciments courants, à l’instar des

autres ciments plus spécifiques, dans la composition, la fabrication et/ou l’utilisation. Le tableau

suivant donne une description détaillée des différents types de ciments courants.

Tableau 06 : Les différents types de ciments de la norme NF EN 197-1 [5]

Types Notation Composition (en % en masse) (1)

dénomination Symbole (2) Clinker Constituants principaux

Constituants secondaires

CEM I Ciment Portland CEM I 95 -100 0 0 - 5

CEM II

Ciment Portland au laitier

CEM II/A – S 80 - 94 6 – 20 0 - 5

CEM II/B – S 65 – 79 21 - 35 0 - 5

Ciment Portland à la fumée de silice (3)

CEM II/A – D 90 - 94 6 - 10 0 - 5

Ciment Portland à la pozzolane

CEM II/A – P 80 - 94 6 – 20 0 - 5

CEM II/B – P 65 – 79 21 - 35 0 - 5

CEM II/A – Q 80 - 94 6 – 20 0 - 5

CEM II/B – Q 65 – 79 21 - 35 0 - 5

Ciment Portland aux cendres volantes

CEM II/A – V 80 - 94 6 – 20 0 - 5

CEM II/B – V 65 – 79 21 - 35 0 - 5

CEM II/A – W 80 - 94 6 – 20 0 - 5

CEM II/B – W 65 – 79 21 - 35 0 - 5

Ciment Portland au schiste calciné

CEM II/A – T 80 - 94 6 – 20 0 - 5

CEM II/B – T 65 – 79 21 - 35 0 - 5

Ciment Portland au calcaire

CEM II/A – L 80 - 94 6 – 20 0 - 5

CEM II/B – L 65 – 79 21 - 35 0 - 5

CEM II/A – LL 80 - 94 6 – 20 0 - 5

CEM II/B – LL 65 – 79 21 - 35 0 - 5

Ciment Portland composé (4) (5)

CEM II/A – M 80 - 94 6 – 20 0 - 5

CEM II/B – M 65 – 79 21 - 35 0 - 5

CEM III Ciment de haut fourneau (6)

CEM III/A 35 - 64 36 – 65 0 - 5

CEM III/B 20 – 34 66 – 80 0 - 5

CEM III/C 5 - 19 81 – 95 0 - 5

CEM IV Ciment pouzzolanique (5) (7)

CEM IV/A 65 – 90 11 – 35 0 - 5

CEM IV/B 45 – 64 36 – 55 0 - 5

CEM V Ciment composé (5) CEM V/A 40 – 64 36 – 60 0 - 5

CEM V/B 20 - 39 61 - 80 0 - 5

17

(1) : Les valeurs données se réfèrent à la somme des constituants principaux et secondaires. (2) : Signification des lettres :

• Quantité des constituants principaux (autres que le clinker) : - A : 6 à 20 % - B : 21 à 35 % - C : 36 à 65 %

• Nombre : la lettre M pour signaler qu’on a au moins 2 constituants principaux • Noms :

- S : laitier de haut fourneau - D : fumée de silice - P : pouzzolane naturelle - Q : pouzzolane naturelle calcinée - V : cendres volantes siliceuses - W : cendres volantes calciques - T : schiste calciné - L ou LL : calcaire

(3) : La proportion de fumée de silice est limitée à 10 % (4) : Présence de plusieurs constituants principaux à différentes proportions (5) : Les constituants principaux doivent figurer dans la désignation du ciment (Symboles entre parenthèses) (6) : Le laitier de haut fourneau est le seul principal ajout au clinker pour ce type de ciments (7) : Les principaux ajouts sont de la fumée de silice, de la pouzzolane naturelle et des cendres volantes (D, P ou Q et V ou W)

A titre indicatif nous donnons ci-après le tableau de correspondance entre anciennes et

nouvelles désignations des ciments. (Tableau 07)

Tableau 07 : Correspondance entre anciennes et nouvelles désignations des ciments [5]

Depuis 1994 NF P 15 301 À partir de 2001 NF EN 197-1

Ciment Portland CPA – CEM I Ciment Portland CEM I

Ciment Portland composé CPJ – CEM II / A ou B

Ciment Portland au laitier CEM II / A ou B - S

Ciment Portland à la fumée de silice CEM II / A ou B - D

Ciment Portland à la pouzzolane CEM II / A ou B - P CEM II / A ou B - Q

Ciment Portland aux cendres volantes

CEM II / A ou B - V CEM II / A ou B - W

Ciment Portland au schiste calciné CEM II / A ou B - T

Ciment Portland au calcaire CEM II / A ou B - L CEM II / A ou B - LL

Ciment Portland composé CEM II / A ou B - M

Ciment de haut fourneau

CHF – CEM III / A ou B Ciment de haut fourneau CEM III / A, B ou C

CLK – CEM III / C Ciment pouzzolanique CPZ – CEM IV / A ou B Ciment pouzzolanique CEM IV / A ou B

Ciment au laitier et aux cendres CLC – CEM V / A ou B Ciment composé CEM V / A ou B

18

3.4. Les ciments qui font l’objet d’autres normes [5]

D’autres ciments, seulement évoqués par la norme NF EN 197-1, font l’objet de normes

spécifiques.

3.4.1. Ciment de laitier à la chaux (CLX) NF P 15 306

Le ciment de laitier à la chaux est obtenu par broyage d’un mélange intime de laitier de

haut fourneau et de chaux. Ce type de ciment fait partie de la famille des liants

pouzzolaniques.

o Deux classes de résistance : 100 et 160.

3.4.2. Ciment à maçonner (CM) NF P 15 307

Il résulte de mélange, en proportion variable, de liants hydrauliques (clinker, CPA, CPJ,

chaux hydraulique…) et d’autres produits (laitier de haut fourneau, pouzzolane, filler…).

La proportion de laitier doit être inférieur à 5o %, de même pour la proportion des

éléments inertes.

o Deux classes de résistance : 160 et 260

3.4.3. Ciment naturel (CN) NF P 15 308

Ce ciment résulte de la cuisson d’un mélange naturel de calcaire et d’argile de très

grande régularité. Les ciments de « grappiers », sous produits de la fabrication de la

chaux vive, font partie de ce type de ciment.

3.4.4. Ciment sursulfaté (CSS) NF P 15 313

C’est un ciment à prise lente, mais à durcissement rapide, développé entre les deux

grandes guerres. Il est obtenu par mélange intime de laitier de haut fourneau,

d’anhydrite ou de gypse avec un peu de clinker. Sa composition moyenne est :

80 % de Laitier + 15 % d’Anhydrite + 5 % de clinker

o Deux classes de résistance : 35 et 45

19

3.4.5. Ciment prompt naturel (CNP) NF P 15 314

Le ciment prompt naturel est obtenu par la cuisson à température modérée

(1000 – 1200 °C), d’un calcaire argileux de composi tion très régulière, suivie d’un

broyage très fin. C’est un produit naturel, à prise et durcissement rapides, à faible retrait

et à résistances élevées à très court terme.

Le ciment prompt est caractérisé par la présence de silicate de calcium, essentiellement

sous forme de silicate bicalcique actif, d’aluminate de calcium riche en alumine et de

sulfo-aluminate de calcium qui est une spécificité du produit.

3.4.6. Ciment alumineux fondu (CA) NF P 15 315

Il résulte de la cuisson jusqu’à la fusion d’un mélange de calcaire et de bauxite, suivie

d’un broyage sans gypse à une finesse comparable à celle des CPA. Le ciment

alumineux fondu, appelé couramment « ciment fondu », est composé principalement

d’alumine, d’oxydes de fer et de silice, dans des proportions telles que le ciment obtenu

renferme au moins 30 % de sa masse d’alumine. Il est parfois dénommé « ciment

réfractaire » à cause de ses propriétés réfractaires qui permettent son utilisation dans la

fabrication de bétons réfractaires. C’est un ciment à prise lente, mais à durcissement

rapide.

3.5. Ciments à caractéristiques complémentaires nor malisées [5]

Pour certains types d’ouvrages des exigences relatives aux caractéristiques des

ciments peuvent être requises ; elles font l’objet de normes spécifiques.

3.5.1. Ciments pour travaux à la mer (PM) NF P 15 317

Les ciments n’ont pas tous la même résistance face aux attaques chimiques liées à

l’environnement marin ; l’emploi de ciments présentant de bonnes caractéristiques de

résistance à ces agressions est donc nécessaire.

Ces ciments son signalés par la mention PM (Prise Mer) dans le cartouche de

marquage. Ils présentent des teneurs limitées en aluminate tricalcique (C3A) qui leur

20

permettent de conférer au béton une résistance accrue à l’agression des ions sulfates

en présence d’ions chlorures, au cours de la prise et ultérieurement.

3.5.2. Ciments à teneur en sulfures limitée (CP) NF P 15 318

Ces ciments sont des produits dont les caractéristiques sont complémentaires de celles

des ciments de la norme NF EN 197-1. Ils son signalés par la mention CP sur leur

emballage. Ces ciments trouvent leurs principales applications dans les ouvrages de

masse et certains ouvrages en béton précontraint.

3.5.3. Les ciments pour travaux en eaux à haute teneur en sulfates (ES) XP P 15 319

Les eaux séléniteuses constituent un milieu particulièrement agressif, qui nécessite

l’emploi de ciments spécifiques. Ces ciments présentent également des teneurs limitées

en aluminate tricalcique (C3A). Ils comporte la mention ES sur leur emballage.

4. CARACTERISTIQUES DES CIMENTS

Un ciment est caractérisé par un certain nombre de critères mesurés de façon

conventionnelle, soit sur la poudre, soit sur pâte pure, soit sur « mortier normal »

(mélange normalisé de ciment, sable et eau défini par la norme NF EN 196-1). Ces

critères constituent les caractéristiques du ciment. Elles sont d’ordre chimique,

minéralogique, physique et mécanique.

4.1. Caractéristiques chimiques et minéralogiques

4.1.1. Composition chimique élémentaire

Elle renseigne sur les différents éléments chimiques présents dans le ciment. Les

éléments sont déterminés sous forme d’oxydes (et sous forme d’ions pour quelques

rares exceptions). On distingue :

- les quatre principaux oxydes : CaO, SiO2, Al2O3 et Fe2O3 ;

- les éléments secondaires : MgO, SO3, Na2O, K2O, Cl−…

21

Elle est la base de calcul de la composition minéralogique. Plusieurs auteurs donnent des compositions chimiques types des ciments Portland ;

nous pouvons citer R. H. BOGUE [9] et PAPADAKIS [10] (Tableau 08).

Tableau 08 : Composition chimique moyenne des ciments (en % massique)

Auteur Teneur SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 PF

BOGUE Minimum 20 3,4 2,7 62 1 1 0,8 Maximum 25 6 4,3 64 3 3 3

PAPADAKIS Minimum 19 2 1 62 0 1 0,2 Maximum 25 9 5 67 3 3 1,3

4.1.2. Hydraulicité [11]

C’est une grandeur qui permet d’évaluer le caractère hydraulique d’un liant. Elle est

définie par l’indice d’hydraulicité i :

i = (SiO2 + Al 2O3 + Fe2O3) / (CaO + MgO)

L’indice d’hydraulicité représente le rapport entre la somme des constituants acides et

celle des constituants basiques du liant.

4.1.3. Chaux de saturation [11]

C’est la quantité maximale de chaux qui peut être fixée par les constituants acides

(SiO2, Al2O3 et Fe2O3) contenus dans le mélange :

- tout SiO2 transformé en C3S,

et, cas d’un mélange riche en alumine :

- tout Al2O3 transformé en C3A,

- tout Fe2O3 transformé en C4AF avec le reste de Al2O3 ;

ou, cas d’un mélange riche en oxyde de fer :

- tout Fe2O3 transformé en C2F,

- tout Al2O3 transformé en C4AF avec le reste de Fe2O3.

22

On a l’expression de la chaux de saturation :

CaOsat = 2,80 SiO 2 + 1,65 Al 2O3 + 0,35 Fe2O3 (mélange riche en alumine) ;

CaOsat = 2,80 SiO 2 + 1,10 Al 2O3 + 0,70 Fe2O3 (mélange riche en oxyde de fer).

4.1.4. Modules et valeurs requises [11]

Tout ciment est caractérisé par trois grandeurs :

- le module de chaux MC,

- le module de silice MS,

- le module d’alumine ou module oxydique MA.

Ce sont des valeurs requises, en rapport avec la composition minéralogique et les

performances mécaniques attendues du ciment.

� Module de chaux MC :

C’est le rapport, exprimé en pourcentage, de la teneur en chaux du ciment sur la chaux

de saturation :

MC = 100 CaO / CaOsat

MC varie de 92 à 103 pour l’ensemble des ciments, et de 95 à 98 pour les ciments

Portland courants.

- Si MC = 100, le mélange contient exactement la quantité de chaux qui peut

être fixée par SiO2, Al2O3 et Fe2O3 contenus dans ce mélange.

- Si MC > 100, il existe forcément de la chaux libre, non combinée, dans le

mélange.

23

� Module de silice MS :

Il renseigne sur le rapport entre la quantité de silicates et celle d’aluminates contenus

dans le ciment ou le clinker.

MS = SiO2 / Al 2O3 + Fe2O3

MS varie de 1,8 à 3,4 pour les ciments en général, et de 2,2 à 2,5 pour les ciments

Portland courants.

� Module d’alumine (ou oxydique) MA :

Ce module caractérise la nature de la masse interstitielle du clinker, contenant la

presque totalité des oxydes d’aluminium et de fer.

MA = Al 2O3 / Fe2O3

- Si MA > 0,638, le ciment est normal et contient du C3A et du C4AF ;

- Si MA < 0,638, le ciment est dit « riche en fer », et contient du C2F au lieu de

C3A.

Les ciments sans C3A présentent une grande résistance chimique aux sulfates, ainsi

qu’une faible chaleur d’hydratation.

MA varie, en général, de 1,2 à 2,5 et de 1,5 à 2 pour les ciments Portland courants.

4.1.5. Composition minéralogique – Formule de BOGUE

4.1.5.1. Définition

La composition minéralogique d’un ciment est l’ensemble des teneurs en constituants

principaux (C3S, C2S, C4AF, et C3A ou C2F), ainsi que celles d’autres constituants du

clinker de moindre importance, et celles des composés introduits volontairement

(constituants principaux, constituants secondaires et régulateurs de prise) ou

accidentellement dans le ciment.

24

La composition minéralogique est déterminante sur les propriétés hydrauliques et

mécaniques des ciments et par conséquent sur leur mode d’utilisation.

La composition minéralogique peut être déterminée par l’association de quelques

méthodes physiques :

- microscopie électronique (MEB),

- diffraction des rayons X (DRX),

- spectrométrie infra rouge (SIR),

- analyse thermique différentielle,

- …

Elle peut être déduite de la composition chimique en utilisant la « formule de BOGUE).

Dans ce cas elle est dénommée composition minéralogique potentielle. [9]

4.1.5.2. Formule de Bogue [9]

Bogue a établi, sur la base de la composition chimique, et sur le principe de la

proportion stoechiométrique, pour les différents cas qui peuvent se présenter, des

systèmes d’équations qui permettent de calculer la composition minéralogique du

ciment (ou du clinker). L’ensemble des équations constitue la « formule de BOGUE »

pour le cas considéré.

� Quantité insuffisante de chaux : MC ≤ 90

Système C2S – C3A – C5A3 – C4AF (C2S ne peut se transformer en C3S).

C2S = 2.87 SiO2

C3A = 3.61 – 6.74 SiO2 – 3.81 Al2O3 – 2.96 Fe2O3

C5A3 = 4.88 SiO2 + 4.31 Al2O3 + 0.92 Fe2O3 – 2.61 CaO

C4AF = 3.04 Fe2O3

25

� Quantité suffisante de chaux mais sans excès : 90 < MC ≤ 100

Système C3S – C2S – C3A – C4AF (Théoriquement il n’y a pas de chaux libre).

C3S = 4.07 CaO – 7.61 SiO2 – 6.72 Al2O3 – 1.43 Fe2O3

C2S = 2.87 SiO2 – 0.75 C3S

C3A = 2.65 Al2O3 – 1.69 Fe2O3

C4AF = 3.04 Fe2O3

� Excès de chaux: MC > 100

Système CaO – C3S – C3A – C4AF (Théoriquement tout x est transformé en y, et il y a

existence de chaux libre).

C3S = 3.80 S

C3A = 2.65 Al2O3 – 1.69 Fe2O3

C4AF = 3.04 Fe2O3

CaOL = CaO - CaOsat

� Quantité suffisante de chaux mais excès en oxyde de fer : 90 < MC ≤ 100 et MA < 0.638

Système C3S – C2S – C2F – C4AF (Théoriquement il n’y a pas de chaux libre).

C3S = 4.07 CaO – 7.61 SiO2 – 4.48 Al2O3 – 2.86 Fe2O3

C2S = 2.87 SiO2 – 0.75 C3S

C2F = 1.70 Al2O3 – 2.67 Fe2O3

C4AF = 4.77 Fe2O3

Gilles BERARD – BERGERY [3] propose une composition minéralogique moyenne

pour les ciments Portland. (Tableau 09)

Tableau 09 : Composition minéralogique moyenne des ciments (en % massique)

Constituant C3S C2S C3A C4AF

Teneur 60 15 8 8

26

4.1.6. Chaux libre :

Le suivi de la quantité de chaux libre contenue dans le clinker ou le ciment est très

important car il renseigne sur le degré de cuisson du produit.

La chaux libre, ou chaux non combinée, est en relation étroite avec les qualités d’un

ciment (performances mécaniques, expansion, poids au litre…). En général, la quantité

maximale de chaux libre acceptable est de 2% [5].

4.2. Caractéristiques physiques [12] [13] [14]

4.2.1. Couleur

Elle varie avec la composition chimique des matières premières (particulièrement la

teneur en oxydes de fer) et la nature des combustibles utilisés pour la fabrication du

clinker.

Généralement elle est grise (à cause des cendres des combustibles), mais il existe

toute une gamme de colories, et particulièrement les ciments blancs obtenus par

l’utilisation de matières premières très pures et de combustibles fluides.

4.2.2. Finesse de mouture (NF EN 196 - 6)

Elle est caractérisée par la surface spécifique ou surface développée totale de tous les

grains contenus dans un gramme de ciment. La notion la plus utilisée est la surface

spécifique de BLAINE notée SSB [14].

Elle s’exprime en g / cm2. Suivant le type de ciment, cette grandeur est généralement

comprise entre 2 800 et 5 000 g / cm2.

4.2.3. Densités

� Masse volumique apparente

Appelée aussi « poids au litre du ciment », elle représente la masse de la poudre par

unité de volume (vides entre les éléments inclus).

27

Elle est de l’ordre de 1 Kg / L en moyenne pour un ciment.

� Poids spécifique

Il représente la masse de tous les grains de solides contenus dans une unité de volume

(vides entre les éléments exclus).

Il varie de 2.9 à 3.15 Kg / L suivant le type de ciment. Un ciment de faible poids

spécifique (d < 2.9) indique une forte concentration en produits d’addition ou une

mauvaise cuisson pour son clinker.

4.2.4. Début de prise (NF EN 196 - 3)

C’est le temps au bout duquel le ciment commence à faire prise. Le temps de début de

prise est déterminé par l’instant ou l’aiguille de VICAT de 1 mm2 de section ne

s’enfonce plus jusqu’au fond d’une pastille de pâte pure de ciment.

Suivant les types de ciment, le temps de début de prise doit être supérieur à 45 minutes

ou 1 heure.

4.2.5. Expansion (NF EN 196 - 3)

C’est un phénomène qui se passe au cours de la prise et le durcissement du ciment par

une augmentation de volume due à un excès de sulfates, de chaux libre ou de

magnésie.

Il permet de s’assurer de la stabilité du ciment. L’expansion ne doit pas dépasser

10 mm sur pâte pure pour tous les ciments (NF EN 197 – 1).

4.2.6. Retrait (NF P 15 433)

C’est une diminution de volume pendant le durcissement qui est due à un départ d’une

partie de l’eau de gâchage par évaporation. La mesure est effectuée sur éprouvette

prismatique de « mortier normal » 4 x 4 x 16 cm.

Le retrait est limité à 0.8 mm / m ou à 1 mm / m suivant le type de ciment.

28

4.2.7. Eau de consistance normale

Elle caractérise la quantité d’eau utile pour obtenir une consistance normale pour un

mortier normal (NF EN 196 – 1).

4.3. Caractéristiques mécaniques [14]

Elles sont définies par la capacité d’un matériau à résister à toute sollicitation extérieure

impliquant une force. La plus importante, pour les ciments, est la résistance à la

compression simple. Quelque fois il y a lieu de déterminer la résistance à la traction par

flexion et la résistance à l’usure.

Conformément à la norme NF EN 196 – 1, la classe de résistance d’un ciment est

définie par la valeur minimale de la résistance à la compression simple du mortier

normal à 28 jours d’âge et exprimée en MPa.

5. DOMAINES D’UTILISATION

Les ciments tirent leurs principaux domaines d’utilisation dans la confection de mortiers

et de bétons ainsi que d’autres produits dérivés.

A partir des différents types de ciment et en fonction de leur dosage, il est possible

d’obtenir une infinité de bétons aux caractéristiques pouvant varier en fonction du type

de ciment, de la nature et des caractéristiques des granulats, de leur mélange, des

colorants, des adjuvants, de la mise en œuvre, des traitements ultérieurs…

Le béton peut s’adapter aux exigences de chaque réalisation par ses performances

comme par ses aspects : on peut, à volonté, lui demander une résistance aux chocs, à

l’usure, aux agents agressifs, ainsi que des caractéristiques de légèreté ou de lourdeur,

d’isolation phonique et/ou thermique, d’étanchéité, une durabilité accrue, un bel

aspect… Le béton, application majeur du ciment, fait partie intégrante de notre cadre de

vie. Il est présent dans tous les types de construction, qu’il s’agisse de logements,

d’écoles, d’hôpitaux,de bureaux, d’usines, d’ateliers, d’espaces commerciales… Il est

aussi présent dans de nombreuses applications routières et aussi, et surtout, dans de

grands ouvrages d’art…

29

A titre indicatif, nous donnons dans le tableau 10 et les figures 01 et 02 les principales

applications des différents types de ciments avec les recommandations y afférentes.

Tableau 10 : Domaines d’utilisation des différents types de ciments [15]

TYPES DOMAINES D’UTILISATION EMPLOIS NON RECOMMANDE S

CEM I CEM II / A ou B CEM V / A ou B

Travaux courants de béton en élévation ou fondation

Présence d’eaux agressives

CEM III / A, B ou C - Travaux de béton armé souterrains - Travaux en eaux agressives - Travaux hydrauliques

- Travaux en élévation - Enduits et chapes - Ouvrages de faible épaisseur

CEM IV / A ou B

- Construction sous-marine et souterraine en béton et béton armé - Etanchéité et résistance à l’eau

- Travaux aériens - Bétonnage par tems froid

CNP - Travaux à prise rapide : scellement, aveuglement de voies d’eau - Travaux en milieu agressif

Tout autre emploi

CA

- Doublure des appareils thermiques - Mortier et béton réfractaire - Bétonnage par temps froid - Pieux d’essai en béton armé

- Bétonnage par temps chaud - Travaux de masse - Présence d’eau alcaline - Mélange avec d’autres ciments

CLX

- Travaux de maçonnerie - Présence d’eau quelque peu agressive - Travaux de génie rural - Tous travaux souterrains

- Travaux en élévation - Travaux en béton armé

CM - Maçonnerie - Agglomérés

Travaux de béton armé

CN

- Petits travaux de bétonnage - Maçonnerie - Enduits - Agglomérés - Présence d’eau quelque peu agressive

Travaux de béton armé

(ES) (PM)

- Travaux de fondation à décoffrage rapide - Présence d’eaux agressives

- Présence d’eaux acides - Ouvrages soumis au gel - Mélange avec d’autres ciments

(CP) - Travaux de béton armé souterrains - Travaux en eaux agressives - Travaux hydrauliques

- Travaux en élévation - Enduits et chapes - Ouvrages de faible épaisseur

30

Figure 01 : Utilisations possibles des ciments de la classe 35 (Source SOMACIM)

31

Figure 02 : Utilisations possibles des ciments de la classe 45 ou plus (Source SOMACIM)

32

CChhaappii tt rree 0033 : FFFAAABBBRRRIIICCCAAATTTIIIOOONNN DDDUUU CCCIIIMMMEEENNNTTT

1. APERÇU GENERAL [11] [14]

Le constituant principal des ciments est le clinker, qui est obtenu à partir de la cuisson

d’un mélange approprié de calcaire et d’argile, en proportion moyenne 80 % / 20 %.

Actuellement, les cimenteries modernes utilisent jusqu’à quatre matières premières : le

calcaire, un constituant riche en silice, un autre riche en alumine et un dernier riche en

oxydes de fer.

La fabrication du ciment dépense beaucoup d’énergie : concassage et broyage des

matières premières – homogénéisation du mélange cru – cuisson à haute température

– broyage du clinker.

Quelque soit le procédé utilisé, la fabrication du ciment doit comprendre les phases

suivantes :

- approvisionnement en matières premières ;

- dosage du cru ;

- préparation du cru ;

- cuisson ;

- traitement du clinker ;

- conditionnement.

Les figures 03 à 07 illustrent les différentes phases de la fabrication du ciment (cas des

cimenteries d’Ibity et d’Amboanio)

Il existe deux procédés extrêmes de fabrication [14]:

� Le procédé par voie sèche (Figure 03 et 05) :

Les matières premières sont broyées à sec, et envoyées à l’état sec dans les fours. Ce

procédé est actuellement, et de très loin, le plus utilisé dans les pays industrialisés

33

depuis l’adoption de la technique des préchauffeurs (échangeurs de chaleur à cyclones)

et de précalcinateur (foyer complémentaire dans le dernier cyclone).

� Le procédé par voie humide (Figure 06 et 07) :

Le mélange cru, dosé, est broyé avec de l’eau pour former une pâte que l’on envoie

dans les fours.

Entre ces deux procédés, il y a les procédés par voie semi-sèche (Figure 04 et 05) et

semi-humide (Figure 07).

Il existe aussi différents types de fours, mais ils peuvent être classés dans deux

catégories distinctes :

� Les fours droits ou verticaux :

Un moment abandonnés, ils connaissent un regain d’intérêt avec l’adoption des

techniques des granules et/ou des pastilles.

� Les fours rotatifs ou horizontaux :

Ces derniers types sont les plus employés. Ce sont des cylindres en tôle d’acier, de 50

à 80 m de longueur pour le procédé à voie sèche contre 60 à 150 m pour le procédé à

voie humide, et de 4 à 5 mètres de diamètre, avec un revêtement intérieur en matériaux

réfractaires, légèrement inclinés par rapport à l’horizontale (< 5%) et tournant à environ

1 tr / mn.

2. LES DIFFERENTES ETAPES DE LA FABRICATION [11] [14]

2.1. Approvisionnement en matières premières

Les matières premières (calcaire et argile) sont extraites de carrières généralement à

ciel ouvert et sises le plus près possible des installations de la cimenterie.

Les blocs obtenus sont concassés pour être réduits en éléments de taille moyenne

d’environ 50 mm, qui vont être envoyés vers le système de dosage du mélange cru.

34

Figure 03 : Installations pour procédé par voie sèche

35

Figure 04 : Installations pour procédé par voie semi – sèche

(Cas de la cimenterie d’Ibity)

36

VOIE SEMI – SECHE VOIE SECHE .

Figure 05 : Schéma du procédé de fabrication par voie sèche et semi – sèche [8]

37

Figure 06 : Installations pour procédé à voie humide

(Cas de la cimenterie d’Amboanio)

38

Figure 07 : Schéma du procédé de fabrication par voie humide et semi – humide [8]

39

2.2. Dosage du mélange cru [8 ] [11]

2.2.1. Objectifs

Il permet d’atteindre, ou d’approcher, par un choix judicieux de la composition du

mélange à cuire en ses différents constituants, la composition minéralogique prévue qui

correspond à un ciment aux propriétés mécaniques bien définies (à conduite de cuisson

et traitement du clinker identiques).

Pour un ciment de bonne performances mécaniques, on cherchera à avoir le plus de

C3S possible dans le clinker, mais on évitera, autant que possible, l’existence de chaux

libre, néfaste aux propriétés mécaniques du ciment et à la durabilité des mortiers et

bétons.

2.2.2. Calcul du mélange cru

Pour un ciment donné, la composition du mélange cru est calculée sur la base des trois

valeurs requises (MC, MS et MA) et de la composition chimique de chaque matière

première (ainsi que de la quantité et de la composition des cendres, dans le cas où l’on

utilise des combustibles solides).

La littérature technique fournit une multitude de procédés pour calculer les proportions

requises des différents constituants entrant dans la composition du mélange cru. On

utilise surtout « le procédé par équations de détermination et de concordance de

phases » basé sur les valeurs de MC, MS et MA et les compositions chimiques des

matières premières.

� Principe du calcul :

- Chaque matière première présente des écarts par rapport aux valeurs requises

(MC, MS et MA).

- L’ensemble mélange cru a des écarts nuls par rapport à ces valeurs.

- On cherchera à déterminer les proportions x, y et z des matières premières qui

devront être mélangées à une partie de calcaire (ou d’un autre constituant choisi

arbitrairement).

40

� Ecarts par rapport aux valeurs requises :

On définit : - Ecart hydraulique φ (par rapport au module de chaux) :

φ = CaO – CaO* CaO* : teneur en chaux que devrait avoir le constituant considéré pour atteindre la

valeur de MC, avec ses teneurs en SiO2, Al2O3 et Fe2O3. Soit :

MC = CaO*.100/CaOsat

φ = CaO – ((MC . CaOsat)/100)

- Ecart silicique ψ (par rapport au module de silice) :

ψ = SiO2 – SiO2

*

SiO2

* : teneur en silice que devrait avoir le constituant considéré pour atteindre la valeur

de MS, avec ses teneurs en Al2O3 et Fe2O3. Soit :

MS = SiO2

* / (Al2O3 + Fe2O3)

ψ = SiO2 – MS(Al 2O3 + Fe2O3)

- Ecart oxydique χ (par rapport au module d’alumine) :

χ = Al2O3 – Al2O3*

Al2O3*: teneur en alumine que devrait avoir le constituant considéré pour atteindre la

valeur de MA, avec sa teneur en Fe2O3. Soit :

MA = Al2O3* / Fe2O3

χ = Al 2O3 – MA . Fe2O3

41

� Proportions respectives des différents constituants :

Soient φi, ψi et χi les écarts par rapport aux valeurs requises pour chaque constituant.

On a le système d’équations :

φ1 + φ2x + φ3y + φ4z = 0

ψ1 + ψ2x + ψ3y + ψ4z = 0

χ1 + χ2x + χ3y + χ4z = 0

Les proportions x, y et z, des autres constituants, qui seront mélangées à une partie de

calcaire, sont connues par la résolution du système d’équations. Et on peut en déduire

la composition (en % massique) du mélange cru.

2.3. Préparation du cru

Les grains de matières premières sont intimement mélangés par broyage ou délayage,

dans les proportions définies, en un ensemble très fin de diamètre moyen ≤ 90 µ qui

constitue le « cru » ou « mélange cru » ou encore « farine crue ».

A cette occasion, des corrections de compositions peuvent être effectuées, en

incorporant en faible proportion les éléments nécessaires.

Le mélange cru est préparé automatiquement sous forme de granules (voie sèche ou

semi-sèche) ou de pâte (voie humide ou semi-humide), en fonction de la technique de

fabrication utilisée.

2.4. Cuisson du cru

Le mélange cru, convenablement préparé, est cuit à haute température, pour obtenir le

clinker.

Quelque soit la technique de fabrication utilisée, les réactions qui se passent pendant la

cuisson sont les mêmes.

42

2.4.1. Aperçu sur les principales réactions mises en jeu lors de la cuisson [8]

Les réactions qui se passent pendant la cuisson, lorsque la température monte

progressivement, peuvent être résumées comme suit :

� 100 – 120 °C : départ de l’eau d’humidité ;

� 500 – 750 °C : déshydratation des minéraux arg ileux ;

� 700 – 1000 °C : décomposition des argiles ;

� Vers 950 °C : décarbonatation ;

CaCO3 → CaO + CO2↑

MgCO3 → MgO + CO2↑

� 1000 – 1100 °C : formation de C 4AF ;

Al2O3 + Fe2O3 + 4 CaO → C4AF

� Vers 1250 °C :

- formation de C3A et C2S :

Al2O3 + 3CaO → C3A

SiO2 + 2CaO → C2S

- apparition d’une phase fondue ;

� 1250 – 1450 °C :

- augmentation de la quantité de phase fondue,

- mise en solution de CaO et de C2S ;

� Vers 1450 °C : formation de C 3S (réaction de clinkerisation) ;

C2S + CaO → C3S

2.4.2. Déshydratation des minéraux argileux

Les argiles naturelles constituent un mélange de plusieurs minéraux : quelques

minéraux argileux, quartz, calcite, dolomite, hydroxyde de fer, hydroxyde d’aluminium…

43

La déshydratation est caractérisée par le départ des ions hydroxyles (eau de

constitution) que contiennent les minéraux argileux et les hydroxydes. Cette

déshydratation se produit dans un large domaine de température, allant de 200 °C à

1100 °C ( Tableau 11)

Tableau 11 : Température de déshydratation de quelques minéraux argileux [8]

Minéral Teneur en eau [%] Déshydratation [°C] Etat amorphe [°C]

Gibbsite - 180 – 350 Vers 600

Kaolinite ≈14 500 – 700 700 – 950

Illite ≤ 20 400 – 650 850 – 900

Montmorillonite ≤ 20 450 – 750 750 – 950

Chlorite ≤ 14 500 – 750 750 – 900

La transformation thermique est influencée par plusieurs paramètres, entre autres le

type de minéral, la teneur en impuretés, l’état d’ordre cristallin, la dimension des grains

etc...

La cinétique de déshydratation des minéraux argileux n’a que très peu d’influence dans

la cuisson du cru.

2.4.3. Décarbonatation

CaCO3 → CaO + CO2↑

MgCO3 → MgO + CO2↑

Ce sont des réactions réversibles et fortement endothermiques. La décarbonatation se

caractérise par le fait qu’elle se produit sur un front de décomposition.

La décarbonatation présente cinq phases :

- transfert de chaleur du milieu vers la surface des particules (par convection) ;

- conduction de la chaleur à travers la couche de CaO déjà formée vers la zone

de décomposition ;

- réaction chimique, germination et recristallisation de CaO ;

- diffusion de CO2 à travers la couche de CaO vers la surface des particules ;

44

- passage de CO2 de la surface des particules vers l’environnement.

La vitesse globale de la réaction est une fonction des vitesses de ces cinq étapes.

2.4.4. Réactions entre solides

La formation des minéraux du clinker, à l’exception de C3S, résulte de réactions entre

solides. La néoformation de phases débute avec la déshydratation des argiles et la

décomposition de CaCO3 vers 550 °C.

La zone des réactions entre solides est limité vers le haut par l’apparition d’une phase

fondue vers 1250 °C.

Ce sont des réactions de surfaces de séparation de phases, au cours desquelles le

transport des matières qui réagissent vers la zone de réaction, est en général l’étape

déterminante.

2.4.5. Réactions en présence de matière fondue – clinkerisation

La réaction de formation du constituant principal du clinker se fait en présence d’une

phase fondue. Cette réaction est dénommée « réaction de clinkerisation » du fait de son

importance sur les qualités futures du ciment.

Pour les mélanges crus industriels, la phase fondue apparaît à partir de 1250 °C

environ. Le clinker atteint le stade de fusion complète entre 1750 et 1800 °C.

La température de cuisson optimale de 1350 à 1500 °C utilisée a pour but d’obtenir des

vitesses de réactions les plus élevées en marche stable pour la réaction :

C2S + CaO → C3S

La température la plus basse devrait être théoriquement la limite inférieure de stabilité

de l’alite : 1250 °C. Toute fois, à cette températu re, la vitesse de la réaction est

extrêmement faible.

La température de cuisson est limitée vers le haut à 1550 °C, car au dessus de cette

température la matière en cours de cuisson perd ses propriétés de phase solide, la

phase fondue prenant trop d’importance.

45

On peut distinguer dans la formation de l’alite les étapes suivantes :

- dissolution de CaO et x dans la matière fondue ;

- diffusion des éléments en réaction vers les lieux de formation des nouvelles

phases .

- cristallisation de l’alite.

La réaction de formation de l’alite est fortement influencée par la proportion de la phase

fondue, de la composition de cette dernière, de sa viscosité, de sa tension superficielle,

ainsi que de la mobilité des ions dans la phase fondue et de la température.

2.5. Traitement du clinker – conditionnement

Le clinker sorti du four est envoyé vers un dépôt pour un délai minimum de 15 jours,

pour permettre le refroidissement définitif et le pourrissage (il est rarement broyé

directement).

Il est ensuite broyé avec du gypse (4 – 5 % en masse) et les autres constituants si l’on

veut obtenir d’autres types de ciments que le ciment Portland.

Le ciment ainsi produit est mis en sac à raison, généralement, de 50 Kg, ou dirigé par

transport pneumatique vers des silos de stockage à l’abri de l’humidité.

3. EVALUATION DES PRODUITS – CONTROLES DE QUALITE [8] [11] [15]

La cuisson est certainement la partie la plus délicate de la fabrication du ciment.

Néanmoins, chaque phase a une influence sur les qualités du produit fini. Des contrôles

se font à chaque niveau de ces opérations par le laboratoire de contrôle. En particulier

le ciment qui va être commercialisé doit être conforme aux normes en vigueur.

46

3.1. Evaluation du clinker

L’évaluation des qualités du clinker, en laboratoire, a lieu par au moins deux des

méthodes suivantes :

• Mesure de la masse volumique apparente ou poids au litre du clinker sur une fraction

étroite des grains (en général 3 – 7 mm). Pour chaque farine crue et chaque installation

de four, il existe une courbe ρ = f (CaOL) ;

• Analyse chimique complète selon les normes en vigueur, par voie humide ou par

fluorescence X ;

• Détermination de la teneur en chaux libre (CaOL) ;

La détermination de la chaux libre est particulièrement importante pour juger de la

cuisson du clinker (et donc de la qualité du ciment). Des clinkers bien cuits résultant de

farines crues bien dosées, présentent des teneurs en chaux libre ≤2 %.

Les causes possibles d’une teneur en CaOL élevée sont les suivantes :

- un module de chaux trop grand pour la farine crue (MC > 100),

- un broyage trop grossier de la farine crue,

- une homogénéité insuffisante du mélange cru,

- une absorption irrégulière de cendres du combustible,

- une température de cuisson trop faible,

- une importante décomposition de l’alite, provoquée par un refroidissement

trop lent,

- des conditions de cuisson réductrices : les ions Fe2+ introduits dans le

réseau de l’alite se transforme en Fe3+ au refroidissement, et accélère

fortement la décomposition de l’alite.

- une teneur en MgO trop élevée (> 2%).

• calcul des modules du clinker à partir des données de l’analyse chimique ;

• détermination de la composition minéralogique potentielle, en appliquant la formule

de Bogue.

47

3.2. Evaluation du ciment

Pour le ciment, les qualités sont vérifiées par l’ensemble des méthodes suivantes :

• détermination du temps de début de prise ;

• vérification de la classe de résistance ;

• mesure du retrait ;

• détermination de la stabilité (mesure de l’expansion) ;

• détermination de la chaleur d’hydratation.

4. FACTEURS INTERVENANT SUR LA FABRICATION DU CLINK ER [8]

L’aptitude à la cuisson de la farine crue est déterminée par plusieurs paramètres

technologiques et propriétés des matières premières.

4.1. Composition du cru

La farine crue est caractérisée par les trois grandeurs MC, MS et MA, qui sont les

bases même de sa composition en ses différents constituants.

D’une manière générale, l’aptitude à la cuisson diminue quand MC, MS et MA

augmentent. Toute fois, l’influence de MA est moindre que celle de MC et MS.

•••• Pour avoir des taux de chaux libre faible (< 2 %), il faut des températures ou des

durées de cuisson plus élevées quand MC est grand.

•••• Un module de silice MS élevé diminue non seulement l’aptitude à la cuisson, mais

aussi son aptitude à la granulation dans la zone de clinkerisation.

•••• Une augmentation de MA se manifeste par une quantité importante de chaux libre

suite à une diminution de la proportion de la masse fondue et de sa viscosité, la

quantité de Fe2O3, qui est un fondant, étant faible.

48

4.2. Teneurs en éléments secondaires

Les éléments secondaires sont ceux qui sont apportés par les matières premières avec

les quatre principaux oxydes. Les alcalis, les sulfates et la magnésie ont des effets plus

ou moins favorables sur l’aptitude à la cuisson suivant leur proportion dans le cru.

•••• Les alcalis (K2O et Na2O), pour des teneurs élevées, entravent la combinaison de la

chaux. Lorsque ces teneurs sont plus faible (0,2 – 0,3 %), ils ont une influence positive

par leur caractère fondant qui se traduit par une augmentation de la quantité de la

masse fondue et un abaissement de la température de début de clinkerisation.

•••• L’influence négative des alcalis sur la formation du clinker peut être compensée

dans certaines limites par l’addition de sulfates à la farine crue.

•••• Pour des teneurs < 2 %, MgO accélère la combinaison de la chaux et contre

l’influence négative des alcalis.

•••• Pour les ciments riches en MgO (MgO > 2 %), et pour éviter le risque d’expansion,

on peut ajouter à la farine crue une quantité de SO3 qui est fonction de la teneur en

MgO et telle que :

SO3 = 0,67(MgO – 2). [16]

L’addition de sulfates au cru permet la fabrication de ciments dont l’expansion reste

conforme aux normes, pour des teneurs en MgO atteignant 5,5 %.

•••• En première approximation, la teneur en chaux libre du clinker dépend comme il suit

des quantités ajoutées de SO3, de MgO et d’alcalis [17] :

CaOL = 8,5 – 3,07MgO + 0,74K2O + 2,19Na2O – 0,74 SO3

Cette équation montre que K2O et Na2O entravent la formation du clinker tandis qu’au

contraire MgO et SO3 l’accélèrent. Des teneurs élevées en alcalis combinées à teneurs

faibles en MgO et SO3 conduisent, pour une durée et une température de cuisson

constantes, à des teneurs élevées en chaux libre.

49

4.3. Composition minéralogique du cru [8]

Les connaissances scientifiques en ce domaine sont encore insuffisantes, ce qui se

reflète dans des données contradictoires fournies par la littérature technique.

Le mélange cru se compose d’un nombre élevé de minéraux différents. La composition

minéralogique influence les paramètres suivants, en raison des propriétés physico-

chimiques différentes des minéraux :

- teneur en eau nécessaire des pâtes crues,

- propriétés rhéologiques de celles-ci,

- capacité de granulation des farines crue,

- stabilité mécanique et thermique des granules de farine crue,

- formation de poussière au cours de la cuisson,

- consommation spécifique de chaleur pour la cuisson.

4.4. Composition granulométrique

La vitesse des réactions à l’état solide et les processus de dissolution dans la phase

fondue sont inversement proportionnels à la grosseur des grains. Toutefois, c’est la

proportion des gros grains (> 90 µ) qui est plus préjudiciable que la répartition

granulométrique. Dans la pratique le refus au tamis de 0,09 mm (R0,09) est de 5 à 20 %.

La farine crue devrait être moulue aussi finement que possible, pour réduire le temps de

séjour dans la zone de cuisson. Toutefois une trop grande finesse peut favoriser les

réactions à l’état solide au détriment de la formation de l’alite. De plus une trop grande

finesse de mouture serait synonyme d’une dépense supplémentaire en énergie.

En général, il existe pour chaque farine crue une finesse de mouture optimale, en

rapport avec l’aptitude à la cuisson dans son ensemble, ainsi qu’avec le prix de revient

du ciment.

4.5. Homogénéité

Pour obtenir un clinker de bonne qualité, il faut une répartition homogène de tous les

constituants et que tous les micro volumes aient la même composition dans l’ensemble

de tout le mélange cru.

50

Une répartition uniforme de tous les constituants qui participent à la formation du

clinker, facilite le phénomène de diffusion.

Un manque d’homogénéité aboutit à la formation de composés autres que ceux que

l’on veut obtenir (CaOL et autres produits intermédiaires par exemple).

4.6. Activation chimique

Les processus de formation du clinker peuvent être activés par addition en faible

proportion de substances appelées « minéralisateurs », au cru.

Ce sont des substances inorganiques, telles que CaF2, Na2CO3, Na2SiF6, le gypse, le

laitier de plomb, le laitier de cuivre… qui agissent aussi bien sur les processus de

déplacement de matières que sur les réactions purement chimiques.

En raison du grand nombre de facteurs qui influencent les processus de formation du

clinker, on n’a pas encore réussi à formuler des lois de valeur universelle sur le

mécanisme de l’action des minéralisateurs et leur efficacité.

4.7. Activation thermique

La vitesse à la quelle on porte la farine crue à la température maximale de cuisson

constitue une variable importante des réactions de formation des minéraux du clinker.

Une vitesse de chauffe élevée est synonyme de perturbation dans le réseau cristallin

des divers constituants et de taille faible pour les phases néoformées.

CaO et C2S se dissolvent d’autant mieux dans la phase fondue, qu’ils sont finement

divisés et que leur réseau est perturbé.

La décomposition de CaCO3 et des minéraux argileux conduit à des produits dont le

réseau cristallin est fortement perturbé et qui sont donc très réactifs.

Si par contre, le cru séjourne longtemps dans la zone de réaction à l’état solide

(1100 – 1200 ° C), l’état d’activité se dégrade en raison du rétablissement de l’ordre

dans le réseau cristallin ; et il en découle une vitesse de dissolution faible de CaO et

C2S dans la phase fondue.

51

4.8. Activation mécanique

Elle consiste en un broyage intensif, des matières solides crues, qui conduit à des

modifications physiques importantes, telles que :

- la réduction de la dimension des particules ;

- l’apparition de perturbation dans le réseau cristallin ;

- la tendance vers un état amorphe comme cas limite.

L’augmentation de la vitesse de réaction, suite à l’activation mécanique, résulte non

seulement de la grande finesse des grains mais également des modifications du réseau

et d’une meilleure homogénéisation de la farine crue.

52

CONCLUSION

A travers l’étude bibliographique que nous avons menée il s’avère que l’industrie

cimentière malgache n’a pas beaucoup évoluée depuis son installation qui date de

1932. Les deux usines productrices n’arrivent pas à subvenir aux besoins du pays en

matière de ciments.

Plusieurs recherches ont été effectuées dans le domaine des ciments pour améliorer la

qualité des produits et surtout leurs performances mécaniques. Ces recherches

convergent de plus en plus vers les procédés d’obtention de ciments à hautes

résistances. Les méthodes sont nombreuses ; certaines s’appuient sur des actions

opérées sur le mélange cru et sur la conduite de la cuisson, d’autres consistent en des

modifications apportées par addition d’éléments ultra fins, associés à du superplastifiant

genre lignosulfonates ou gluconates, au ciment Portland.

Plusieurs paramètres influent sur l’aptitude à la cuisson du cru, pourtant beaucoup de

phénomènes restent inexpliqués, ou plutôt, des contradictions sont à noter quant aux

essais d’interprétation des mécanismes qui régissent ces paramètres.

Compte tenu de ces remarques, nous avons pris le parti d’essayer d’obtenir des

ciments à hautes résistances mécaniques à partir de matières premières locales, en

optimisant les paramètres qui interviennent dans la fabrication du ciment et en

maîtrisant la conduite de la cuisson.

53

Chapitre 01 : MMMEEETTTHHHOOODES EXPERIMENTALES

Dans ce chapitre, nous donnons de brèves descriptions des techniques et méthodes de

caractérisation et d’essai que nous avons mis à profit pour toutes nos investigations.

1. CARACTERISTIQUES PHYSIQUES

1.1. Teneur en eau naturelle

Les matériaux sont placés dans une étuve à 105 °C j usqu’à l’obtention d’un poids

constant. Soit Po le poids initial du matériau et soit P son poids exempt de toute eau

d’adsorption, L’expression de la teneur en eau W est :

W [%] = 100.( Po – P)

1.2. Limites d’Atterberg [18]

Ce sont des teneurs en eau qui sont caractérisées sur la fraction du matériau dont la

granulométrie est inférieure à 1,25 mm (tamis 32 de la série AFNOR)

�� Limite de plasticité Lp:

C’est la frontière entre l’état solide et l’état plastique pour un matériau. Elle correspond

à la teneur en eau minimale à laquelle le matériau est encore plastique. Cet état

correspond à une teneur en eau pour laquelle on peut encore rouler la pâte en fil de

3 mm de section sans qu’elle se rompe.

�� Limite de liquidité LL:

C’est la frontière entre l’état plastique et l’état liquide pour un matériau. Elle correspond

à une teneur en eau au-delà de laquelle la pâte devient liquide, c'est-à-dire qu’on ne

peut plus la travailler. Sa détermination préconise l’utilisation de l’appareil de

CASAGRANDE.

54

�� Indice de plasticité IP:

Il caractérise la malléabilité ou le caractère plastique d’un matériau. Il mesure l’étendue

de la plage de teneurs en eau dans laquelle un matériau se trouve à l’état plastique.

C’est la différence entre la limite de liquidité et la limite de plasticité :

IP [%] = LL - Lp

Casagrande définit une relation empirique entre IP et LL :

IP [%] = 0,73 (LL – 20)

�� Indice de consistance Ic:

Il caractérise la fermeté d’un matériau selon sa teneur en eau naturelle :

Ic = (LL – W) / (LL - Lp)

TERZAGH définit une échelle de consistance en fonction de la valeur de Ic :

Liquide Pâteux Mou Ferme Très ferme dur

0 0,25 0,5 0,75 1 Ic

1.3. Densités

�� Masse volumique ρ :

C’est le poids de l’unité de volume du matériau, vides entre les grains inclus.

Sa détermination consiste à :

- remplir un récipient taré de 1 litre avec le matériau versé en filet continu

avec un entonnoir,

- a raser ensuite la surface en évitant de tasser,

- peser le tout.

55

�� Poids spécifique γ :

C’est le poids d’une quantité de matériau tel que le volume réellement occupé par la

matière solide est égal à l’unité. Sa détermination préconise l’utilisation d’un

pycnomètre.

1.4. Granulométrie

�� Méthode classique :

Les analyses granulométriques de nos échantillons ont été faites par la méthode

classique du tamisage pour la fraction supérieure à 100 µ, et par sédimentométrie pour

la fraction inférieure à 100 µ.

La méthode du tamisage consiste à faire passer une masse bien déterminée de

matériau à travers une série normalisée de tamis de différents modules. Les refus sont

pesés, on en déduit les tamisats. On trace la courbe représentant les tamisats cumulés.

La sédimentométrie est une méthode qui consiste à mesurer la densité d’une

suspension de l’échantillon après un temps t de sédimentation, et à calculer le diamètre

et le pourcentage des grains à la profondeur de mesure.

L’ensemble de ces deux méthodes nous renseigne sur la distribution dimensionnelle

des grains de nos échantillons en poudre et permet de tracer leur courbe

granulométrique.

�� Granulométrie au laser :

Pour les échantillons de grande finesse, la méthode adoptée est la granulométrie au

laser. Elle consiste à mettre la poudre à analyser en suspension dans un liquide

(alcool), et à maintenir la suspension en mouvement dans une cuve à faces parallèles.

La cellule de mesure est mise sur le parcours d’un faisceau de lumière cohérente

(laser – hélium – néon). Les grains en mouvement diffractent le faisceau.

Le faisceau diffracté est analysé par un dispositif muni d’un calculateur. La déviation

des rayons lumineux par un grain est inversement proportionnelle au diamètre de

56

celui-ci. Un traitement statistique des informations recueillies permet de déduire la

granulométrie de l’échantillon.

Les analyses granulométriques au laser ont été effectuées sur un appareil CERILH

Silas 715, qui permet d’évaluer les diamètres des grains compris entre 1 et 196 µ, en

découpage de 16 familles granulométriques.

1.5. Surface spécifique

La détermination de la surface spécifique de nos poudres a été faite par la méthode de

Blaine ou par la méthode BET.

�� Surface spécifique de Blaine :

La méthode nécessite l’utilisation de l’appareil de Blaine ou « Perméabilimètre de

Blaine ». Elle est basée sur le temps que met un volume d’air constant, sous une

pression et température bien déterminée, pour traverser une couche de matériau

tassée dans des conditions bien définies. Ce temps est proportionnel à la surface

développée par tous les grains de solides de l’échantillon.

�� . Surface spécifique BET :

Lorsque les matériaux sont de très grande finesse, la méthode de Blaine est inopérante

ou donne des résultats erronés. La surface spécifique peut être alors déterminée par la

méthode BET (Brunauer, Emmett, Teller).

Le principe de la méthode est fondé sur l’adsorption de gaz par le matériau étudié. Une

masse connue de matière est soumise à un dégazage poussé sous vide. L’ensemble

de la cellule de mesure est plongé dans un bain d’azote afin de maintenir sa

température constante. Des quantités connues d’azote sont alors successivement

introduites dans la cellule. La pression résiduelle permet de déduire la surface

spécifique qui est en relation directe avec la quantité d’azote adsorbée.

L’appareil utilisé est du type ASAP 2000 MICROMERITICS.

57

1.6. Porosité

Les mesures de la porosité ont été faites à l’aide d’un porosimètre à mercure

COULTRONICS 9300 .

Le principe de la mesure repose sur le phénomène de dépression capillaire. La

méthode consiste à dégazer sous vide l’échantillon à analyser (environ 2 à 3 g). Le

mercure est ensuite introduit sous pression dans les pores. Il est ainsi possible de

calculer le volume de mercure ayant pénétré dans l’échantillon, volume qui est aussi

celui des pores, d’après la différence des hauteurs entre les niveaux et le diamètre du

tube. L’appareil enregistre automatiquement la baisse du niveau de mercure en fonction

de pression. Une pression d’intrusion croissante permet la pénétration des pores plus

petits. On pourra ainsi tracer l’ensemble de la distribution des diamètres des pores. La

pression exercée permet de déduire le rayon d’accès des pores, et le volume de

mercure injecté correspondant permet de déduire le volume relatif à chaque classe de

pores.

L’appareil permet la détermination du volume poreux, l’aire des pores, le facteur de

porosité ou le pourcentage des vides, la densité apparent et le poids spécifique du

matériau.

1.7. Début de prise [5]

Sa détermination préconise l’utilisation de l’appareil de VICAT. Le temps de début de

prise est défini par l’instant où l’aiguille de Vicat – aiguille de 1 mm2 de section pesant

300 g – ne s’enfonce plus jusqu’au fond d’une pastille de pâte pure de ciment.

Les modalités de l’essai font l’objet de la norme NF EN 196-3.

1.8. Retrait [5]

La mesure du retrait est effectuée sur des éprouvettes prismatiques 4 x 4 x 16 cm sur

mortier normal (norme NF P 15 433). Le retrait est limité à 0,8 mm/m ou 1 mm/m selon

le type de ciment.

58

1.9. Expansion [5]

Elle se mesure suivant un procédé normalisé (norme NF EN 196-3) et grâce aux

aiguilles de Le Chatelier. L’expansion ne doit pas être supérieure à 10 mm sur pâte

pure pour tous les ciments (NF EN 197-1).

Tous les essais de prise, de retrait et d’expansion ont été effectués au LNTPB

(Laboratoire National des Travaux Publics et des Bâtiments).

2. CARACTERISTIQUES CHIMIQUES ET MINERALOGIQUES

2.1. Analyse chimique

Les analyses chimiques de nos échantillons ont été effectuées soit par voie humide

classique, soit par fluorescence X.

Les analyses par voie humide ont été effectuées au laboratoire de chimie minérale du

Département Génie Chimique de l’ESPA.

L’appareil utilisé pour la méthode par fluorescence X est un spectromètre de

fluorescence X à dispersion d’énergie du type EDAX DX-95.

2.2. Diffraction des rayons X DRX

Cette méthode permet d’estimer l’état de cristallisation des matériaux. Elle sert aussi à

la détermination qualitative et, dans la mesure du possible, quantitative des constituants

minéralogiques des échantillons ainsi que des phases hydratées formées lors de

l’hydratation des ciments.

Les analyses ont été effectuées sur des produits broyés passant au tamis de 100 µ.

L’appareil utilisé est un Diffractomètre SIEMENS D5000 couplé d’un système

informatique dont l’élément central est un ordinateur digital « PDP 11/23 PLUS » qui

permet l’exploitation des résultats grâce à un choix de logiciels.

59

2.3. Spectrométrie Infra Rouge SIR

La spectrométrie infra-rouge est une méthode complémentaire à la diffraction des

rayons X pour l’étude des matériaux.

Les mesures sont en général réalisées par transmission. Quels que soient leurs

arrangements, les atomes, les ions et les électrons peuvent vibrer autour de leur

position d’équilibre. Ils deviennent ainsi de véritables oscillateurs dont les fréquences

propres sont variables selon la nature des types de liaison.

Irradiés, ces oscillateurs sont excités et lorsque la fréquence de rayonnement est égale

à l’une des fréquences propres du système, il y a absorption d’énergie

électromagnétique. Les spectres d’absorption IR constituent de véritables « empreintes

digitales » de la matière et permettent de déterminer le type de liaison des atomes, ions

ou groupements fonctionnels.

La SIR apporte les informations suivantes :

- identification des liaisons, notamment dans les mélanges à plusieurs

constituants ;

- altération des structures soumises à un traitement thermique ou

chimique ;

- étude des différentes formes d’eau ;

- état de cristallinité.

L’appareil utilisé est un spectrophotomètre PERKIN ELMER 451 qui permet de balayer

les nombres d’ondes comprises entre 250 et 4000 cm-1, dans les conditions suivantes :

- support : KBr (bromure de potassium) ;

- concentration : 2 mg d’échantillon dans 200 mg de KBr.

L’appareil est couplé à un système informatique qui permet l’exploitation des résultats

et l’impression des spectres.

60

2.4. Analyse thermique différentielle ATD

Cette méthode, couplée à la DRX, est utilisée pour caractériser les matières premières

et à identifier les produits d’hydratation des ciments. Elle permet aussi, dans certains

cas, de pallier les insuffisances de la DRX inadaptée aux produits mal cristallisés.

Le principe de la méthode consiste à enregistrer les transformations endothermiques et

exothermiques d’un produit au cours d’une montée linéaire en température. Ces

transformations peuvent traduire des pertes d’eau ou des changements d’états. Les

températures auxquelles se produisent ces transformations permettent d’identifier un

certain nombre de produits.

L’appareil de mesure est constitué de 4 creusets, d’un four et d’un enregistreur. Il

permet d’analyser simultanément deux produits. Les deux creusets contenant les

substances à analyser sont reliés à des thermocouples montés en opposition avec un

troisième disposé dans un autre creuset contenant un corps inerte (témoin). Un autre

thermocouple disposé dans le quatrième creuset permet d’enregistrer la montée en

température.

Les conditions expérimentales sont les suivantes :

- le matériau à étudier est finement broyé et passé au tamis de 100 µ ;

- la masse de l’échantillon est de 600 mg ;

- la vitesse de chauffe adoptée est de 300 °C/heure entre l’ambiante et

1000 °C ;

- les thermocouples sont des couples Nickel Chrome – Nickel allié.

2.5. Microscopie électronique à balayage

La microscopie électronique à balayage est une technique qui permet de visualiser les

structures grâce à des appareils dont la source de rayonnement émet des électrons.

Ces électrons incidents vont exciter la couche superficielle de l’échantillon, produisant

par la suite une émission d’électrons secondaires. Ceux-ci seront plus facilement émis

par les reliefs de la surface en donnant naissance à des zones lumineuses, alors que

les creux (zones plus attaquées par les réactifs) apparaîtront en sombre.

61

Le MEB a une résolution de l’ordre de 100 Ǻ. Son agrandissement peut varier de

quelques unités à 50 000 ou même 100 000. Il permet l’examen d’échantillons massifs

avec une très grande profondeur de champ d’où une impression de vision

tridimensionnelle.

Les observations au MEB ont été faites avec un microscope JEOL 35CF, sur poudres

ou fractures préalablement recouvertes d’une mince couche d’alliage or – palladium par

métallisation sous vide pour obtenir des images en électrons secondaires.

3. CARACTERISTIQUES MECANIQUES

3.1. Principe

Les propriétés mécaniques sont évaluées à partir d’essais de résistance en

compression simple sur pâte pure et/ou sur mortier normal selon la norme

NF EN 196-1.

Les essais sont effectués sur des micro-éprouvettes cylindriques 2 x 4 cm pour les

pâtes pures, et sur éprouvettes prismatiques 4 x 4 x 16 cm pour les mortiers. La presse

de mise en charge est du type ADAMEL LOMARGY DY29. Elle permet des

asservissements en déplacement de 1/100 mm /mn à 10 mm/mn. C’est un montage

compression par traction inversée muni d’une rotule à grand débattement. Deux

capteurs inductifs permettent le suivi de l’écrasement de l’échantillon avec une grande

précision.

3.2. Coulage et conservation des éprouvettes

Les micro-éprouvettes de pâte pure et les éprouvettes de mortier sont coulées par

batterie de 6 unités.

Elles sont conservées dans leur moule, en ambiance saturée en vapeur d’eau à 20 °C,

durant deux jours.

Le troisième jour, les éprouvettes sont démoulées et conservées sous eau jusqu’à la

veille de l’essai mécanique.

62

La veille de l’essai mécanique, les éprouvettes sont passées à l’étuve à 50 °C pendant

24 heures.

Les éprouvettes sont rompues à l’échéance fixée. Les fragments de pâte pure ou de

mortier sont récupérés, broyés et tamisés à 100 µ (100 % de passant).

La poudre ainsi obtenue servira aux examens ultérieurs en DRX, ATD et SIR.

63

CCChhhaaappp iii ttt rrreee 000222 ::: CCCAAARRRAAACCCTTTEEERRRIIISSSTTTIIIQQQUUUEEESSS DDDEEESSS MMMAAATTTIIIEEERRREEESSS PPPRRREEEMMMIIIEEERRREEESSS

Les matières premières utilisées peuvent être classées dans trois catégories :

- les matières premières de base : les mêmes que celles utilisées par la

société SOMACIM ;

- les ajouts ;

- les minéralisateurs.

En plus de ces matières premières, nous avons tenu à caractériser le CPA 45

commercialisé par la société SOMACIM, qui nous servira de témoin.

1. LES MATIERES PREMIERES DE BASE

Ce sont les mêmes matières premières que celles utilisées par la cimenterie d’Ibity :

- un cipolin qui est extrait d’une carrière sise près des installations de l’usine

à Ibity ;

- une argile naturelle provenant de la région de Mandaniresaka, à une

soixantaine de kilomètres de l’usine ;

- le combustible, qui est constitué par un mélange de charbon de bois et

d’anthracite importé d’Afrique du Sud.

1.1. Expression des résultats

Des analyses, aussi complètes que possible, ont été effectuées sur ces matières

premières. Nous rapportons ci-après les résultats de ces analyses.

� Caractéristiques physico-chimiques :

Les données physico-chimiques concernant le cipolin, l’argile et les combustibles

utilisés par la SOMACIM (et qui nous ont servi de matières premières de base) sont

exposées dans les tableaux qui suivent.

64

Tableau 12 : Composition chimique des matières premières de base en % massique

Elément CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO Na2O K2O SO3 P.F.

Cipolin 50,88 8,08 0,51 0,24 0,34 0,17 0,15 0,12 39,42

Argile 1,73 40,66 25,21 11,86 0,97 0,72 1,25 0,70 14,98

Teneur en CaCO3 :

- Cipolin : 90,89 % ;

- Argile : 4,03 %.

Tableau 13 : caractéristiques physiques des matières premières de base

W [%] LP [%] LL [%] IP [%] IC ρ [Kg/L] γ [Kg/L] S [cm2/g]

Cipolin 1,54 - - - - 2,45 2,89 -

Argile 4,67 53 28 25 1,93 1,12 2,35 6452

Tableau 14 : Données sur les combustibles

Caractéristiques

C. Sakoa C. de bois Anthracite CB + Ant

MV [%] 29,3 16,24 12,65 13,91

CF [%] 55,62 80,74 69,72 73,58

Cendres [%] 15,08 3,02 7,63 6,02

PCI [Kcal/Kg] 6451,43 7050,98 7045,81 7047,62

Composition chimique des Cendres (en % pondéral)

C. Sakoa C. de bois Anthracite CB + Ant

CaO 26,65 15,37 5,82 9,16

SiO2 36,24 42,64 45,10 44,24

Al2O3 16,77 18,63 30,43 26,30

Fe2O3 15,56 8,76 7,05 7,65

SO3 2,56 - 1,04 0,67

MgO 1,72 3,19 2,46 2,72

65

� Caractéristiques structurales et minéralogiques :

Les analyses minéralogiques ont donné les résultats représentés par les figures

suivantes.

Figure 08 : Diffractogramme X du Cipolin

Figure 09 : Spectrogramme IR du Cipolin

66

Figure 10 : Diffractogramme X de l’Argile

Figure 11 : Spectrogramme IR de l’Argile

67

Figure 12 : Diffractogramme X du charbon de SAKOA

Figure 13 : Spectrogramme IR du charbon de SAKOA

68

1.2. Interprétation

� Le cipolin :

Le cipolin d’Ibity est un calcaire d’assez grande pureté : 91 % de CaCO3. Sa principale

impureté est de la silice. Du point de vue composition chimique, il convient parfaitement

pour la fabrication du clinker à ciment.

L’analyse minéralogique confirme que la silice libre est la principale impureté du cipolin.

La DRX informe de plus sur l’organisation presque totale du réseau cristallin de ce

calcaire.

� L’argile :

L’argile de Mandaniresaka est relativement riche en silice et en alumine. Les éléments

secondaires sont en faible quantité, en particulier les alcalis.

Le spectre IR met en évidence les différentes formes d’eau contenue dans l’argile

(bandes à 3600, 3400 et 1600 cm-1).

Le diffractogramme X de l’argile montre un aspect confus, ce qui traduit son mauvais

état de cristallisation. On arrive tout de même à distinguer les raies caractéristiques du

quartz, des minéraux de feldspath, de l’hématite et de la montmorillonite. Toute fois,

une analyse par ATD a confirmé que le principal minéral argileux de l’argile de

Mandaniresaka est l’illite. Ce qui est en accord avec la valeur du rapport

SiO2/Al2O3 + Fe2O3) ≈ 2.

C’est une argile qui présente de bonnes possibilités du point de vue plasticité et

propriétés géotechniques. L’argile de Mandaniresaka convient pour la fabrication du

ciment par sa composition chimique et minéralogique, mais aussi par ses propriétés

physiques qui confèrent aux granules, en cours de cuisson, les résistances requises

aux chocs mécaniques et thermiques.

� Les combustibles :

Les trois types de combustible peuvent être indifféremment utilisés. Toute fois le

charbon de terre de Sakoa présente le pourcentage de cendres le plus élevé, et surtout

69

une teneur en soufre (SO3) non négligeable qui peut être dangereuse et non

écologique.

Notre choix porte donc (comme celui de la SOMACIM d’ailleurs) sur l’utilisation d’un

mélange de charbon de bois et d’anthracite importé.

2. LES AJOUTS

Ils sont ajoutés au mélange cru pour corriger la composition qui doit vérifier les valeurs

requises, imposées, qui correspond à des caractéristiques prédéfinies du ciment à

fabriquer. Notre choix s’est porté sur une matière très riche en silice (le CBR) et une

latérite qui est parmi les plus riche en oxydes de fer, la latérite de Vontovorona.



Elles sont regroupées dans les tableaux 15 et 16 suivants :

Tableau 15 : Composition chimique des ajouts (en % pondéral)

Elément CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO Na2O K2O SO3 P.F.

CBR 3,20 80,70 2,71 1,82 3,01 0,95 1,25 0,80 4,70

Latérite 0,00 20,81 25,75 28,20 0,12 0,02 0,01 0,05 17,87

Tableau 16 : caractéristiques physiques des ajouts

W [%] LP [%] LL [%] IP [%] IC ρ [Kg/L] γ [Kg/L] S [cm2/g]

CBR - - - - - 0,81 2,35 -

Latérite 14,72 35,95 24,35 11,60 1.83 1,34 2,78 8635

70


Les résultats des analyses minéralogiques sont représentés par les figures 14 à 17

Figure 14 : Diffractogramme X des Cendres de balles de riz CBR

Figure 15 : Spectrogramme IR des Cendres de balles de riz CBR

71

Figure 16 : Diffractogramme X de la Latérite

Figure 17 : Spectrogramme IR de la Latérite

72


� Les Cendres de balles de riz :

On note dans le CBR la présence de :

- une forte teneur en SiO2 (81 %), ce qui est prévisible, la combustion de

balles de riz donnant des cendres à haut pourcentage en silice amorphe ;

- une teneur notable en K2O, qui peut provenir des engrais potassiques ;

- une perte au feu assez faible, qui est due essentiellement aux imbrûlés.

Le diffractogramme X du CBR correspond à celui d’un produit dans un état

d’amorphisation avancé avec une élévation du bruit de fond surtout dans la zone

2θ = 20°. On arrive toute fois à distinguer quelques pics qui correspondent au quartz.

� La latérite de Vontovorona :

La latérite de Vontovorona présente une teneur en fer élevée. Par contre, pour une

latérite, elle est relativement pauvre en silice. Elle peut être classée dans les latérites

vraies (d’après une méthode classification adoptée par A. RAZAFIMANDIMBY [19]).

Le spectrogramme IR de ce matériau comporte en plus des bandes correspondant à

l’eau d’hydratation (3454 et 1634 cm−1) et aux groupements hydroxyles de la kaolinite

(3695 à 3620 cm−1), des bandes d’absorption dues aux ions OH− de la gibbsite 3600 à

3300 cm−1. Les oxydes de fer se manifestent par une bande peu intense de

1470 à 1350 cm−1.

Les différents constituants minéralogiques identifiés dans cette latérite sont : la

kaolinite, la gibbsite, l’illite, le quartz et l’anatase. On décèle aussi d’autre forme d’oxyde

de fer (la maghémite) et de titane (pseudorutile). En tenant compte des intensités des

raies, les faits suivants peuvent être notés :

- très faible quantité de quartz dans cet échantillon ;

- teneur en oxydes et hydroxydes de fer très élevée ;

- teneur notable en oxyde de titane sous différentes formes ;

- présence d’illite sous forme de trace.

73

La latérite de Vontovorona a une granulométrie très fine et serrée : 36 % des éléments

à moins de 2 µ, près de 87 % à moins de 200 µ, pour un diamètre médian égal à 6,8 µ.

3. LES MINERALISATEURS

Ce sont des substances inorganiques ajoutées en faible proportion au cru pour

améliorer son aptitude à la cuisson. Sur la base des données fournies par la littérature

technique et d’une question de disponibilité, nous avons opté pour le gypse et la

fluorine. De la dolomie sera utilisée en mélange avec le gypse.


� Caractéristiques chimiques :

Le tableau 17 donne la composition chimique élémentaire des minéralisateurs utilisés.

Tableau 17 : Composition chimique des minéralisateurs (en % pondéral)

Elément CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO SO3 K2O P.F.

Gypse 30,22 5,05 0,70 0,32 0,32 41,67 -- 20,28

Fluorine 2,68 30,21 0,24 0,00 0,97 -- 64,02 0,38

Dolomie 28,34 5,61 3,24 0,82 18,68 -- -- 41,98


Les résultats des analyses minéralogiques sont représentés par les figures 18 à 21 :

- DRX et ATD pour le Gypse ;

- DRX et SIR pour la fluorine ;

- aucune analyse pour la dolomie qui n’est pas utilisée comme principal

minéralisateur.

74

Figure 18 : Diffractogramme X du Gypse

1: Transformation de CaSO4,2H2O en CaSO4,½H2O

2: Transformation de CaSO4,½H2O en CaSO4

3: Transformation de CaSO4,2H2O en CaSO4,½H2O

Figure 19 : Courbe d’ATD du Gypse

75

Figure 20 : Diffractogramme X de la Fluorine

Figure 21 : Spectrogramme IR de la Fluorine

76


� Le gypse :

Le gypse utilisé provient du gisement de Mahazoma de la province de Mahajanga.

La teneur en sulfate > 40 %, indique que le gypse de Mahazoma se prête idéalement à

l’utilisation comme minéralisateur.

Le diffractogramme X met en évidence la présence de calcite, d’argile et de quartz qui

constituent les principales impuretés.

On peut déduire de l’ensemble des analyses effectuées que la pureté du gypse de Mahazoma

est d’environ 90 %.

� La fluorine :

La fluorine utilisée provient de la partie sud de Madagascar.

Les analyses nous permettent de déduire que c’est un produit dont la teneur en CaF2

est d’environ 64 %. Les principales impuretés détectées par DRX sont le calcaire et le

quartz.

� La dolomie :

La dolomie utilisée est fournie par la CNaPMad. Elle est livrée sous forme micronisée.

Nous l’utiliserons pour renforcer l’effet minéralisateur du gypse…

4. LE CPA 45 TEMOIN


Le produit qui nous servira de témoin, pour juger de l’efficacité des traitements

d’amélioration apportés, est un CPA 45 fourni par la société SOMACIM. Ses

caractéristiques sont données ci-après.

77


Elles sont regroupées dans les tableaux 18 à 20 suivants :

Tableau 18 : Composition chimique du CPA 45 témoin (en % pondéral)

CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO SO3 CaOL CaOcomb

63,0 20,3 5,5 2,9 1,2 1,7 1,6 61,4

Tableau 19 : Valeurs requises du CPA 45 témoin

MC MS MA

91,74 2,42 1,90

Tableau 20 : Caractéristiques physiques et mécaniques du CPA 45 témoin

ρ (T/m3) γ (T/m3) SSB (g/cm2) Rc à 28 jours en Mpa

Rcmin Rcmax Rc

0,98 3,01 4421 35,24 43,51 39,78


Le tableau 21 donne la composition minéralogique du CPA 45, calculée sur la base de

sa composition chimique en tenant compte de la chaux libre qu’il contient.

Les figures 22 et 23 représentent respectivement le diffractogramme X et le

spectrogramme IR de ce ciment témoin.

78

Tableau 21 : Composition minéralogique du CPA 45 témoin (en % pondéral)

C3S C2S C3A C4AF CaOL

54,31 17,53 9,67 8,82 1,6

Figure 22 : Diffractogramme X du CPA 45 témoin

Figure 23 : Spectrogramme IR du CPA 45 témoin

79

4.2. Interprétation En ce qui concerne les résistances mécaniques et la quantité de chaux libre, le CPA 45

témoin est conforme aux normes :

- il appartient bien à la classe de résistance 45, définie par la norme

NF P 15 301 ;

- la chaux libre est inférieure à la quantité maximale admise de 2 %.

Le module de silice MS est acceptable, et il en est de même pour le module d’alumine

MA même s’il est un peu plus élevé que la valeur normale d’environ 1,5.

Le module de chaux MC, par contre, est anormalement faible pour un CPA 45. Ce qui

explique en partie la faible teneur en chaux libre. Ce ciment correspond sans aucun

doute à un cru dont le module de chaux est faible (insaturation en chaux).

La granulométrie est assez grossière si on se réfère à sa surface spécifique.

Le diffractogramme X confirme l’existence des constituants prévus pour un CPA. La

teneur en C3S est acceptable, ce qui est en rapport avec les performances mécaniques

du ciment. D’autres éléments en état de trace sont aussi décelés (le calcite, la chaux) et

leur présence est confirmée par la spectrométrie IR.

80

CChhaappii tt rree 0033 ::

CCOONNTTRRIIBBUUTTIIOONN AAUUXX EETTUUDDEESS SSUURR LL’’AAMMEELLIIOORRAATTIIOONN DDEE LLAA QQUUAALLIITTEE DD’’UUNN CCLLIINNKKEERR IINNDDUUSSTTRRIIEELL

1. PRESENTATION DE L’ETUDE Au cours des années 1997 – 1998, la société SOMACIM connut des problèmes au

niveau de la régularité de la qualité de ses produits : elle n’arrivait pas à produire, d’une

façon permanente et régulière, un clinker qui correspond au ciment Portland de

classe 45. Un responsable du contrôle de la qualité des produits est venu consulter le

Département Sciences des Matériaux et Métallurgie (SMM) de l’ESPA à propos de ces

problèmes. Le Département a bien voulu apporter sa contribution à la recherche de

solutions.

Les solutions provisoires adoptées par la société étaient alors :

- fabriquer du CPA 35 avec les clinkers non performants ;

- utiliser les bons clinkers pour la fabrication de CPJ 35, par ajout de

pouzzolane ;

- importer du bon clinker pour la fabrication de CPA 45.

Les causes évoquées de ces irrégularités étaient nombreuses, mais elles peuvent être

résumées en deux principales raisons :

- non maîtrise des installations et procédés de cuisson ;

- mélange cru mal dosé et mal préparé.

Un groupe de recherche a été formé, spécialement à cette occasion, au sein du

Département SMM et une descente sur terrain a été organisée pour constater de visu

les cas évoqués.

Le problème était délicat à résoudre car on devait travailler en vraie grandeur, à

l’échelle industrielle. Les interventions ne devraient, en aucune façon, conduire à un

rejet total de la production en cas de non réussite.

81

Comme on ne pouvait intervenir directement au niveau des installations de cuisson, les

solutions proposées, sur la base des informations fournies par la littérature technique,

étaient les suivantes :

- révision de la composition du mélange cru, en respectant les méthodes de

calculs de la société ;

- correction de la composition du mélange cru, en adoptant une méthode de

calcul plus fiable ;

- utilisation de minéralisateurs, dans les limites techniquement permises.

2. FABRICATION DE CLINKER PAR LES METHODES DE L’USI NE L’usine n’utilise que deux matières premières pour la fabrication de son clinker. La

méthode de calcul de la composition du mélange cru consiste à viser une teneur en

CaCO3 entre 70 et 72 %.

Quatre compositions, correspondant à quatre enfournements, sont proposées.

2.1. Calcul du mélange cru

Le calcul du cru est fait en visant une teneur en CaCO3, sur la base des compositions

chimiques des matières premières et des caractéristiques du combustible.

� Quantité de charbon Q :

Elle est calculée en fonction de la quantité de matière à cuire : le « préhomo », mélange

dosé et préhomogeneisé de calcaire et d’argile.

- Rendement du préhomo (PH) : 1,54 (Source SOMACIM)

100 Kg de PH → 64 Kg de Clinker

- Consommation de chaleur : 900 kcal / Kg de clinker (Source SOMACIM)

- 100 Kg de PH nécessitent 57 600 kcal

→→→→ Quantité de charbon pour 100 Kg de PH : Q = 57 600 / PCI

82

� Composition de la farine crue (FC) :

La farine crue se compose de C % de charbon et de PH % de préhomo :

- C (%) = 100 Q / (100 + Q)

- PH (%) = 100 - C

Le CaCO3 de la farine crue est supposé être apporté par seulement le PH.

Soit CaCO3 (FC) la teneur visée et CaCO3 (PH) celle du préhomo on a :

- CaCO3 (PH) = CaCO3 (FC) / PH (%)

Le cipolin et l’argile présentent des écarts par rapport à cette valeur ; on déduit la

composition du préhomo à partir de ces écarts. Soient : CIP (PH) et ARG (PH).

→→→→ Composition de la farine crue :

Cipolin (%) = CIP (PH) x PH (%)

Argile (%) = ARG (PH) x PH (%)

Charbon (%) = C (%)


Les farines crues subissent approximativement les mêmes traitements jusqu’à

l’obtention du ciment (degré de broyage, homogénéisation, conduite de cuisson…). Les

clinkers et ciments correspondants ont été analysés. Les résultats de ces analyses sont

exposés ci-après.

� Farines crues :

Tableau 22 : Composition des farines crues (en % pondéral) (Suivant la teneur en CaCO3 visée)

FC C1 C2 C3 C4 CaCO3 visée 71 71,50 72 72,50

CIPOLIN 78,32 78,90 79,49 79,93 ARGILE 13,91 13,33 12,94 12,30

CHARBON 7,77 7,77 7,77 7,77 Tableau 23 : Composition chimique des farines crues (en % pondéral)

83

FC CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 Na2O K2O MgO SO3 PF

C1 39,83 12,24 4,18 1,81 0,23 0,29 1,01 0,17 39,17

C2 40,12 12,04 4,03 1,75 0,23 0,28 1,01 0,17 39,31

C3 40,40 11,86 3,88 1,69 0,22 0,28 1,01 0,17 39,46

C4 40,61 11,71 3,17 1,64 0,22 0,27 1,00 0,17 39,57

Tableau 24 : Modules des farines crues

CaCO3 FC MC MS MA

71 C1 95,28 2,04 2,31

71,5 C2 97,91 2,08 2,30

72 C3 100,49 2,13 2,30

72,5 C4 102,59 2,16 2,30 � Clinkers :

Tableau 25 : Composition chimique des clinkers (en % pondéral)

FC CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO SO3

C1 65,48 20,12 6,87 2,98 1,66 0,28

C2 66,11 19,84 6,64 2,88 1,65 0,26

C3 66,73 19,59 6,41 2,79 1,67 0,27

C4 67,20 19,38 6,23 2,69 1,65 0,28 Tableau 26 : Teneurs en C3S et en chaux libre des clinkers (en % pondéral)

FC C1 C2 C3 C4

C3S 44,49 52,98 53,63 52,55

CaOL 3,31 4,02 5,36 6,82

Rc28 36,27 38,53 40,62 37,98 � Ciments :

84

Les ciments sont obtenus par broyage fin des clinkers avec du gypse, à raison de

4 %. Les essais mécaniques sont effectués sur mortier normal.

Tableau 27 : Résistance à la compression simple des ciments, à 28 jours (en MPa)

FC C1 C2 C3 C4

Rc28 36,27 38,53 40,62 37,98

Rcmin 32,56 35,01 37,92 35,21

Rcmax 38,22 41,57 42,33 39,02 Tableau 28 : Caractéristiques physiques des ciments

FC C1 C2 C3 C4

γ (T/m3) 3,05 3,02 2,98 3,09

ρ (T/m3) 1,15 1,09 0,99 1,01

SSB (g/cm2) 4425 4418 4432 4447


Les premières constatations, aux vues de ces résultats, sont :

- des teneurs en chaux libre anormalement élevées (toutes supérieures à la

limite admise de 2 %) ;

- des teneurs en alite relativement faibles, quelque soit la valeur du module de

chaux ;

- des modules d’alumine MA excessivement élevée, pour l’ensemble des

farines crues ;

- des valeurs de MS convenables mais insuffisantes pour les valeurs élevées

de MC ;

- des farine crues sursaturées en chaux (C3 et C4).

- des résistances mécaniques respectant les normes (35 < Rc < 55 MPa ou

Rcmin ≥ 32,5 MPa), mais relativement faibles, pour des ciments de classe 45.

Ces remarques, qui découlent les unes des autres, traduisent les faits essentiels

suivants :

85

- un mauvais dosage du cru ;

- une aptitude à la cuisson insuffisante du cru ;

- des performances limitées des installations de cuisson.

Compte tenu de ces remarques, nous proposons dans un premier temps de corriger la

composition du mélange cru, en adoptant une méthode de calcul plus rigoureuse.

3. CORRECTION DE LA COMPOSITION DU CRU INDUSTRIEL

Parmi les quatre farines crues industrielles précédemment testées, nous en avons

retenues deux qui présentent quelques intérêts :

- C2 : elle est proche des farines crues pour clinkers normaux, par les valeurs

des modules de chaux et de silice (MC ≈ 98 et MS ≈ 2) ; elle peut donner un

clinker qui a de bonnes performances mécaniques tout en respectant les teneurs

en chaux libre admises par les normes.

- C4 : elle peut donner un clinker riche en alite (MC > 100 et MS ≈ 2,2).

La méthode de composition adoptée propose de fixer les valeurs des trois modules, et

non plus de viser une teneur en CaCO3.

Fixer simultanément les valeurs des trois modules implique l’utilisation de quatre

matières premières.

Le procédé adopté pour le calcul de la composition du mélange cru est celui par

équations de détermination et de concordance des phases.

Les ajouts de correction choisis sont le CBR, riche en silice, et la latérite de

Vontovorona, riche en oxydes de fer. Des simulations de composition ont permis de

vérifier que ces deux matériaux sont bien compatibles avec le cipolin d’Ibity et l’argile de

Mandaniresaka, par leurs compositions chimiques.


86

3.1.1. Composition des farines crues corrigées

Les crus industriels C2 et C4 sont corrigés de la manière suivante :

- Pour C2 : fixer MC = 98, MA = 2 et faire varier MS de 2 à 2,5 ;

- Pour C4 : fixer MC = 102, MA = 1,5 et faire varier MS de 2 à 2,5 ;

- Une composition supplémentaire, jugée plus intéressante a été testée à partir

de C2 : MC = 98, MS = 2,5 et MA = 1,5.

Tableau 29 : Modules des farines crues corrigées

FC CC1 CC2 CC3 CC4 CC5 CC6 CC7

MC 98 98 98 98 102 102 102

MS 2 2,20 2,50 2,50 2,00 2,20 2,50

MA 2 2 2 1,50 1,50 1,50 1,50

Tableau 30 : Composition des farines crues corrigées (en % pondéral)


CIP 77,86 78,21 78,65 78,49 78,42 78,78 79,23

ARG 13,45 12,30 10,86 6,38 7,83 7,08 6,14

CBP 0,02 0,90 2,00 3,62 1,59 2,31 3,22

LAT 0,73 0,65 0,55 3,57 4,22 3,89 3,47

Charbon 7,94 7,94 7,94 7,94 7,94 7,94 7,94

3.1.2. Caractéristiques des clinkers et des ciments

Ce paragraphe concerne l’évaluation des produits de cuisson correspondant aux

mélanges crus corrigés.

Les caractéristiques des clinkers ainsi que celles des ciments sont regroupées dans les

tableaux 31 à 35.



87

CaO 67,28 67,59 67,98 67,66 67,78 68,11 68,53

SiO2 20,14 20,57 21,10 21,23 19,75 20,15 20,66

Al2O3 6,71 6,23 5,63 5,10 5,92 5,50 4,96

Fe2O3 3,36 3,12 2,81 3,40 3,95 3,66 3,31

MgO 0,67 0,70 0,73 0,74 0,67 0,69 0,73

Na2O 0,39 0,39 0,39 0,36 0,35 0,35 0,36

K20 0,48 0,48 0,47 0,41 0,40 0,40 0,40

SO3 0,32 0,32 0,32 0,29 0,28 0,28 0,28 Tableau 32 : Composition minéralogique des clinkers (en % pondéral)


C4AF 10,21 9,47 8,55 10,33 12,01 11,14 10,05

C3A 12,12 11,25 10,16 7,76 9,02 8,37 7,55

C3S 60,77 61,35 61,68 63,12 64,58 64,92 64,88

C2S 12,23 13,02 14,31 13,59 8,24 9,15 10,63 Tableau 33 : Teneur en chaux libre et poids au litre des clinkers


ρ (T/m3) 2,50 2,47 2,42 2,46 2,49 2,47 2,45

CaOL (%) 2,42 2,67 3,08 2,85 3,82 4,12 4,61

C3S (%) 60,77 61,35 61,68 63,12 64,58 64,92 64,88

Rc28 (Mpa) 39,58 40,67 41,07 44,78 47,69 48,34 47,81 Tableau 34 : Caractéristiques physiques des ciments


γ (T/m3) 3,02 3,06 3,09 3,10 2,96 3,12 3,08

ρ (T/m3) 1,08 1,15 0,98 1,06 0,97 1,02 1,05

SSB (g/cm2) 4435 4419 4442 4427 4478 4423 4412

Tableau 35 : Résistance à la compression à 28 jours des ciments (en MPa)


88

Rc28 39,58 40,67 41,07 44,78 47,69 48,34 47,81

Rcmin 38,71 39,62 40,16 43,68 46,84 46,94 46,70

Rcmax 40,44 41,72 41,98 45,88 48,54 49,75 48,92


Les corrections effectuées sur la composition des mélanges crus ont apportés les

améliorations attendues, entre autres :

- une diminution notable de la chaux libre (< 4,02 pour C2 ; < 6,82 pour C4) ;

- une nette augmentation de la teneur en alite : C3S > à 60 % pour tous les

crus corrigés ;

- une augmentation de la résistance mécanique, très marquée pour C4.

Pour mieux apprécier le degré de transformation de la matière au cours de la fabrication

du clinker, nous avons utilisé, avec la chaux libre (non combinée), une autre

grandeur utilisée par d’autres auteurs, le degré ou taux de transformation y [8] tel que :

y [%] = 100 (CaOTotal – CaOLibre) / CaOTotal

Par son expression, y traduit mieux le degré de combinaison de la chaux avec les

constituants acides.

� Chaux libre et degré de transformation : Les teneurs en chaux libre des clinkers obtenus avec les farines crues corrigées, sont

nettement inférieures par rapport à celles de C2 et C4. Ce qui traduit une nette

amélioration de l’aptitude à la cuisson de ces crues. Toute fois ces teneurs sont

toujours supérieures à la limite admise de 2 %.

Cette amélioration de l’aptitude à la cuisson peut s’expliquer par le choix d’une valeur

plus faible du module de silice MA. En effet, des valeurs faibles de MA conduisent à

l’augmentation de la quantité de la phase fondue et facilitent la dissolution de CaO et de

C2S ainsi que leur mobilité. La température de début de formation de l’alite est aussi

abaissée. La réaction de clinkerisation est favorisée dans son ensemble.

89

Les effets positifs d’une baisse de la valeur de MA sont supplantés par l’influence

négative de forts valeurs de MC et MS.

Les figures 24 et 25 illustrent le degré de combinaison de la chaux suivant les valeurs

du module de silice, pour MC et MA donnés.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6MS

CaO

libr

e [%

]

MC=98 / MA=2

MC=102 / MA=1,5

Figure 24 : Variation de la chaux libre en fonction de MS

95,0

95,2

95,4

95,6

95,8

96,0

96,2

96,4

96,6

1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6MS

Deg

ré d

e co

mbi

nais

on y

[%] MC=98 / MA=2

MC=102 / MA=1,5

Figure 25 : Degré de combinaison de la chaux en fonction de MS

Ces figures montrent que plus MS est élevé plus la chaux se combine difficilement : la

chaux libre augmente et y diminue, d’une façon quasi linéaire, lorsque MS augmente.

L’augmentation de la chaux libre en fonction de MS est d’autant plus marquée que le

90

module de chaux est grand. Ceci confirme que des valeurs élevées de MC et MS sont

néfastes à l’aptitude à la cuisson du cru.

Il faut aussi signaler que des crus sursaturés en chaux (MC > 100) contiendront

toujours de quantités notables de chaux libre.

� Teneurs en alite :

L’augmentation de la teneur en alite rejoint ce qui a été dit sur la chaux libre en ce qui

concerne le choix d’une faible valeur de MA.

La figure 26 montre l’évolution de la quantité d’alite dans le clinker en fonction de la

valeur de MS, pour MC et MA donnés.

60

61

62

63

64

65

66

1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6MS

C3S

[%]

MC=98 / MA=2

MC=102 / MA=1,5

Figure 26 : Evolution de la teneur en alite en fonction de MS

Pour obtenir des clinkers à haute teneur en alite, il faut des fortes valeurs de MC et MS.

Ceci est en accord avec la théorie de « l’excès de réactifs ».

La teneur en C3S semble augmenter avec le module de silice. Toutefois l’ampleur de

cette augmentation diminue au fur et à mesure que MS croit. A partir d’une certaine

91

valeur de MS (et suivant celle de MC) on assiste à une diminution de la quantité d’alite

formée.

Pour les fortes valeurs de MC et de MS, les effets négatifs découlant de la nature de la

phase fondue (augmentation de la viscosité, diminution de la mobilité des éléments…)

l’emportent sur l’influence bénéfique d’un excès de réactif.

� Résistance mécanique :

L’augmentation de la résistance mécanique résulte, de celle de la teneur en alite. Les

ciments à haute résistance sont généralement des ciments à haute teneur en alite.

Des résistances élevées, en rapport avec des fortes proportions d’alite dans le clinker,

sont obtenues avec de fortes valeurs de MC et de MS, ce qui s’accompagne donc d’une

augmentation indésirable de chaux libre.

La figure 27 montre l’évolution de la résistance mécanique avec le module de silice,

pour MC et MA donnés.

35

37

39

41

43

45

47

49

51

1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6MS

Rc

[MP

a]

MC=98 / MA=2

MC=102 / MA=1,5

Figure 27 : Variation de la résistance en fonction de MS

Les farines crues qui donnent des ciments résistants sont celles qui présentent des

modules de chaux et de silice élevés avec des valeurs de MA relativement faibles.

92

Les résultats de nos essais sur les crus industriels nous conduisent à une remarque

importante : pour un ciment donné, la résistance à la compression simple du mortier

normal à 28 jours d’âge semble varier d’une façon linéaire avec la teneur en C3S du

clinker correspondant.

La figure 28 illustre cette affirmation

35

40

45

50

55

60 61 62 63 64 65 66C3S [%]

Rc 2

8 [M

Pa]

Figure 28 : Relation entre résistance mécanique et teneur en alite

Pour les crus industriels étudiés, cette affirmation peut être exprimée par la relation

empirique :

Rc28 [MPa] = 2 C3S – 82

Inversement, toujours pour ces crus industriels, la mesure de la résistance mécanique

permettrait de déduire une valeur approximative de la teneur en alite :

C3S [%] = (Rc28 + 82) / 2

4. ESSAI DE GYPSAGE DU MELANGE CRU INDUSTRIEL

93

De simples corrections, effectuées au niveau de la composition des mélanges crus, ont

apporté beaucoup d’améliorations sur la qualité des produits de cuisson. Toutefois ces

produits ne sont pas toujours conformes aux normes par leur teneur en chaux libre.

Sur l’appui des informations fournies par la littérature technique, nous avons décidé

d’exploiter la théorie des minéralisateurs pour essayer d’améliorer d’avantage nos

produits.

Le procédé consiste à ajouter au mélange cru, en faible proportion, des substances

inorganiques qui vont favoriser, dans son ensemble, la cuisson du clinker et en

particulier la formation du principal constituant : le C3S.

Le minéralisateur choisi est le gypse de Mahazoma. C’est un matériau de pureté

acceptable, qui titre environ 90 % en sulfate de calcium.

Le principe est simple : substituer une petite partie du cru par du gypse. On ajoute au

mélange cru des quantités croissantes de gypse. On se garde, par des calculs

approximatifs de prévision, de ne pas dépasser la teneur limite de 3 % en SO3 dans le

clinker.

Nous avons choisi d’appliquer le « gypsage » à deux crus industriels améliorés :

- C4 : Il présente le meilleur rapport résistance – chaux libre ;

- C7 : Il offre la plus grande potentialité pour la production de clinkers à haute

teneur en alite (MC et MS élevés).


� Composition des mélanges crus gypsés Du gypse est additionné aux deux crus corrigés C4 et C7. Les quantités ajoutées vont

de 1 à 5 % en masse ; ce qui correspond à des teneurs en SO3 inférieures à 3% dans

le clinker.

94

Une correction de la composition des crus gypsés, pour respecter les valeurs requises,

s’avère superflue : les modifications apportées par le gypsage sur les valeurs de MS et

MA sont pratiquement nulles et celles de MC restent faibles jusqu’à une certaine limite.

Les tableaux 36, 37 et 38 donnent respectivement les compositions des crus gypsés,

leurs compositions chimiques et les valeurs des modules.

Tableau 36 : Composition des crus industriels gypsés (en % pondéral)

CRU Composition des crus

CRU Composition des crus

CC4 Gypse SO3 (%) CC4 Gypse SO3 (%)

CC4 100 0 0,18 CC7 100 0 0,18

CC41 99 1 0,60 CC71 99 1 0,59

CC42 98 2 1,01 CC72 98 2 1,01

CC43 97 3 1,43 CC73 97 3 1,42

CC44 96 4 1,84 CC74 96 4 1,84

CC45 95 5 2,26 CC75 95 5 2,25 Tableau 37 : Composition chimique des crus industriels gypsés (en % pondéral)

CRU CC4 CC41 CC42 CC43 CC44 CC45 CC7 CC71 CC72 CC73 CC74 CC75

CaO 43,63 43,49 43,36 43,22 43,09 42,96 44,02 43,88 43,74 43,60 43,47 43,33

SiO2 13,69 13,60 13,52 13,43 13,34 13,26 13,27 13,19 13,11 13,02 12,94 12,86

Al2O3 3,29 3,26 3,23 3,21 3,18 3,16 3,18 3,16 3,14 3,11 3,09 3,06

Fe2O3 2,19 2,17 2,15 2,13 2,12 2,10 2,12 2,11 2,09 2,07 2,05 2,03

MgO 0,48 0,48 0,48 0,48 0,47 0,47 0,47 0,47 0,46 0,46 0,46 0,46

Na2O 0,23 0,23 0,23 0,23 0,22 0,22 0,23 0,23 0,22 0,22 0,22 0,22

K20 0,26 0,26 0,26 0,26 0,25 0,25 0,26 0,25 0,25 0,25 0,25 0,24

SO3 0,18 0,60 1,01 1,43 1,84 2,26 0,18 0,59 1,01 1,42 1,84 2,25

PF 35,52 35,37 35,22 35,07 34,92 34,76 35,76 35,61 35,45 35,30 35,15 34,99 Tableau 38 : Modules des crus industriels gypsés


MC 98,00 98,34 98,69 99,04 99,40 99,76 102,00 102,34 102,68 103,03 103,38 103,74

MS 2,50 2,50 2,51 2,51 2,52 2,52 2,50 2,50 2,51 2,51 2,52 2,52

MA 1,50 1,50 1,50 1,50 1,50 1,51 1,50 1,50 1,50 1,50 1,50 1,51

95

� Caractéristiques des clinkers industriels gypsés L’évaluation des clinkers se fait par la détermination de leur composition chimique, de

leur composition minéralogique, de leur teneur en chaux libre et par la mesure de leur

poids au litre.

Ces caractéristiques sont regroupées dans les tableaux 39 et 41.

Tableau 39 : Composition chimique des clinkers industriels gypsés (en % pondéral)


CaO 67,66 67,30 66,93 66,57 66,21 65,85 68,53 68,15 67,77 67,39 67,02 66,65

SiO2 21,23 21,05 20,86 20,68 20,50 20,32 20,66 20,48 20,31 20,13 19,95 19,78

Al2O3 5,10 5,04 4,99 4,94 4,89 4,84 4,96 4,91 4,86 4,81 4,76 4,71

Fe2O3 3,40 3,36 3,32 3,29 3,25 3,21 3,31 3,27 3,23 3,20 3,16 3,13

MgO 0,74 0,74 0,74 0,73 0,73 0,72 0,73 0,72 0,72 0,71 0,71 0,71

Na2O 0,36 0,36 0,35 0,35 0,34 0,34 0,36 0,35 0,35 0,34 0,34 0,33

K20 0,41 0,40 0,40 0,39 0,39 0,38 0,40 0,39 0,39 0,38 0,38 0,37

SO3 0,29 0,88 1,52 1,70 2,53 2,96 0,28 0,92 1,56 2,20 2,84 3,47 Tableau 40 : Composition minéralogique des clinkers industriels gypsés (en % pondéral)


C4AF 10,33 10,21 10,10 9,99 9,88 9,77 10,05 9,94 9,83 9,72 9,61 9,51

C3A 7,76 7,69 7,61 7,54 7,46 7,39 7,55 7,48 7,41 7,33 7,26 7,19

C2S 13,59 10,18 7,78 6,97 6,71 6,61 10,63 6,04 4,34 4,61 5,73 6,19

C3S 63,12 66,97 69,47 69,86 69,51 68,96 64,88 70,33 71,91 70,88 68,72 67,45 Tableau 41 : Teneur en chaux libre et poids au litre des clinkers « gypsés »


CaOl [%] 2,85 2,18 1,64 1,62 1,78 1,99 4,61 3,52 3,18 3,48 3,96 4,42

y [%] 95,79 96,76 97,55 97,57 97,31 96,98 93,27 94,83 95,31 94,84 94,09 93,37

ρk [Kg/L] 2,46 2,63 2,83 2,84 2,77 2,70 2,45 2,57 2,61 2,57 2,52 2,48

96

� Caractéristiques des ciments Les ciments résultant des clinkers gypsés sont évalués par des mesures de la surface

spécifique et des densités et surtout par des essais mécaniques effectués sur mortier

normal.

Les résultats de ces analyses sont regroupés dans les tableaux 42 et 43.

Tableau 42 : Caractéristiques des ciments « gypsés »


γ (T/m3) 3,10 3,09 3,12 3,15 3,11 3,09 3,08 3,10 3,15 3,12 3,09 3,01

ρ (T/m3) 1,08 0,98 1,12 1,16 0,95 0,97 1,05 1,02 1,12 1,00 0,98 1,10

SSB (g/cm2) 4435 4447 4428 4424 4485 4475 4412 4436 4423 4452 4478 4426

Tableau 43 : Résistance à la compression à 28 jours des ciments « gypsés »


Rc [Mpa] 44,78 53,76 61,92 63,20 61,91 59,94 47,81 63,38 69,23 65,39 59,08 53,63

Rcmin[Mpa] 43,58 52,58 60,70 62,02 60,69 58,75 46,70 62,25 68,10 64,31 57,94 52,55

Rcmax[Mpa] 45,88 56,04 64,12 65,48 64,21 62,34 48,92 64,45 70,26 66,48 60,19 54,81


Les additions de gypse, aux meilleurs mélanges crus, ont apporté encore plus

d’amélioration aux caractéristiques des produits de cuisson. En particulier, on peut

noter :

- une nette diminution de la quantité de chaux libre dans le clinker ;

- des teneurs élevées en alite ;

- des résistances mécaniques très élevées pour certaines compositions du

mélange cru.

Ces améliorations peuvent être expliquées par l’influence positive du gypse, en tant

que minéralisateur, sur l’aptitude à la cuisson du mélange cru et les processus de

formation des constituants du clinker.

97

Les effets minéralisateurs du gypse s’expliquent par l’action des ions sulfates qui se

traduit par :

- une diminution de la viscosité de la phase fondue, en partie par fixation des

alcalis dans des sulfates alcalins ;

- une augmentation de la vitesse de dissolution de CaO et de C2S dans la

phase fondue ;

- une augmentation des cœfficients de diffusion des ions dans la matière

fondue [20].

Pour les raisons citées, une addition de gypse, dans des proportions adéquates, a un

effet accélérateur sur le processus de formation de l’alite dans son ensemble.

� Teneur en chaux libre et degré de transformation Les figures 29 et 30 montrent, en fonction de la proportion de gypse ajoutée, l’évolution

de la teneur en chaux libre des clinkers et du degré de combinaison de la chaux.

Quelque soit la valeur du module de chaux, on note une amélioration progressive de la

combinaison de la chaux, qui se traduit par une diminution de la chaux libre, jusqu’à

une quantité ajoutée de gypse d’environ 2%. Au-delà de cette valeur, l’effet

minéralisateur du gypse diminue. Dans notre cas, cette diminution est en partie

renforcée par une augmentation du module de chaux des farines crues trop gypsées.

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

0 1 2 3 4 5 6Gypse (%)

Cha

ux li

bre

(%)

CC4

CC7

Figure 29 : Evolution de la teneur en chaux libre en fonction de

la quantité de gypse ajoutée

98

92

93

94

95

96

97

98

0 1 2 3 4 5 6Gypse (%)

Deg

ré d

e co

mbi

nais

on y

(%)

CC4CC7

Figure 30 : Evolution du degré de combinaison de la chaux

en fonction de la quantité de gypse ajoutée

Nous pouvons également noter l’obtention, pour quelques compositions de la farine

crue industrielle gypsée, de clinkers dont les teneurs en chaux respectent les normes

(< 2 %).

� Teneur en alite

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

0 1 2 3 4 5 6Gypse (%)

C3S

(%

)

CC4

CC7

Figure 31 : Evolution de la teneur en alite en fonction de la quantité de gypse ajoutée

99

La figure 31 illustre les effets de l’addition de gypse, au mélange cru, sur la teneur en

alite des clinkers. On assiste, jusqu’à une quantité de gypse ajoutée d’environ 2 %, à

une augmentation de la proportion d’alite dans le clinker. Pour des proportions de gypse

plus élevées, l’influence positive des ions sulfates sur le processus de formation de

l’alite diminue. Toutefois cette diminution reste faible pour les crus à module de chaux

raisonnable (< 100), elle est fortement accentuée pour les crus sursaturés en chaux.

On peut également noter que, pour certaines compositions du mélange cru gypsé, on

arrive à obtenir des teneurs élevées en alite (jusqu’à 71 %), malheureusement couplées

à des teneurs en chaux libre élevées qui sont au-delà de la limite permise de 2%.

Ces contradictions sont dues, à notre avis, à un module de chaux élevé, synonyme de

mauvaise combinaison de la chaux, mais qui est nécessaire à l’obtention d’une grande

proportion d’alite dans le clinker.

� Poids au litre des clinkers La mesure de la densité apparente du clinker, appelé communément poids au litre dans

l’industrie cimentière, est la première méthode utilisée pour juger de la bonne cuisson

d’un clinker industriel : plus un clinker est dense, plus il est bien cuit.

A un clinker bien cuit correspond en effet une masse interstitielle plus compacte,

présentant moins de vides et moins de chaux libre.

La figure 32 montre l’évolution du poids au litre de nos clinkers en fonction de la

quantité de gypse ajoutée au mélange cru.

Les résultats des mesures du poids au litre des clinkers renforcent ce qui a été dit à

propos de la combinaison de la chaux et de la teneur en alite, qu’une addition entre 2 et

3 % de gypse améliore l’aptitude à la cuisson du mélange cru.

En outre, la figure 32 illustre clairement l’influence négative d’un fort module de chaux

sur l’aptitude à la cuisson : quelque soit la quantité de gypse ajoutée, les clinkers

obtenus à partir du mélange cru CC4 (MC ≈ 98) sont plus denses que ceux fabriqués

avec CC7 (MC ≥102).

100

2,4

2,5

2,6

2,7

2,8

2,9

0 1 2 3 4 5 6Gypse (%)

Poi

ds a

u lit

re (

Kg/

L)

CC4CC7

Figure 32 : Evolution du poids au litre du clinker en fonction de la quantité de gypse ajoutée

� Résistance mécanique En ce qui concerne l’amélioration de la résistance mécanique par gypsage du cru, les

résultats obtenus sont probants. L’influence de l’addition de gypse au mélange cru est

illustrée par la figure 32.

40

45

50

55

60

65

70

75

0 1 2 3 4 5 6Gypse (%)

Rc 28

(M

Pa)

CC4CC7

Figure 33 : Evolution de la résistance mécanique en fonction de la quantité de gypse ajoutée

101

La quantité optimale de gypse dépend de la composition du cru, et en particulier de la

valeur du module de chaux. En effet, l’action minéralisante optimale du gypse dépend

beaucoup du module de chaux du cru :

- Pour la série de crus CC4 (MC ≈ 98) : le maximum de résistance est obtenu

pour une addition de gypse comprise entre 2 et 3 %, mais on peut aller jusqu’à

5 % sans observer une diminution notable de Rc.

- Pour la série de crus CC7 (MC ≥ 100) : l’action minéralisante optimale est

également obtenue pour environ 2 % de gypse, mais une addition

supplémentaire entraîne une diminution brusque de la résistance.

Ce fait est dû, à notre avis, à un renforcement de l’influence négative du module de

chaux sur l’aptitude à la cuisson suite à un apport supplémentaire de chaux par le

gypse. L’effet de cet apport supplémentaire de chaux n’est pas perceptible tant que la

valeur du module de chaux n’est pas trop élevée. Pour les crus déjà sursaturés en

chaux, l’effet minéralisante du gypse n’arrive plus à corriger l’influence négative due à

une augmentation supplémentaire de MC.

Autre fait remarquable constaté : tous les ciments obtenus sont de classe supérieure à

45. Les moins performants appartiennent à la classe de résistance 55, d’autres entrent

dans la catégorie des ciments à haute résistance.

Parmi les essais effectués, deux compositions peuvent faire l’objet de remarques

particulières :

- CC43 : cet échantillon présente en même temps le maximum de résistance

(dans sa série) avec la valeur honorable de 63,2 MPa à 28 jours et le minimum

de chaux libre (inférieure à 2 %). Cet échantillon est obtenu avec un ajout de 3 %

de gypse au cru CC4, ce qui correspond à un cru dont les caractéristiques sont :

MC ≈ 99 ; MS = 2,5 ; MA = 1,5 et SO3 = 1,43 %.

- CC72 : c’est le ciment le plus résistant (Rc28 ≈ 70 MPa) de toute la série. Il

présente cependant l’inconvénient d’une teneur en chaux libre qui ne respecte

pas les normes (CaOL = 3.18 %). Cet échantillon est obtenu avec un ajout de

gypse de 2 % au cru CC7. Les caractéristiques du mélange cru sont les

suivantes : MC ≈ 102,7 ; MS ≈ 2,5 ; MA = 1,5 et SO3 ≈ 1 %.

102

Traduit en teneur en SO3, et pour les mêmes valeurs de MS et de MA (2,5 et 1,5),

l’action minéralisante optimale du gypse est obtenue pour une teneur en SO3 dans le

cru de :

- 1,3 à 1,5 % pour MC compris entre 98 et 99 ;

- 0,9 à 1,1 % pour MC compris entre 102 et 103.

� Relation entre résistance mécanique et teneur en alite L’examen des résultats de nos essais sur les crus industriels gypsés fait ressortir un

autre fait remarquable : la vérification qu’il existe une relation étroite entre la résistance

mécanique d’un ciment et la teneur en alite de son clinker.

En comparant les figures 31 et 33, on constate que les courbes illustrant l’évolution de

la teneur en alite et de la résistance mécanique, en fonction de la quantité ajoutée de

gypse, ont pratiquement la même allure. Ce qui confirme l’hypothèse qui a été émise

(cf. paragraphe 3.2.) que la résistance mécanique d’un ciment est due essentiellement

à sa teneur en alite.

Toutefois la relation entre ces deux grandeurs ne s’applique pas, comme c’était le cas

pour les crus non gypsés, à l’ensemble de nos échantillons. Il semble qu’il y ait deux

relations différentes pour les deux séries de composition. La figure 34 illustre cette

affirmation.

Ce qui confirme le fait que l’action minéralisante du gypse dépend de la valeur du

module de chaux.

De même, pour les crus gypsés, Rc et C3S ne vérifient plus la relation empirique

proposée auparavant pour les mélanges non additionnés de gypse. Nous proposons les

relations approximatives suivantes pour les farines crues gypsées :

- MC compris entre 98 et 99 : Rc28 [MPa] ≈ 2,94.C3S – 140,80

- MC compris entre 102 et 103 : Rc28 [MPa] ≈ 3,33.C3S – 168,43

103

40

45

50

55

60

65

70

75

64 65 66 67 68 69 70 71 72

C3S (%)

Rc 2

8 (M

Pa)

CC7

40

45

50

55

60

65

62 63 64 65 66 67 68 69 70

C3S (%)

Rc 2

8 (M

Pa)

CC4

Figure 34 : Relation entre teneur en alite et résistance mécanique

On observe, d’après la figure 34, que Rc s’écarte de la droite de référence lorsque la

teneur en C3S augmente ; ce qui veut dire que d’autres facteurs contribuent aussi à la

résistance mécanique, on peut citer, entre autres, la nature et la compacité de la

matrice interstitielle, ainsi que la faible teneur en chaux libre.

104

5. CONCLUSION

Pour clore ce chapitre relatif à notre contribution aux études sur l’amélioration de la

qualité d’un clinker industriel, nous pouvons tirer les conclusions suivantes :

Les essais d’améliorations ont apportés les résultats escomptés, et même un peu plus :

notre objectif primaire était la régularité de la qualité du clinker pour CPA ; nous

sommes arrivé à produire des ciments à haute résistance.

En ce qui concerne la composition du mélange cru : adopter une méthode de calcul du

mélange qui se base sur la fixation des trois modules, ce qui impose l’utilisation de

quatre matières premières (deux constituants de base et deux ajouts de correction).

Pour une valeur du module d’alumine moyenne (d’environ 1,5) couplée à des forts

modules de chaux et de silice, nous recommandons l’utilisation de minéralisateurs,

genre gypse, pour obtenir des ciments de bonne qualité : à haute résistance et à faible

teneur en chaux libre.

L’action minéralisante optimale du gypse est obtenue pour une addition de l’ordre de

2 à 3 % au mélange cru dont les modules sont : MC (98 – 99), MS ≈ 2 et MA ≈ 1,5.

De meilleures résistances peuvent être obtenues avec des modules de chaux plus

élevés (102 – 103) et des additions de gypse ne dépassant pas les 2 %, mais les

teneurs en chaux libre resteront en dehors de la limite permise par les normes de 2 %.

Aux vues des bons résultats obtenus à l’échelle industrielle, nous avons décidé

d’approfondir le sujet au niveau de l’échelle du laboratoire. Ce qui fera l’objet du

prochain chapitre.

105

CChhaappii tt rree 0044 ::

EELLAABBOORRAATTIIOONN DDEE CCLLIINNKKEERRSS RRIICCHHEESS EENN AALLIITTEE EETT AA FFAAIIBBLLEE TTEENNEEUURR EENN CCHHAAUUXX LLIIBBRREE

1. PRESENTATION DE L’ETUDE

Dans ce chapitre, nous allons essayer de déterminer les conditions optimales qui

permettent d’obtenir un clinker Portland à haute teneur en alite, mais qui contient le

minimum de chaux libre possible.

Notre démarche est un peu contre nature, dans ce sens que, généralement, ce sont les

résultats des recherches en laboratoire qui sont transposés à l’échelle industrielle. Dans

notre cas, ce sont des résultats très probants et inattendus, obtenus en industrie, qui

nous ont incités à approfondir le cas à l’échelle du laboratoire.

Notre principal objectif est de fixer les conditions optimales pour la fabrication d’un

ciment à haute résistance. La première condition pour atteindre cet objectif est

l’obtention d’un « clinker à haute teneur en alite ».

Un second objectif que nous nous sommes fixé est « une teneur minimale en chaux

libre », pour que le ciment produit soit conforme aux normes.

Les matières premières sont les mêmes que celles utilisées pour notre étude à l’échelle

industrielle : Le cipolin d’Ibity, l’argile de Mandaniresaka, les cendres de balles de riz et

la latérite de Vontovorona.

Plusieurs méthodes sont utilisées pour l’obtention de ciments à haute résistance.

Certaines consistent en l’amélioration des caractéristiques d’un clinker par des

techniques éprouvées, d’autres se basent sur des actions apportées sur la matière à

cuire pour obtenir un clinker correspondant à un ciment à haute résistance.

Pour notre étude, nous avons choisi d’agir sur le mélange cru pour obtenir des ciments

à haute résistance.

106

Plusieurs paramètres régissent la fabrication d’un bon clinker, ils sont d’ordres

technologiques, thermiques, rhéologiques, minéralogiques, chimiques,…

Dans un premier temps, nous allons fixer les paramètres technologiques et les

conditions techniques de fabrication. Ces paramètres seront choisis aussi près que

possible de ceux appliqués en exploitation industrielle, ceci dans un souci d’obtenir des

résultats qui peuvent être exploités.

Notre étude portera ensuite sur quatre axes principaux :

- recherche de la composition optimale du mélange cru, pour l’obtention d’un

clinker à la fois riche en alite et pauvre en chaux libre ;

- essai d’activation chimique, en utilisant des minéralisateurs ;

- essai d’activation thermique ;

- essai d’activation mécanique.

Les résultats obtenus par une méthode peuvent, bien entendu, être améliorés par la

méthode suivante.

Au terme de ce chapitre, les meilleurs clinkers serviront à fabriquer des ciments à haute

résistance.

2. CHOIX DES PARAMETRES TECHNIQUES DE FABRICATION

La composition du mélange cru constitue, sans aucun doute, le premier paramètre qui

conditionne l’obtention d’un bon clinker. Toutefois, plusieurs autres paramètres

interviennent dans la fabrication du ciment. On peut citer, entre autres, la finesse de

mouture et l’homogénéité de la farine crue, la préparation de la matière à cuire, la

conduite de la cuisson et le régime de refroidissement.

Ces paramètres seront fixés et, sauf pour des cas éventuels correspondant à des

changements volontaires, seront appliqués à toutes nos investigations, dans la mesure

du possible. Ce choix est fait dans le souci d’une possibilité de comparaison des

résultats obtenus avec les différentes méthodes utilisées. Les conditions opératoires

107

seront choisies aussi voisines que possible de celles appliquées en exploitation

industrielle.

2.1. Finesse de mouture

La vitesse des réactions de décomposition, des réactions entre solides et des

processus de dissolution dans la matière fondue est inversement proportionnelle à la

grosseur des grains. Il a été constaté qu’en ce qui concerne l’influence de la dimension

des grains sur la vitesse de formation des constituants du clinker, la teneur en gros

grains (<90 µ) est beaucoup plus importante que la répartition granulométrique [23]

[24].

Dans les cimenteries c’est le refus au tamis de 90 µ d’ouverture des mailles R90 qui fixe

la finesse de mouture de la matière à cuire. Cette grandeur varie de 5 à 20 % selon les

installations de cuisson. Cette finesse s’est révélée satisfaisante pour la fabrication du

clinker. En outre une trop grande finesse de mouture favorise les réactions à l’état

solide, ce qui peut exercer une influence négative sur la vitesse de dissolution dans la

phase fondue suite à une augmentation de la viscosité.

La moyenne gravimétrique de la grosseur des grains des farines crues industrielles se

situe entre 30 et 40 µ. On peut, à l’échelle du laboratoire, réduire sensiblement le temps

de réaction nécessaire par un broyage plus poussé qui ne serait en réalité économique

pour une exploitation industrielle.

Compte tenu de toutes ces remarques, pour définir la finesse de mouture de nos farines

crues, nous avons adopté les valeurs suivantes :

⇒⇒⇒⇒ R90 compris entre 10 et 15 % ;

⇒⇒⇒⇒ Passant cumulé au tamis de 120 µ : 100 %.

Ces conditions sont facilement réalisées à l’échelle du laboratoire et sont proches des

conditions d’exploitation d’une cimenterie.

108

2.2. Homogénéisation

Pour une farine crue bien dosée et ayant la finesse de mouture idéale, une bonne

homogénéité est une condition nécessaire à l’obtention d’un bon clinker. La réaction de

formation du clinker est conditionnée par la réunion dans un agglomérat d’un nombre

suffisamment grand de particules de farine crue, afin que la composition de cet

agglomérat corresponde à celle de l’ensemble de la farine crue. Un manque

d’homogénéité dans le mélange à cuire aboutit à la formation de minéraux autres que

ceux que l’on veut obtenir, par exemple la chaux libre.

A notre échelle, pour assurer une bonne homogénéisation de nos mélanges crus, nous

avons adopté un passage obligé pour ces derniers :

⇒⇒⇒⇒ Malaxage de 5 mn dans un malaxeur de laboratoire R ILEM Type 32.

Nous estimons que ce traitement supplémentaire renforcera l’homogénéité déjà acquise

par le cru suite à son passage dans le broyeur.

2.3. Préparation de la matière à cuire

Le mélange cru finement broyé et bien homogénéisé doit passer par d’autres

traitements avant son introduction au four.

Une technique qui a fait ses preuves pour favoriser les réactions à haute température à

l’état solide sur une poudre finement broyée, est de constituer des granules avec le

matériau d’expérimentation. Cette technique permet de maintenir en contact intime les

particules en réaction. La constitution des granules doit suivre certaines règles, entre

autres :

- La taille des granules doit permettre une uniformisation rapide de la

température et faciliter les phénomènes de transport vers le milieu extérieur;

- Les granules doivent pouvoir supporter les conditions opératoires.

Dans notre cas, les granules doivent avoir une bonne résistance aux chocs mécaniques

et thermiques. Ce qui est assuré par le choix du type et de la nature de l’argile qui entre

dans la composition du mélange cru. Ces granules auront une taille moyenne

109

équivalente à celle adoptée en exploitation industrielle. Nous retiendrons pour le

conditionnement de la matière à cuire, les consignes suivantes :

⇒⇒⇒⇒ Diamètre moyen des granules : 5 à 10 mm ;

⇒⇒⇒⇒ Séchage à l’étuve à 100 °C avant l’introduction da ns le four.

2.4. Chronogramme du traitement thermique

Le chronogramme du traitement thermique relatif à la fabrication du clinker diffère selon

les procédés de fabrication, toutefois, quelque soit le procédé adopté, il comprend les

phases successives suivantes : montée en température, maintien isotherme et

refroidissement.

A l’échelle industrielle, la vitesse de chauffe jusqu’à la température maximale de

cuisson dépend beaucoup du type de four, et varie généralement en fonction de

l’importance de l’installation. Dans notre cas nous adopterons une montée linéaire en

température de 30 °C par minute.

Il en est de même pour la durée de passage du mélange cru à travers la zone de

clinkerisation, elle varie largement avec les dimensions de l’installation de cuisson,

allant de 12 minutes à plus d’une heure. Nous adopterons la valeur moyenne de

30 minutes pour la durée du maintien isotherme.

La température de maintien isotherme est limitée, par les possibilités des fours

disponibles, à 1400 °C. Le choix de 30mn pour la du rée de maintien à la température

de clinkerisation est aussi, en partie, dicté par celui de la température de cuisson.

En exploitation industrielle, le refroidissement du clinker s’effectue en 2 étapes. La

première étape, de la température maximale de cuisson jusqu’à environ 1200 °C (limite

des réactions en présence de matière fondue), s’effectue dans le four. La seconde

étape s’effectue dans le refroidisseur par trempe à l’air.

Le régime optimal de refroidissement pour un clinker normal riche en alite est [8] :

- Tmax → 1200 °C : ∆T/∆t = 20 K/mn ;

- 1200 °C → 500 °C : ∆T/∆t = 70 K/mn.

110

Comme notre objectif est d’obtenir des clinkers riches en alite, nous avons adopté ce

régime de refroidissement.

En résumé, le chronogramme du traitement thermique adopté est le suivant :

⇒⇒⇒⇒ Montée linéaire en température jusqu’à 1400 °C : ∆∆∆∆T/∆∆∆∆t = 30 °C/mn ;

⇒⇒⇒⇒ Maintien isotherme à 1400 °C : 30 minutes ;

⇒⇒⇒⇒ Refroidissement au four jusqu’à 1200 °C : ∆∆∆∆T/∆∆∆∆t = 20 °C/mn ;

⇒⇒⇒⇒ Refroidissement par trempe à l’air jusqu’à 500 °C : ∆∆∆∆T/∆∆∆∆t = 70 °C/mn.

Ce chronogramme est illustré par la figure 35.

0

500

1000

1500

0 20 40 60 80 100t (mn)

T (°

C)

Figure 35 : Chronogramme du traitement thermique

3. DETERMINATION DE LA COMPOSITION OPTIMALE

3.1. Principe La détermination de la composition optimale se fait par le choix, parmi les différentes

compositions proposées, de celle qui fournit le clinker le plus riche en alite et qui

présente en même temps une faible teneur en chaux libre.

La méthode adoptée pour le calcul des mélanges crus est le procédé par équations de

détermination et de concordance de phases. Cette méthode est basée sur la fixation

des trois valeurs requises MC, MS et MA.

111

Le choix des valeurs des modules est dicté par l’objectif à atteindre, qui est d’obtenir un

clinker à haute teneur en alite.

L’évaluation des produits de cuisson se fait par les méthodes suivantes :

- analyse chimique complète ;

- détermination de la proportion de chaux libre ;

- calcul de la composition minéralogique sur la base des deux premiers

essais ;

- mesure de la résistance mécanique qui confortera le choix effectué.

Vu le nombre d’essais à effectuer, la détermination de la résistance à la compression

est opérée sur pâte pure des clinkers moulus avec 4 % de gypse.

3.2. Expression des résultats En nous basant sur les résultats obtenus dans les essais en industrie, et en nous

inspirant des données fournies par la littérature, nous proposons les combinaisons de

valeurs suivantes pour MC, MS et MA. Chaque combinaison correspond à une

composition de la farine crue.

Tableau 44 : Valeurs requises des mélanges crus

CRU Valeurs requises

MC MS MA

C1 99 2,5 1,5

C2 102 2,0 1,5

C3 102 2,2 1,5

C4 102 2,5 1,5

C5 102 2,8 1,5

C6 102 2,0 1,2

C7 102 2,2 1,2

C8 102 2,5 1,2

C9 102 2,8 1,2

C10 102 3,0 1,2

112

La première composition est proposée car elle correspond à celle qui a permis de

vérifier simultanément les deux critères de choix, lors des essais à l’échelle industrielle.

Le module de chaux est, pour les autres compositions, fixée à 102, car cette valeur de

MC permet, potentiellement, de satisfaire le premier critère : haute teneur en alite. De

plus, cette valeur, tout en étant élevée, reste dans le domaine des modules de chaux

des ciments courants à haute résistance.

Le module de silice est varié de 2 à 3 pour voir lequel donnerait, avec MC = 102, le

meilleur clinker.

Le module d’alumine est choisi assez faible pour améliorer l’aptitude à la cuisson des

crus : MA = 1,5 et MA = 1,2.

Les résultats des calculs des mélanges crus et ceux des analyses effectuées sur les

clinkers sont donnés dans les tableaux suivants.

Tableau 45 : Composition des mélanges crus (en % pondéral)

FC C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10

CIP 85,47 85,19 85,58 86,07 86,47 85,01 85,42 85,93 86,35 86,59

ARG 6,86 8,51 7,69 6,67 5,83 3,83 3,35 2,75 2,25 1,97

CBR 3,82 1,72 2,51 3,50 4,31 3,41 4,07 4,91 5,60 5,99

LAT 3,85 4,59 4,22 3,77 3,40 7,76 7,16 6,41 5,80 5,45

Tableau 46 : Composition chimique des mélanges crus (en % pondéral)

FC C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10

CaO 43,73 43,54 43,75 44,02 44,24 43,43 43,65 43,92 44,15 44,28

SiO2 13,58 12,69 12,95 13,27 13,54 12,79 13,04 13,36 13,62 13,77

Al 2O3 3,26 3,81 3,53 3,18 2,90 3,49 3,23 2,91 2,65 2,50

Fe2O3 2,17 2,54 2,35 2,12 1,93 2,91 2,69 2,43 2,21 2,09

MgO 0,48 0,43 0,45 0,47 0,48 0,44 0,45 0,47 0,49 0,50

Na2O 0,23 0,22 0,23 0,23 0,23 0,21 0,21 0,21 0,22 0,22

K20 0,26 0,26 0,26 0,26 0,26 0,22 0,22 0,23 0,23 0,23

SO3 0,18 0,18 0,18 0,18 0,18 0,16 0,16 0,16 0,17 0,17

113


FC C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10

CaO 67,88 67,78 68,11 68,53 68,87 67,47 67,82 68,27 68,64 68,85

SiO2 21,09 19,75 20,15 20,66 21,08 19,87 20,26 20,76 21,17 21,41

Al 2O3 5,06 5,92 5,50 4,96 4,52 5,42 5,02 4,53 4,12 3,89

Fe2O3 3,37 3,95 3,66 3,31 3,01 4,52 4,19 3,78 3,44 3,24

MgO 0,74 0,67 0,69 0,73 0,75 0,68 0,68 0,74 0,76 0,78

Na2O 0,36 0,35 0,35 0,36 0,36 0,32 0,33 0,33 0,34 0,34

K20 0,41 0,40 0,40 0,40 0,40 0,34 0,34 0,35 0,35 0,36

SO3 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28 0,25 0,25 0,26 0,26 0,26

Tableau 48 : Composition minéralogique des clinkers (en % pondéral)

FC C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10

C4AF 10,26 12,01 11,14 10,05 9,15 13,73 12,73 11,48 10,45 9,86

C3A 7,71 9,02 8,37 7,55 6,88 6,73 6,24 5,62 5,12 4,83

C3S 65,23 64,90 65,04 64,60 63,97 66,26 66,42 66,11 65,58 65,02

C2S 11,59 8,00 9,06 10,84 12,51 7,32 8,34 10,01 11,58 12,68

CaO libre 2,89 3,74 4,09 4,68 5,23 3,51 3,85 4,40 4,92 5,28 Tableau 49 : Résistance à la compression à 28 jours sur pâte pure (en MPa)

FC C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10

Rc 90,77 89,55 90,05 88,43 86,14 94,52 95,09 93,96 92,01 89,97

Rcmin 89,56 89,03 89,62 88,00 85,71 94,09 94,66 93,53 91,58 89,54

Rcmax 91,42 90,45 90,84 89,21 86,93 95,31 95,84 94,79 92,76 90,73

3.3. Choix de la composition optimale La figure 36 montre l’évolution des valeurs de la teneur en C3S, de celle en chaux libre

et de la résistance à la compression, mesurée sur pâte pure, à 28 jours.

114

Figure 36 : Variation des critères de sélection : CaO libre, C3S et Rc

En fin de compte, notre choix se fixera non pas sur une composition optimale, mais

plutôt sur deux compositions qui sont intéressantes pour la suite de l’étude.

Les farines crues qui feront l’objet d’autres investigations sont :

- C1 : elle n’est pas sursaturée en chaux (MC = 99) et elle correspond au

minimum de chaux libre. Cette farine crue est définie par la combinaison des

valeurs requises suivante : MC = 99 / MS = 2,5 / MA = 1,5.

- C8 : dans sa série, c’est C6 qui correspond au minimum de chaux libre, et

C7 qui présente la meilleure résistance mécanique. Toutefois les résistances

des trois ciments correspondants sont voisines.

CaOlibre

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

C3S

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Résistance mécanique

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

115

Nous avons opté pour C8 car, parmi les trois farines crues et avec la valeur

de son module de silice, c’est elle qui présente la plus grande potentialité

pour produire davantage d’alite par l’application d’autres traitements. Cette

farine crue est définie par la combinaison des valeurs requises suivante :

MC = 102 / MS = 2,5 / MA = 1,2.

4. ESSAI D’ACTIVATION CHIMIQUE

Après avoir déterminé la composition « optimale » de la farine crue, nous avons axée

notre étude sur l’influence des minéralisateurs sur le processus de formation du clinker

à haute teneur en alite et avec le minimum possible de chaux libre.

Diverses hypothèses ont été avancées pour décrire le principe d’action des

minéralisateurs. Toutefois, les connaissances scientifiques en ce domaine restent

insuffisantes, ce qui se reflète par des données souvent contradictoires fournies par la

littérature technique.

On n’a pas encore réussi à formuler des lois de valeur universelle sur le mécanisme et

l’efficacité des minéralisateurs.

L’essai pratique de minéralisateurs composés, basé sur le fait que s’additionnent les

effets des minéralisateurs spécifiques sur les processus partiels de la formation du

clinker, n’a jusqu’à présent donné aucun résultat utilisable. Il faut caractériser l’effet

minéralisant de ces combinaisons comme une action complexe affectant le

déroulement global de la formation des constituants du clinker [25].

Dans notre cas, nous avons utilisé des substances inorganiques de bonne qualité et

disponibles à Madagascar : le gypse et la fluorine. Nous avons également essayé de

voir l’influence combinée de SO3 et de MgO, en utilisant des mélanges dosés de gypse

et de dolomie comme minéralisateur.

Les divers cas sont traités séparément dans les paragraphes qui suivent :

- Activation par le gypse ;

- Activation combinée par SO3 et MgO ;

- Activation par la fluorine.

116

4.1. Activation par le gypse

Le gypse a été choisi pour faire partie des minéralisateurs d’expérimentation. Il est

parmi les substances les plus utilisées pour améliorer la clinkerisation dans les

cimenteries qui utilisent la technique des minéralisateurs. Le gypse est disponible à

Madagascar, et le matériau trouvé est d’assez bonne qualité et se prête ainsi à

l’utilisation prévue.

4.1.1. Principe

On substitue une partie du mélange cru par de quantités croissantes de gypse, ce qui

correspond à des apports en ions sulfates en proportions déterminées.

La composition des farines crues ainsi formées est ensuite corrigée, pour respecter les

valeurs requises. Les ajouts de corrections sont ici l’argile, le CBR et la latérite.

On vérifiera par la suite que la teneur en SO3 du clinker ne dépasse pas les 3 %

permises. Dans le cas échéant, la composition est rejetée.

L’influence de l’addition de gypse est étudiée par la détermination des teneurs en chaux

libre et en alite des clinkers. Ce qui permet de fixer l’action minéralisante optimale du

gypse. Le choix de la composition optimale est conforté par des essais de compression

effectués sur pâte pure.

4.1.2. Expression des résultats

Une série de résultats concerne les améliorations apportées au cru C1, une autre série

se rapporte au cru C8.

Le premier tableau donne les compositions des mélanges crus gypsés. Les résultas

des analyses sont présentés dans les autres tableaux qui suivent : composition

chimique des crus et des clinkers, composition minéralogique des clinkers et résistance

mécanique à 28 jours d’âge.

117

Tableau 50 : Composition des crus gypsés et teneur en SO3 (en % pondéral)

MC = 99 / MS = 2,5 / MA = 1,5

Cru gypsé CG0 CG1 CG2 CG3 CG4 CG5 CG6 CG7 CG8

C1 100 98,5 98 97,5 97 96,5 96 95,5 95

Gypse 0 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

SO3 0,18 0,81 1,01 1,22 1,43 1,63 1,84 2,04 2,25

MC = 102 / MS = 2,5 / MA = 1,2

Cru gypsé MG0 MG1 MG2 MG3 MG4 MG5 MG6 MG7 MG8

C8 100 98,5 98 97,5 97 96,5 96 95,5 95

Gypse 0 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

SO3 0,16 0,78 0,99 1,20 1,40 1,61 1,82 2,02 2,23

Tableau 51 : Composition chimique des crus gypsés et corrigés (en % pondéral)

MC = 99 / MS = 2,5 / MA = 1,5


CaO 43,73 43,47 43,38 43,30 43,21 43,12 43,04 42,95 42,87

SiO2 13,58 13,50 13,47 13,45 13,42 13,39 13,37 13,34 13,31

Al2O3 3,26 3,24 3,23 3,23 3,22 3,21 3,21 3,20 3,20

Fe2O3 2,17 2,16 2,16 2,15 2,15 2,14 2,14 2,13 2,13

MgO 0,48 0,48 0,48 0,47 0,47 0,47 0,47 0,47 0,47

Na2O 0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 0,22 0,22 0,22 0,22

K20 0,26 0,26 0,26 0,26 0,26 0,25 0,25 0,25 0,25

SO3 0,18 0,81 1,01 1,22 1,43 1,63 1,84 2,04 2,25

PF 35,59 35,33 35,24 35,15 35,07 34,98 34,89 34,81 34,72

MC = 102 / MS = 2,5 / MA = 1,2


CaO 43,92 43,39 43,30 43,22 43,13 43,05 42,96 42,88 42,79

SiO2 13,36 12,96 12,94 12,91 12,89 12,86 12,84 12,81 12,78

Al2O3 2,91 3,21 3,21 3,20 3,20 3,19 3,18 3,18 3,17

Fe2O3 2,43 2,68 2,67 2,67 2,66 2,66 2,65 2,65 2,64

MgO 0,47 0,45 0,45 0,45 0,45 0,45 0,45 0,45 0,45

Na2O 0,21 0,21 0,21 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20

K20 0,23 0,22 0,22 0,22 0,22 0,21 0,21 0,21 0,21

SO3 0,16 0,78 0,99 1,20 1,40 1,61 1,82 2,02 2,23

PF 35,66 35,38 35,30 35,21 35,12 35,04 34,95 34,86 34,78

118

Tableau 52 : Composition chimique des clinkers gypsés (en % pondéral)

MC = 99 / MS = 2,5 / MA = 1,5


CaO 67,88 67,21 66,99 66,76 66,54 66,32 66,10 65,88 65,67

SiO2 21,09 20,88 20,81 20,74 20,67 20,60 20,53 20,46 20,40

Al2O3 5,06 5,01 4,99 4,98 4,96 4,94 4,93 4,91 4,90

Fe2O3 3,37 3,34 3,33 3,32 3,31 3,30 3,29 3,27 3,26

MgO 0,74 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68

Na2O 0,36 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,34 0,34 0,34

K20 0,41 0,40 0,40 0,40 0,39 0,39 0,39 0,39 0,39

SO3 0,28 1,24 1,56 1,88 2,19 2,51 2,82 3,14 3,45

MC = 102 / MS = 2,5 / MA = 1,2


CaO 68,27 67,15 66,93 66,71 66,48 66,26 66,04 65,82 65,61

SiO2 20,76 20,06 20,00 19,93 19,86 19,80 19,73 19,67 19,60

Al2O3 4,53 4,97 4,96 4,94 4,92 4,91 4,89 4,88 4,86

Fe2O3 3,78 4,15 4,13 4,12 4,10 4,09 4,08 4,06 4,05

MgO 0,74 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68

Na2O 0,33 0,32 0,32 0,32 0,31 0,31 0,31 0,31 0,31

K20 0,35 0,34 0,34 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33 0,33

SO3 0,26 1,21 1,53 1,85 2,16 2,48 2,79 3,11 3,42

Tableau 53 : Composition minéralogique des clinkers gypsés (en % pondéral)

MC = 99 / MS = 2,5 / MA = 1,5


C4AF 10,26 10,15 10,12 10,09 10,05 10,02 9,99 9,95 9,92

C3A 7,71 7,63 7,61 7,58 7,56 7,53 7,51 7,48 7,46

C3S 65,23 68,46 69,18 69,34 69,01 68,51 67,98 67,36 66,71

C2S 11,59 8,57 7,83 7,51 7,57 7,74 7,94 8,21 8,51

CaO libre 2,89 1,91 1,67 1,57 1,59 1,65 1,72 1,81 1,91

MC = 102 / MS = 2,5 / MA = 1,2


C4AF 12,73 12,60 12,56 12,52 12,48 12,43 12,39 12,35 12,31

C3A 6,24 6,18 6,16 6,14 6,12 6,09 6,07 6,05 6,03

C3S 66,42 69,55 69,93 69,70 69,07 68,19 67,31 66,36 65,36

C2S 8,34 5,42 4,94 4,92 5,21 5,68 6,15 6,67 7,24

CaO libre 4,40 3,26 2,98 2,90 3,02 3,20 3,41 3,61 3,84

119

Tableau 54 : Résistance à la compression sur pâte pure à 28 jours (en MPa) (Activation par le gypse)

MC = 99 / MS = 2,5 / MA = 1,5

FC CG0 CG1 CG2 CG3 CG4 CG5 CG6 CG7 CG8

Rc 90,77 102,80 106,10 106,72 104,81 102,45 99,96 96,74 93,49

Rcmin 90,12 101,08 105,45 106,02 103,84 101,81 99,21 96,09 92,73

Rcmax 91,53 102,50 106,86 107,42 105,29 103,21 100,63 97,50 94,15

MC = 102 / MS = 2,5 / MA = 1,2

FC MG0 MG1 MG2 MG3 MG4 MG5 MG6 MG7 MG8

Rc 93,96 117,52 120,58 120,24 116,61 111,76 106,62 101,26 95,79

Rcmin 93,25 116,82 119,88 119,53 115,92 111,05 105,91 100,55 95,08

Rcmax 94,71 118,27 121,33 120,99 117,36 112,51 107,37 102,01 96,54 4.1.3. Détermination de la teneur optimale en SO3 Les critères qui servent à la détermination de la teneur optimale en SO3 sont les

teneurs en C3S et en chaux libre : maximale pour la première et minimale pour la

seconde.

Les deux critères peuvent être combinés pour permettre un meilleur choix de la teneur

optimale : on attribue des points à chaque farine crue ; le total de points donnés étant

égal à la teneur en alite (maximale) diminuée de celle en chaux libre (minimale). La

teneur optimale correspond à la composition qui a obtenu le maximum de points.

Points = (Teneur en alite) – (Teneur en chaux libre)

Les résultats obtenus confirment, dans l’ensemble, l’influence positive des additions de

gypse sur les mélanges crus industriels. On note en effet :




mélange cru.

120

Tout ce qui a été dit à propos de l’action minéralisante du gypse sur la formation des

clinkers industriels restent valables à notre échelle ; Il nous reste à déterminer les

proportions optimales de gypse qui permettent d’obtenir des clinkers riches en alite et à

faible teneur en chaux libre.

A partir d’un bon mélange cru, nous allons voir les effets d’une addition croissante de

gypse sur les caractéristiques des produits de cuisson.

� Influence de l’addition de gypse sur la teneur en alite

La figure 37 illustre les effets de l’addition de gypse au mélange cru, sur la teneur en

alite des clinkers.

64

65

66

67

68

69

70

71

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5

Gypse (%)

C3S

(%

)

CGMG

Figure 37 : Evolution de la teneur en alite en fonction de la quantité de gypse ajoutée

On assiste, jusqu’à une quantité de gypse ajoutée d’environ 2 %, à une augmentation

de la proportion d’alite dans le clinker. Pour des proportions de gypse plus élevées,

l’influence positive des ions sulfates sur le processus de formation de l’alite diminue.

Cette diminution est fortement accentuée pour les crus sursaturés en chaux ; elle est

telle qu’à partir d’une certaine teneur (environ 4 % de gypse) l’effet attendu est inversé

(le cru gypsé donne un clinker moins riche en alite que le cru de départ).

L’activation optimale est obtenue pour une addition de gypse comprise entre 2 et 2.5 %.

Ce qui correspond à une teneur en SO3 comprise entre 1 et 1,2 % dans le mélange cru.

121

En ajoutant du gypse au mélange cru, de sorte que sa teneur en SO3 atteigne 1,2 %, on

peut obtenir un clinker dont la teneur en C3S peut atteindre 70 %.

� Influence de l’addition de gypse sur la teneur en chaux libre

La figure 38 montre, en fonction de la proportion de gypse ajoutée, l’évolution de la

teneur en chaux libre des clinkers.

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5

Gypse (%)

Cha

ux li

bre

(%)

CG

MG

Figure 38 : Evolution de la teneur en chaux libre en fonction de la quantité de gypse ajoutée

Quelque soit la valeur du module de chaux, on note une amélioration progressive de la

combinaison de la chaux, qui se traduit par une diminution de la chaux libre, jusqu’à

une quantité ajoutée de gypse d’environ 2,5 %. Au-delà de cette valeur, l’effet

minéralisateur du gypse diminue. Dans notre cas, cette diminution est en partie

renforcée par l’influence d’un fort module de chaux pour les farines crues trop gypsées.

Pour la combinaison de valeurs requises MC = 99 / MS = 2,5 / MA = 1,5, l’addition de

gypse dans le mélange cru, pour des proportions qui va de 1à 5 %, permet l’obtention

d’un clinker dont la teneur en chaux libre est conforme aux normes (< 2 %). Le

minimum (1,57 %) est atteint pour environ 2,5 % de gypse, soit une teneur optimale de

1,2 % en SO3 dans le mélange cru. Ce minimum correspond à un degré de

combinaison de la chaux de 97,7 % (contre 95,5 % pour le mélange cru non gypsé).

122

Pour la combinaison de valeurs requises MC = 102 / MS = 2,5 / MA = 1,2, suite aux

fortes valeurs des modules de chaux et de silice, on ne peut obtenir une teneur en

chaux libre < 2 %. Toutefois, pour une proportion d’ions sulfates de 1 à 1,2 % dans le

mélange cru, on arrive à faire baisser la valeur de cette teneur jusqu’à 3 %, valeur

admise dans les cimenteries qui utilisent des fours droits [1]. Le minimum est atteint

pour une addition de gypse de 2,5 % au mélange cru, soit une teneur optimale en SO3

de 1,2 %.

� Influence de l’addition de gypse sur la résistance mécanique

En ce qui concerne l’amélioration de la résistance mécanique par addition de gypse au

mélange cru, les résultats probants obtenus lors des essais à l’échelle industrielle sont

confirmés : l’utilisation du gypse comme minéralisateur, pour des proportions bien

définies, permet d’améliorer la résistance mécanique. L’influence de l’addition de gypse

au mélange cru, sur la résistance mécanique, est illustrée par la figure 39.

80

85

90

95

100

105

110

115

120

125

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5

Gypse (%)

Rc2

8 (M

Pa)

CGMG

Figure 39 : Evolution de la résistance à la compression en fonction de la quantité de gypse ajoutée (essais sur pâte pure)

Pour les deux combinaisons de valeurs requises, le maximum de résistance est obtenu

pour une addition de gypse comprise entre 2 et 2,5 %. Ce qui correspond à une teneur

en SO3 optimale de 1,2 % dans le mélange cru.

123

A partir de 3 % de gypse ajouté (environ 1,4 % en SO3), on assiste à une diminution

assez brusque de la résistance mécanique. Ceci veut dire que l’on n’a pas intérêt à

utiliser une quantité excessive de gypse comme minéralisateur, au risque de voir l’effet

attendu s’inverser.

� Détermination de la teneur optimale en SO3

La détermination de la teneur optimale est faite en appliquant le principe d’attribution de

points mentionné plus haut. Le tableau 55 donne le total de points attribués à chaque

farine crue gypsée. La figure 40 illustre le choix de la teneur optimale.

Tableau 55 : Points (C3S – CaO libre) pour les crus gypsés

MC = 99 / MS = 2,5 / MA = 1,5

Cru Gypsé CG0 CG1 CG2 CG3 CG4 CG5 CG6 CG7 CG8

Points 62,34 66,55 67,51 67,77 67,42 66,86 66,26 65,55 64,80

MC = 102 / MS = 2,5 / MA = 1,2

Cru Gypsé MG0 MG1 MG2 MG3 MG4 MG5 MG6 MG7 MG8

Points 62,02 66,289 66,95 66,8 66,05 64,99 63,9 62,75 61,52

Figure 40 : Critères de choix de la teneur optimale en SO3

58606264666870

CG0 CG1 CG2 CG3 CG4 CG5 CG6 CG7 CG8

MC = 99 / MS = 2,5 / MA = 1,5

Poi

nts

5860

6264

6668

MG0 MG1 MG2 MG3 MG4 MG5 MG6 MG7 MG8

MC = 102 / MS = 2,5 / MA = 1,2

Poi

nts

124

Le maximum de points est attribué à CG3 pour la première série et à MG2 pour la

deuxième série :

- CG3 : 2,5 % d’addition de gypse – 1,22 % de SO3 dans le mélange cru ;

- MG2 : 2 % d’addition de gypse – 0,99 % de SO3 dans le mélange cru.

D’après ces résultats, on peut conclure que l’action minéralisante optimale est obtenue

avec une teneur en SO3 de 1 à 1,2 % dans le mélange cru, ce qui correspond à des

additions de gypse allant de 2 à 2,5 %.

4.1.4. Conclusion Pour clore cette étude d’activation par le gypse, on peut tirer les conclusions suivantes :

- On peut utiliser le gypse comme minéralisateur pour améliorer les qualités

d’un clinker.

- L’action minéralisante optimale est obtenue pour 2 à 2.5 % de gypse, ce qui

correspond à une teneur optimale en SO3 équivalente d’environ 1,2 % dans le

mélange cru.

- Pour une farine crue normale, définie par la combinaison de valeurs requises

MC = 99 / MS = 2,5 / MA = 1,5, l’influence positive de l’addition de gypse au cru

permet d’obtenir des clinkers dont la teneur en chaux libre respecte les normes,

même avec des teneurs équivalentes en SO3 allant jusqu’à 2,3 %.

- Pour une farine crue sursaturée en chaux, définie par la combinaison de

valeurs requises MC = 102 / MS = 2,5 / MA = 1,2, on arrive à obtenir des teneurs

élevées en alite (jusqu’à 70 %) dans le clinker, mais avec un taux de chaux libre

qui reste en dehors de la limite de 2 % admise par les normes. Toutefois, le

minimum de chaux libre de 3 % est acceptable pour certaines installations qui

utilisent des fours droits. Cette contradiction est due, à notre avis, d’une part aux

fortes valeurs de MC et MS, et d’autre part à la présence d’alcalis dans le

mélange cru.

125

- Nos résultats sont en bonne concordance avec les données de la littérature

technique [8] qui autorisent des additions en ions sulfates allant de 0,5 à 5%. Les

quantités les plus favorables accusent une différence notable : 2 à 2,5 % contre

3 à 5 % (pour les données bibliographiques). Cette différence, à notre avis, est

due en partie par la différence de pureté du gypse utilisé.

Les meilleurs clinkers (CG3 et MG2) feront l’objet d’essais d’amélioration par d’autres

méthodes d’activation, et serviront à la fabrication de ciments à haute résistance.

4.2. Activation par action combinée de SO 3 et MgO

La littérature technique affirme qu’une action minéralisante optimale des sulfates est

toujours liée à une teneur déterminée en MgO de la farine crue [8]. Nous estimons donc

que les résultats obtenus avec le gypse, utilisé comme seul minéralisateur, peuvent être

encore améliorés en ajoutant de l’oxyde de magnésium à un mélange cru qui a déjà

subi une activation par le gypse. Partant des meilleurs crus gypsés, nous allons

exploiter ces nouvelles données.

4.2.1. Principe

On substitue une partie du mélange cru par des quantités croissantes de dolomie, ce

qui correspond à des apports en MgO en proportions déterminées. Les mélanges à

améliorer sont les farines crues gypsées CG3 et MG3 qui sont caractérisées par des

teneurs en SO3 d’environ 1,2 % (2,5 % de gypse).

, La composition des farines crues ainsi formées est ensuite corrigée, pour respecter les

valeurs requises. Les ajouts de corrections sont ici une chaux grasse, un sable siliceux

et de l’oxyde de fer.

Les additions de dolomie sont effectuées de telle sorte que l’on ne dépasse pas la

teneur limite en MgO de 5 % dans le clinker, seuil prescrit par les normes [5]. Dans le

cas échéant, la composition est rejetée.

L’influence de l’addition de dolomie, ou plus précisément du rapport SO3/MgO, est

étudiée par la détermination des teneurs en chaux libre et en alite des clinkers ; ce qui

126

permet de fixer le rapport qui correspond à l’action minéralisante optimale. Le choix de

la composition optimale est conforté par des essais de compression effectués sur pâte

pure.


Le tableau 56 donne les compositions des mélanges crus, et la figure 41 montre la

variation du rapport SO3/MgO, suite à des additions croissantes de dolomie dans le cru

gypsé. Les résultats des autres analyses sont ensuite exposés.

Tableau 56 : Compositions des mélanges crus (en % pondéral) (Activation par SO3 et MgO)

Série CG3

CRU gd0 gd1 gd2 gd3 gd4 gd5 gd6 gd7 gd8 gd9

CG3 100,00 99,00 98,00 96,00 94,00 92,00 90,00 88,00 86,00 85,00

Dolomie 0,00 1,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 15,00

MgO 0,47 0,66 0,84 1,19 1,55 1,90 2,24 2,59 2,93 3,09

SO3 1,22 1,20 1,19 1,16 1,13 1,10 1,07 1,04 1,01 1,00

SO3/MgO 2,57 1,84 1,42 0,97 0,73 0,58 0,48 0,40 0,35 0,32

Série MG3

CRU GD0 GD1 GD2 GD3 GD4 GD5 GD6 GD7 GD8 GD9

MG3 100,00 99,00 98,00 96,00 94,00 92,00 90,00 88,00 86,00 85,00

Dolomie 0,00 1,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 15,00

MgO 0,45 0,60 0,77 1,10 1,43 1,76 2,09 2,41 2,73 2,89

SO3 1,20 1,11 1,09 1,06 1,04 1,01 0,98 0,96 0,93 0,92

SO3/MgO 2,65 1,84 1,42 0,97 0,72 0,57 0,47 0,40 0,34 0,32

127

Figure 41 : Evolution du rapport SO3/MgO dans les crus gypsés, additionnés de dolomie

Tableau 57 : Composition chimique des mélanges crus (en % pondéral) (Activation par SO3 et MgO)

Série CG3


CaO 43,30 43,19 43,08 42,87 42,66 42,46 42,25 42,05 41,85 41,75

SiO2 13,45 13,41 13,38 13,32 13,25 13,19 13,12 13,06 13,00 12,97

Al2O3 3,23 3,22 3,21 3,20 3,18 3,17 3,15 3,13 3,12 3,11

Fe2O3 2,15 2,15 2,14 2,13 2,12 2,11 2,10 2,09 2,08 2,07

MgO 0,47 0,66 0,84 1,19 1,55 1,90 2,24 2,59 2,93 3,09

Na2O 0,23 0,22 0,22 0,22 0,21 0,20 0,20 0,19 0,19 0,19

K20 0,26 0,25 0,25 0,24 0,24 0,23 0,23 0,22 0,21 0,21

SO3 1,22 1,20 1,19 1,16 1,13 1,10 1,07 1,04 1,01 1,00

PF 35,15 35,14 35,12 35,09 35,06 35,03 34,99 34,96 34,93 34,92

Série CG3

0,0

1,0

2,0

3,0

gd0 gd1 gd2 gd3 gd4 gd5 gd6 gd7 gd8 gd9

Farines crues

SO

3 / M

gO

Série MG3

0,0

1,0

2,0

3,0

GD0 GD1 GD2 GD3 GD4 GD5 GD6 GD7 GD8 GD9

Farines crues

SO

3 / M

gO

128

Tableau 57 (Suite): Composition chimique des mélanges crus (en % pondéral) (Activation par SO3 et MgO)

Série MG3


CaO 43,22 44,99 44,89 44,69 44,49 44,29 44,10 43,90 43,71 43,62

SiO2 12,91 13,68 13,65 13,59 13,53 13,47 13,41 13,35 13,29 13,26

Al2O3 3,20 2,99 2,98 2,97 2,95 2,94 2,93 2,91 2,90 2,89

Fe2O3 2,67 2,49 2,48 2,47 2,46 2,45 2,44 2,43 2,42 2,41

MgO 0,45 0,60 0,77 1,10 1,43 1,76 2,09 2,41 2,73 2,89

Na2O 0,20 0,19 0,19 0,18 0,18 0,17 0,17 0,16 0,16 0,16

K20 0,22 0,20 0,20 0,19 0,19 0,18 0,18 0,17 0,17 0,17

SO3 1,20 1,11 1,09 1,06 1,04 1,01 0,98 0,96 0,93 0,92

PF 35,21 33,00 32,99 32,97 32,94 32,92 32,90 32,87 32,85 32,84


(Activation par SO3 et MgO)

Série CG3


CaO 66,76 66,58 66,40 66,05 65,69 65,34 65,00 64,66 64,32 64,15

SiO2 20,74 20,68 20,63 20,51 20,41 20,30 20,19 20,08 19,98 19,93

Al2O3 4,98 4,96 4,95 4,92 4,90 4,87 4,85 4,82 4,79 4,78

Fe2O3 3,32 3,31 3,30 3,28 3,26 3,25 3,23 3,21 3,20 3,19

MgO 0,68 1,01 1,29 1,84 2,38 2,92 3,45 3,98 4,50 4,75

Na2O 0,35 0,35 0,34 0,33 0,32 0,31 0,31 0,30 0,29 0,29

K20 0,40 0,39 0,39 0,38 0,37 0,36 0,35 0,34 0,33 0,32

SO3 1,88 1,86 1,83 1,78 1,74 1,69 1,65 1,60 1,56 1,53

Série MG3


CaO 66,71 66,55 66,38 66,22 66,06 65,90 65,74 65,58 65,41 65,25

SiO2 19,93 19,84 19,75 19,65 19,56 19,47 19,37 19,28 19,19 19,09

Al2O3 4,94 4,95 4,95 4,96 4,96 4,97 4,98 4,98 4,99 4,99

Fe2O3 4,12 4,09 4,07 4,04 4,02 4,00 3,97 3,95 3,92 3,90

MgO 0,68 0,98 1,26 1,55 1,83 2,12 2,40 2,69 2,97 3,26

Na2O 0,32 0,31 0,31 0,31 0,30 0,30 0,30 0,30 0,29 0,29

K20 0,33 0,33 0,33 0,33 0,32 0,32 0,32 0,31 0,31 0,31

SO3 1,85 1,83 1,82 1,80 1,78 1,77 1,75 1,73 1,72 1,70

129

Tableau 59 : Composition minéralogique des clinkers (en % pondéral) (Activation par SO3 et MgO)

Série CG3


C4AF 12,52 11,29 11,26 11,21 11,15 11,10 11,05 10,99 10,94 10,92

C3A 6,14 5,53 5,52 5,49 5,47 5,44 5,41 5,39 5,36 5,35

C3S 69,34 69,55 69,78 69,87 70,19 69,72 69,40 69,15 68,73 68,57

C2S 4,92 5,46 5,13 4,90 4,61 3,89 2,69 2,89 3,27 3,52

CaO libre 1,57 1,53 1,42 1,21 1,06 1,11 1,20 1,28 1,35 1,40

Série MG3


C4AF 10,09 10,06 10,03 9,98 9,93 9,87 9,82 9,77 9,72 9,69

C3A 7,58 7,56 7,54 7,50 7,46 7,42 7,38 7,34 7,30 7,28

C3S 69,70 70,39 70,65 70,98 71,07 71,66 72,90 72,27 71,40 70,89

C2S 7,51 7,38 7,04 6,39 5,92 6,05 6,31 6,54 6,74 6,89

CaO libre 2,90 2,89 2,78 2,70 2,60 2,36 1,96 2,02 2,14 2,22

Tableau 60 : Résistance mécanique (en MPa) (Activation par SO3 et MgO)

Série CG3


Rc 106,72 110,98 112,18 117,71 122,60 113,44 110,61 106,84 102,49 100,08

Rcmin 106,01 110,12 111,66 117,12 121,85 112,80 109,93 106,21 101,83 99,34

Rcmax 107,42 111,56 112,75 118,43 123,13 114,16 111,04 107,49 103,01 100,65

Série MG3


Rc 120,24 124,66 125,40 125,18 125,21 126,97 130,69 128,81 126,20 124,55

Rcmin 119,53 123,80 124,88 124,59 124,46 126,33 130,01 128,18 125,54 123,81

Rcmax 120,99 125,24 125,97 125,90 125,74 127,69 131,12 129,46 126,72 125,12

130

4.2.3. Détermination de la combinaison SO3 – MgO optimale

Les résultats obtenus indiquent qu’il y a effectivement une relation entre l’action

minéralisante de SO3 et la teneur en MgO du mélange cru.

� Influence du rapport SO3 / MgO sur la teneur en alite

La teneur en sulfate des mélanges crus diminue au fur et mesure que l’on ajoute de la

dolomie aux crus gypsés. Inversement la teneur en MgO augmente. Jusqu’à une

certaine proportion de dolomie ajoutée, la quantité d’alite dans le clinker augmente, puis

accuse une diminution progressive. (Figure 42)

68

69

69

70

70

71

71

72

72

73

73

74

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Dolomie ajoutée (%)

C3S

(%)

Série CG3

Série MG3

Figure 42 : Influence de l’addition de dolomie sur la teneur en alite

Le maximum d’alite est obtenu entre 5 et 7 % et 9 et 11 % respectivement pour les crus

sulfatés CG3 (MC = 99 / MS = 2,5 / MA = 1.5) et MG3 (MC = 102 / MS = 2.5 / MA = 1.2)

Ces additions correspondent à des valeurs du rapport SO3/MgO bien définies : entre

0,6 et 0,8 pour la première série, 0,4 et 0,6 pour la seconde. (Figure 43)

L’influence de SO3 sur la formation de l’alite dépend donc d’une part de la composition

du mélange cru, et d’autre part de la teneur en MgO.

131

Figure 43 : Influence du rapport SO3 / MgO sur la teneur en alite

� Influence du rapport SO3 / MgO sur la teneur en chaux libre

Jusqu’à une certaine proportion, l’addition de dolomie à un mélange cru gypsé peut

renforcer l’action minéralisante du gypse, ce qui se traduit par une diminution de la

quantité de chaux libre dans le clinker.

L’apport optimal nécessaire en dolomie varie en fonction de la composition du mélange

cru, en particulier de ses teneurs en oxydes principaux. (Figure 44)

Série CG3

68,5

69,0

69,5

70,0

70,5

0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9

SO3 / MgO

C3S

(%

)

Série MG3

69,5

70,0

70,5

71,0

71,5

72,0

72,5

73,0

73,5

0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9

SO3 / MgO

C3S

(%

)

132

1

1,5

2

2,5

3

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Dolomie ajoutée (%)

Cha

ux li

bre

(%)

Série CG3

Série MG3

Figure 44 : Influence de l’addition de dolomie sur la teneur en chaux libre

La quantité de dolomie nécessaire à l’obtention du minimum de chaux libre varie

effectivement en fonction des valeurs des modules du mélange cru gypsé. Cette

quantité correspond à une valeur bien déterminée du rapport SO3/MgO. On trouve les

mêmes valeurs que celles correspondant à l’obtention du maximum d’alite : entre 0,6 et

0,8 pour la première série, 0,4 et 0,6 pour la seconde. (Figure 45)

Figure 45 : Influence du rapport SO3 / MgO sur la teneur en chaux libre

Série CG3

1

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9

SO3 / MgO

Cha

ux li

bre

(%)

Série MG3

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9

SO3 / MgO

Cha

ux li

bre

(%)

133

� Influence du rapport SO3 / MgO sur la résistance mécanique

Les courbes de variations de la résistance mécanique en fonction de la quantité de

dolomie ajoutée et de la valeur du rapport SO3/MgO ont les mêmes allures que celles

obtenues avec C3S (Figure 46 et 47). Ce qui suit une certaine logique puisqu’il y a une

concordance entre ces deux grandeurs.

90

95

100

105

110

115

120

125

130

135

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Dolomie ajoutée

Rc2

8 (M

Pa) Série CG3

Série MG3

Figure 46 : Influence de l’addition de dolomie sur la résistance mécanique

A partir d’un cru gypsé, le maximum de résistance est atteint pour une addition de

dolomie en une proportion bien déterminée. Ce qui correspond, pour le mélange obtenu

à une valeur du rapport SO3/MgO bien déterminée :

- entre 0,6 et 0,8 pour CG3 (MC = 99 / MS = 2,5 / MA = 1,5) ;

- entre 0,4 et 0,6 pour MG3 (MC = 102 / MS = 2.5 / MA = 1.2).

On peut donc renforcer la résistance d’un ciment obtenu à partir d’un mélange cru

gypsé, en ajoutant une certaine quantité de dolomie à ce mélange cru, si on ne

dépasse pas une certaine limite.

134

Figure 47 : Influence du rapport SO3 / MgO sur la résistance mécanique

� Détermination du rapport SO3 / MgO optimal

Le choix de la meilleure combinaison SO3 – MgO, définie par le rapport SO3 / MgO,

pour les cas étudiés, est fait en appliquant toujours le principe d’attribution de points. Le

tableau 61 donne les points acquits par chaque farine crue. La figure 48 illustre le mode

de détermination de la combinaison SO3 – MgO optimale.

On définie une valeur optimale du rapport SO3 / MgO pour les deux farines crues

gypsées de départ.

Série CG3

9095

100105110115120125130

0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9

SO3 / MgO

Rc2

8 (M

Pa)

Série MG3

118

120

122

124

126

128

130

132

0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9

SO3 / MgO

Rc2

8 (M

Pa)

135

Tableau 61 : Points (C3S – CaO libre) – Activation par SO3 et MgO

Série CG3


Points 67,77 68,02 68,36 68,66 69,13 68,61 68,20 67,87 67,38 67,17

Série MG3


Points 66,80 67,50 67,87 68,28 68,47 69,30 70,94 70,25 69,26 68,67

Figure 48 : Critères de choix de la valeur du rapport SO3 / MgO

Le maximum de points est attribué à la farine crue gd4 pour la première série, et à GD6

pour l’autre série.

Série CG3

65,0

66,0

67,0

68,0

69,0

70,0

gd0 gd1 gd2 gd3 gd4 gd5 gd6 gd7 gd8 gd9

Farines crues

Poi

nts

Série MG3

646566676869707172

GD0 GD1 GD2 GD3 GD4 GD5 GD6 GD7 GD8 GD9

Farines crues

Poi

nts

136

- gd4 correspond à une addition de dolomie de 6 %, soit à une valeur du

rapport SO3 / MgO de 0,73 dans le mélange cru, pour une combinaison des

valeurs requises MC = 99 / MS = 2,5 / MA = 1,5.

- GD6 correspond à une addition de dolomie de 10 %, soit à une valeur du

rapport SO3 / MgO de 0,48 dans le mélange cru, pour une combinaison des


Ces résultats montrent que l’action minéralisante optimale de SO3 est toujours liée à

une teneur en MgO bien déterminée de la farine crue. Le rapport SO3 / MgO optimal est

propre à une composition donnée.

A notre avis, les différences trouvées pour la valeur optimale de ce rapport proviennent,

en partie, des influences positives mais compétitives de SO3 et de MgO sur le

processus de formation du clinker dans son ensemble.

Dans notre cas, le cru gd4 nécessite une teneur en SO3 plus forte que GD6 pour

corriger une teneur en alcalis et un module oxydique MA un peu plus élevés. En effet

en présence d’alcalis, SO3 contribue à la diminution de la viscosité de la phase fondue,

en les fixant dans des sulfates alcalins qui, fondus, se mélangent au clinker fondu.

4.2.4. Conclusion

En conclusion, on peut dire que l’influence positive de SO3 peut être renforcée en

combinant son action minéralisante avec celle de MgO. Toutefois, pour chaque farine

crue, il faut déterminer expérimentalement le rapport optimal SO3 / MgO, qui lui est

propre.

En procédant ainsi, on arrive à améliorer d’avantage un mélange cru gypsé déjà riche

en alite et contenant le minimum de chaux libre.

Sur ce point, nos résultats confirment les données de la littérature ; nous nous

contentons d’avancer quelques explications car [8]:

- l’essai pratique de minéralisateurs composés, basé sur le principe selon

lequel s’additionnent les effets minéralisantes spécifiques sur les processus

137

particuliers de la clinkerisation, n’a jusqu’à présent donné aucun résultat

utilisable ;

- Il faut caractériser l’effet minéralisante de ces combinaisons comme une

action complexe affectant le déroulement global de la formation des phases du

clinker.

4.3. Activation par la fluorine

La fluorine a été également choisie pour faire partie des minéralisateurs

d’expérimentation. EIle est parmi les substances qui, en tant que minéralisateur,

présentent une influence très positive. La fluorine est disponible à Madagascar, et le

matériau trouvé est d’assez bonne qualité, se prêtant ainsi à l’utilisation prévue.

4.1.1. Principe

On substitue une partie du mélange cru par de quantités croissantes de fluorine, ce qui

correspond à des apports en CaF2 en proportions déterminées. Le mélange cru à

améliorer est toujours C8, défini par MC = 102 / MS = 2,5 / MA = 1,2.

La composition des farines crues ainsi formées est ensuite corrigée, pour respecter les

valeurs requises. Les ajouts de corrections sont ici une chaux grasse, l’argile et la

latérite.

Les additions de fluorine sont effectuées de telle sorte que l’on ne dépasse pas la

teneur en CaF2 de 3.1% dans le mélange cru [8]. Dans le cas échéant, la composition

est rejetée.

L’influence de l’addition de fluorine est étudiée par la détermination des teneurs en

chaux libre et en alite des clinkers. Ce qui permet de fixer son action minéralisante

optimale. Le choix de la composition optimale est conforté par des essais de

compression effectués sur pâte pure.


Le premier tableau donne les compositions des mélanges crus résultant des additions

de fluorine. Les résultas des analyses sont présentés dans les autres tableaux qui

138

suivent : composition chimique des crus et des clinkers ; composition minéralogique des

clinkers, résistance mécanique à 28 jours d’âge.

Tableau 62 : Composition des mélanges crus et teneur en CaF2 (en % pondéral)

CRU CF0 CF1 CF2 CF3 CF4 CF5 CF6 CF7 CF8 CF9 CF10

C8 100,0 99,5 99,0 98,5 98,0 97,5 97,0 96,5 96,0 95,5 95,0

Fluorine 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

CaF2 0,00 0,31 0,63 0,93 1,24 1,53 1,82 2,11 2,39 2,66 2,93

Tableau 63 : Composition chimique des mélanges crus en % pondéral (Activation par la fluorine)

RU CF0 CF1 CF2 CF3 CF4 CF5 CF6 CF7 CF8 CF9 CF10

CaO 43,92 44,31 44,11 44,19 44,28 44,36 44,45 44,53 44,61 44,69 44,77

SiO2 13,36 13,33 13,41 13,44 13,47 13,49 13,52 13,54 13,57 13,59 13,62

Al2O3 2,91 2,94 2,93 2,93 2,94 2,94 2,95 2,95 2,96 2,97 2,97

Fe2O3 2,43 2,45 2,44 2,44 2,45 2,45 2,46 2,46 2,47 2,47 2,48

MgO 0,47 0,47 0,47 0,47 0,47 0,47 0,47 0,47 0,47 0,47 0,46

Na2O 0,21 0,21 0,21 0,21 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,19 0,19

K20 0,23 0,22 0,22 0,22 0,22 0,21 0,21 0,21 0,21 0,21 0,20

SO3 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15

CaF2 0,00 0,31 0,63 0,93 1,24 1,53 1,82 2,11 2,39 2,66 2,93

PF 35,66 34,93 34,76 34,32 33,89 33,47 33,05 32,64 32,24 31,85 31,46

139

Tableau 64 : Composition chimique des clinkers en % pondéral (Activation par la fluorine)


CaO 68,27 68,10 67,61 67,29 66,98 66,68 66,39 66,11 65,84 65,57 65,32

SiO2 20,76 20,49 20,56 20,46 20,37 20,28 20,19 20,11 20,02 19,94 19,86

Al2O3 4,53 4,52 4,49 4,46 4,44 4,42 4,41 4,39 4,37 4,35 4,33

Fe2O3 3,78 3,77 3,74 3,72 3,70 3,69 3,67 3,66 3,64 3,63 3,61

MgO 0,74 0,72 0,72 0,72 0,71 0,70 0,70 0,69 0,69 0,68 0,68

Na2O 0,33 0,32 0,32 0,31 0,31 0,30 0,30 0,29 0,29 0,28 0,28

K20 0,35 0,34 0,34 0,33 0,33 0,32 0,32 0,31 0,31 0,30 0,30

SO3 0,26 0,25 0,25 0,24 0,24 0,23 0,23 0,23 0,22 0,22 0,22

CaF2 0,00 0,48 0,96 1,42 1,87 2,30 2,72 3,13 3,52 3,90 4,28

Tableau 65 : Composition minéralogique des clinkers en % pondéral (Activation par la fluorine)


C4AF 11,48 11,45 11,36 11,31 11,26 11,21 11,16 11,11 11,07 11,02 10,98

C3A 5,62 5,61 5,57 5,54 5,52 5,49 5,47 5,45 5,42 5,40 5,38

C3S 66,11 68,70 70.01 72,22 74,04 74,25 72,71 70,65 68,73 65,82 64,87

C2S 10,01 7,27 8,15 4,56 2,93 2,52 3,42 4,71 5,92 7,12 8,36

CaO libre 4,40 4,13 3,78 2,6 2,06 1,92 2,21 2,63 3,02 3,41 3,81

Tableau 66 : Résistance à la compression sur pâte pure à 28 jours (en MPa)

(Activation par la fluorine)


Rc 93,96 109,00 121,31 128,04 132,48 134,25 129,53 122,32 118,36 111,83 105,88

Rcmin 93,25 108,42 120,74 127,56 131,80 133,51 129,02 121,66 117,62 110,73 104,96

Rcmax 94,71 109,73 122,03 128,72 133,14 134,72 130,87 123,14 120,02 112,47 106,42

140

4.1.3. Détermination de la teneur optimale en CaF2 Les critères qui servent à la détermination de la teneur optimale en CaF2 sont les

mêmes que pour les autres modes d’activation expérimentés auparavant : teneur

maximale pour C3S et minimale pour la chaux libre, et attribution de points.

Les résultats obtenus confirment, dans l’ensemble, l’influence très positive des

additions de fluorine sur les mélanges crus, évoquée par la littérature technique.

On note effectivement :




mélange cru.

A partir d’un bon mélange cru, nous allons voir les effets d’addition croissante de

fluorine sur les caractéristiques des produits de cuisson.

� Influence de l’addition de fluorine sur la teneur en alite

La figure 49 illustre les effets de l’addition de fluorine au mélange cru, sur la teneur en

alite des clinkers.

64

66

68

70

72

74

76

0 1 2 3 4 5 6

Fluorine (%)

C3S

(%

)

Figure 49 : Evolution de la teneur en alite en fonction de la quantité de fluorine ajoutée

On assiste, jusqu’à une quantité de fluorine ajoutée d’environ 2,5 %, à une

augmentation de la proportion d’alite dans le clinker.

141

Pour des proportions plus élevées, l’influence positive de CaF2 sur le processus de

formation de l’alite diminue. Cette diminution est de plus en plus accentuée; elle est

telle qu’à partir d’une teneur d’environ 4,5 % de fluorine l’effet attendu est inversé (le cru

donne un clinker moins riche en alite que celui de départ).

L’activation optimale est obtenue pour une addition de fluorine comprise entre 2 et

2.5 %. Ce qui correspond à une teneur en CaF2 comprise entre 1,2 et 1,5 % dans le

mélange cru.

En ajoutant de la fluorine au mélange cru, de sorte que sa teneur en CaF2 atteigne

1,5 %, on obtient un clinker dont la teneur en C3S peut atteindre plus de 70 %.

� Influence de l’addition de fluorine sur la teneur en chaux libre

La figure 50 montre, en fonction de la proportion de fluorine ajoutée, l’évolution de la

teneur en chaux libre des clinkers.

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

0 1 2 3 4 5 6

Fluorine (%)

Cha

ux li

bre

(%)

Figure 50 : Evolution de la teneur en chaux libre en

fonction de la quantité de fluorine ajoutée

On note une amélioration progressive de la combinaison de la chaux, qui se traduit par

une diminution de la chaux libre, jusqu’à une quantité ajoutée de gypse d’environ 2.5 %.

Au-delà de cette valeur, l’effet minéralisateur de la fluorine diminue : la quantité de

chaux libre recommence à augmenter. Cette augmentation est une fonction quasi

linéaire de la quantité de fluorine ajoutée.

142

Le minimum de chaux libre est atteint pour une addition de fluorine de 2,5 % au

mélange cru, ce qui correspond à une teneur optimale en CaF2 d’environ 1,5 %. Ce

minimum est de 1,92 %, ce qui est conforme aux normes prescrites.

� Influence de l’addition de fluorine sur la résistance mécanique

L’influence de l’addition de fluorine au mélange cru, sur la résistance mécanique, est

illustrée par la figure 51.

80

90

100

110

120

130

140

150

0 1 2 3 4 5 6

Fluorine (%)

Rc2

8 (M

Pa)

Figure 51 : Evolution de la résistance à la compression en fonction de la quantité de fluorine ajoutée (essais sur pâte pure)

Le maximum de résistance est obtenu pour une addition de fluorine comprise entre

2 et 3 %. Ce qui correspond à une teneur en CaF2 optimale de 1,2 à 1,8 % dans le

mélange cru.

A partir de 3 % de Fluorine ajouté (environ 1,8 % en CaF2), on assiste à une diminution

assez brusque de la résistance mécanique. Ceci veut dire que l’on n’a pas intérêt à

utiliser une quantité excessive de fluorine comme minéralisateur, au risque de voir

l’effet attendu s’inverser.

143

� Choix de la teneur optimale en CaF2

La détermination de la teneur optimale est faite en appliquant le principe d’attribution de

points, comme pour le cas du gypse. Le tableau 68 donne le total de points attribués à

chaque farine crue. La figure 52 illustre le choix de la teneur optimale en CaF2.

Tableau 67 : Points (C3S – CaO libre) pour les crus activés par la fluorine


Points 61,71 64,57 65,23 69,62 71,98 72,33 70,50 68,02 65,71 63,41 61,06

545658

6062646668

707274

CF0 CF1 CF2 CF3 CF4 CF5 CF6 CF7 CF8 CF9 CF10

Farines crues

Poi

nts

Figure 52 : Choix de la teneur optimale en CaF2

Le maximum de points est attribué à CF5. Cette farine crue correspond à une addition

de fluorine de 2,5 %, soit une teneur équivalente optimale de 1,53 % en CaF2.

D’après ces résultats, on peut conclure que l’action minéralisante optimale est obtenue

avec une teneur en CaF2 d’environ 1,5% dans le mélange cru. Ce qui correspond à une

addition de fluorine d’environ 2,5 %.

144

Ainsi, de cette étude d’activation par la fluorine, on peut tirer les conclusions suivantes :

- La fluorine se prête bien au rôle de minéralisateur pour améliorer les qualités

d’un clinker.

- L’action minéralisante optimale est obtenue pour environ 2.5 % de fluorine, ce

qui correspond à une teneur optimale en CaF2 équivalente d’environ 1,5 % dans

le mélange cru.

- Pour une farine crue définie par la combinaison de valeurs requises

MC = 102 / MS = 2,5 / MA = 1,2, on arrive à obtenir des teneurs élevées en alite

(jusqu’à 74 %) dans le clinker, et ceci avec un taux de chaux libre qui est dans

les normes (< 2 %).

- Nos résultats sont en bonne concordance avec les données de la littérature

technique [1] [8] [22] qui autorisent des additions en fluorine allant de 0,5 à 3 %.

On note toutefois une certaine divergence sur les teneurs en CaF2 les plus

favorables : entre 1.2 et 1.5 % dans notre cas, contre 0.9 et 2 % pour certains

auteurs [1], ou 0.5 et 1.5 % pour d’autres [70]. Cette différence, à notre avis, est

due en partie à la différence de la composition de la farine crue de départ, et en

particulier de ses modules.

Le meilleur clinker (CF5) fera l’objet d’essais d’amélioration par d’autres méthodes

d’activation, et servira à la fabrication de ciments à haute résistance.

4.4. Conclusion

Dans cette étude, nous avons essayé de voir l’influence des minéralisateurs sur les

processus d’obtention de clinkers riches en alite et à faible teneur en chaux libre.

L’obtention d’une action minéralisante optimale dépend d’une part de la composition de

la farine crue, et d’autre part de la nature du minéralisateur.

145

Une addition de 2,5 % de gypse, soit une teneur en SO3 de 1,2 % dans la farine crue,

permet d’obtenir :

- avec une composition du cru définie par MC = 99 / MS = 2.5 / MA = 1.5, un

clinker assez riche en alite (69,34 %) et avec une teneur en chaux libre de

1,57 % ;

- avec une composition du cru définie par MC = 102 / MS = 2.5 / MA = 1.2,

une teneur en alite de près de 70 %, mais avec des proportions de chaux libre

plus élevées (2,90 %).

Ces résultats peuvent être améliorés davantage en cherchant, pour chaque

composition, la quantité de MgO qui, associée à SO3, donnerait le maximum d’effet

positif sur les processus de formation du clinker. En effet, il a été constaté qu’une action

minéralisante optimale de SO3 correspond à une valeur bien déterminée du rapport

SO3/MgO :

- Pour MC = 99 / MS = 2.5 / MA = 1.5, on arrive à obtenir des teneurs en

alite et en chaux libre respectivement égales à 70,19 % et 1,06 %, avec

SO3/MgO = 0,73.

- Pour MC = 102 / MS = 2.5 / MA = 1.2, avec SO3/MgO = 0,47, on obtient un

clinker très riche en alite (72,90 %) avec une teneur en chaux libre qui

respecte les normes (1,96 %).

Pour la même farine crue, définie par MC = 102 / MS = 2.5 / MA = 1.2, la teneur

optimale en CaF2 est de 1,5 %. Cette teneur a permis d’obtenir un clinker encore plus

riche en alite (plus de 74 %) et contenant encore moins de chaux libre (1,92 %).

Ces résultats montrent une efficacité relative plus grande de la fluorine comme

minéralisateur, par rapport au gypse, utilisé seul ou en combinaison avec MgO. Ceci

peut s’expliquer, entre autres, par la place du fluor dans le tableau périodique et son

électronégativité plus grande [26].

146

5. ESSAI D’ACTIVATION THERMIQUE

5.1. Principe

Selon le procédé de cuisson, on porte la farine crue à la température maximale de

cuisson, à des vitesses de chauffe différentes. La matière reste à la température

maximale, à laquelle se passe la réaction de clinkerisation, pendant un temps

déterminé, fonction des capacités de l’installation, de la composition de la matière à

cuire et d’autres paramètres technologiques de fabrication.

Les réactions à l’état solide, en deça de la température de cuisson (1400 – 1450 °C),

déterminent, de façon décisive, la capacité de réaction des produits, en particulier celle

de C2S et de CaO. Ils se dissolvent d’autant mieux dans la phase fondue qu’ils sont

plus finement divisés et que leur réseau est perturbé. Pour cette raison, la vitesse de

chauffage de la matière à cuire, dans le domaine des réactions à l’état solide, constitue

une variable importante pour réduire au minimum le temps de réaction. Plus la montée

en température est rapide, plus les cristaux néoformés dans le domaine des réactions à

l’état solide sont fins et leurs réseaux cristallin perturbés et plus ils sont réactifs.

Dans notre cas, nous allons faire subir à une farine crue de bonne composition un

traitement thermique qui diffère de celui adopté par la vitesse de chauffage jusqu’à la

température de maintien isotherme.

La farine crue choisie est toujours C8, caractérisée par la combinaison de valeurs

requises : MC = 102 / MS = 2,5 / MA = 1,2. Cette farine crue, avec un traitement

thermique proche des conditions industrielles, a permis l’obtention d’un clinker assez

riche en alite (plus de 66 %), mais dont la teneur en chaux libre (≈ 4,5 %) dépasse

largement la limite permise de 2 %. Elle a en outre conduit à d’excellents résultats, avec

d’autres méthodes d’activation.

Tous les autres paramètres techniques de fabrication restant inchangés, le mélange cru

est porté à la température de clinkerisation aussi rapidement que possible. L’idéal serait

d’introduire directement la matière à cuire dans un four préchauffé à 1400 °C. Toutefois,

pour éviter que les granules ne cassent, par suite d’un choc thermique, nous avons

adopté le mode d’activation thermique décrit ci-dessous.

147

La méthode d’activation préconise l’utilisation de quatre fours :

⇒⇒⇒⇒ Un four de préchauffage à 500 °C ;

⇒⇒⇒⇒ Deux fours pour la montée en température :

- le premier chauffé à 900 °C,

- le second à 1200 °C ;

⇒⇒⇒⇒ Un four pour le maintien isotherme à 1400 °C.

La farine crue sortie du four de préchauffage à 500 °C est introduite successivement

dans les deux fours de montée en température puis dans celui réservé à la réaction de

clinkerisation.

Le séjour dans les fours de montée en température ne dure que le temps nécessaire à

l’homogénéisation de la température au niveau de l’ensemble de la matière à cuire et

surtout au niveau de chaque granule. Ce temps de séjour, pour chaque four, est évalué

expérimentalement à 2 mn.

La durée du maintien isotherme est variée, pour mieux apprécier l’influence de

l’activation thermique sur la réaction de formation du principal constituant du clinker,

l’alite.

Les produits de cuisson sont toujours évalués par leurs teneurs en alite et en chaux

libre, ainsi que par des essais de compression.

5.2. Expression des résultats et interprétation

Les résultats des essais expérimentaux sont groupés dans le tableau 68. L’activation

thermique correspond à une vitesse de chauffe d’environ 300 °C/mn.

Tableau 68 : Résultats de l’essai d’activation thermique (∆T/∆t ≈ 300 °C/mn)

t (mn) 4 8 12 16 20 24 28 32

C3S (%) 51,54 60,69 69,53 74,98 77,02 77,54 77,87 78,07

CaO libre (%) 7,98 5,73 3,56 2,22 1,72 1,59 1,51 1,46

y (%) 88,31 91,61 94,79 96,75 97,48 97,67 97,79 97,86

Rc28 (Mpa) 73,53 96,62 120,88 133,79 138,21 139,51 140,05 140,86

148

Par ce mode de montée en température, on dépasse les résultats obtenus avec le

chronogramme de traitement thermique standard adopté auparavant, en seulement

12 minutes.

Pour des durées de cuisson supérieures à 16 mn, on obtient des résultats très

intéressants :

- des teneurs en alite de 75 à 78 % (Figure 53);

- des teneurs en chaux libre qui respectent les normes (2 à 1,5 %)

correspondant à un degré de combinaison très élevé (97 à 98 %)

(Figures 54 et 55) ;

- des résistances mécaniques très élevées (Figure 56).

50

55

60

65

70

75

80

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

Temps de séjour (mn)

C3 S

(%

)

Figure 53 : Evolution de la teneur en alite en fonction de la

durée de cuisson (activation thermique)

149

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36


Cha

ux li

bre

(%)

Figure 54 : Evolution de la teneur en chaux libre en fonction de la durée de cuisson

86

88

90

92

94

96

98

100

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36


Deg

ré d

e co

mbi

nais

on y

(%

)

Figure 55 : Evolution du degré de combinaison de la chaux en fonction de la durée de cuisson

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36


Rc2

8 (M

Pa)

Figure 56 : Evolution du degré de combinaison de la chaux

en fonction de la durée de cuisson

150

Une activation thermique adéquate permettrait donc, à partir d’un bon mélange cru,

l’obtention d’un clinker pour ciments à haute résistance dont la teneur en chaux libre

serait conforme aux normes. Malheureusement, les procédés actuels de cuisson ne

permettent pas de recourir de façon optimale à l’activation thermique.

Pour pouvoir intensifier le processus de cuisson, par activation thermique, il faudrait

trouver d’autres procédés de cuisson qui permettrait de porter très rapidement la

matière à cuire à la température de clinkerisation.

6. ESSAI D’ACTIVATION MECANIQUE

6.1. Principe On entend par activation mécanique, le broyage intensif des matières solides qui

induisent des modifications physiques importantes.

L’augmentation de la vitesse de réaction, suite à une activation mécanique, résulte non

seulement des modifications de réseau des éléments en réaction, mais également des

dimensions plus réduites des grains et de la meilleure homogénéité de la farine crue.

Dans notre cas, on fait subir au mélange cru C8, prêt pour la cuisson, un broyage plus

intensif dans un broyeur centrifuge à billes. Plus la durée du broyage dB est longue, plus

l’échantillon est activée mécaniquement.

Deux traitements thermiques différents sont ensuite appliqués à un même mélange cru

activé :

- une partie du mélange subit le traitement thermique standard (TT1) ;

- l’autre partie est soumise à une activation thermique (TT2).

L’efficacité du traitement est évaluée par la détermination, pour chaque durée de

broyage :

- de la teneur en chaux libre du clinker pour un temps de réaction constant

(30 mn pour TT1 et 16 mn pour TT2) ;

151

- du temps de réaction nécessaire à l’obtention d’une teneur en chaux libre

d’environ 2 %.

Des essais mécaniques de compression simple conforteront les résultats obtenus.

6.2. Expression des résultats et interprétation Les résultats des essais expérimentaux sont groupés dans les tableaux 69, 70 et 71.

Tableau 69 : Teneur en chaux libre en fonction du temps de broyage (en % pondéral)

dB (min) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

TT1 4,40 4,23 4,02 3,77 3,52 3,25 2,85 2,45 2,06 1,66

TT2 2,22 2,16 2,09 2,01 1,91 1,78 1,68 1,53 1,36 1,21

Tableau 70 : Temps de séjour en minutes (pour avoir CaO libre ≈ 2 %) en fonction du temps de broyage

dB (min) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

TT1 66 64 62 60 57 54 49 42 33 24

TT2 20 19 17,5 16 14,5 13 11 9 7 5

Tableau 71 : Résistance à la compression à 28 jours en MPa en fonction du temps de broyage (essai sur pâte pure)

dB (min) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

TT1 93,96 96,21 99,05 102,95 106,12 110,06 114,94 121,12 130,65 139,20

TT2 133,79 134,63 135,26 136,02 136,88 137,70 138,72 139,97 142,01 144,21

152

On remarque tout de suite que les effets de l’activation mécanique varient selon le

traitement thermique appliqué à la farine crue, plus précisément de la vitesse à laquelle

on la porte jusqu’à la température du maintien isotherme :

- Pour une vitesse de chauffage lente, correspondant au traitement

thermique standard, les 30 minutes de maintien isotherme à la température de

cuisson, ne permettent d’obtenir des teneurs en chaux libre ≤ 2 % qu’avec une

activation mécanique très poussée (dB > 80 mn). Par contre, avec une montée

rapide en température (TT2), les 16 minutes de cuisson suffisent pour obtenir

un clinker dont la teneur en chaux libre est inférieure à 2 %, par suite d’une

durée de broyage ≥ 30 mn. (Figure 57)

- L’influence de l’activation mécanique n’est que faiblement perceptible

lorsqu‘on applique le traitement thermique standard. Par contre une activation

mécanique couplée à une activation thermique permet d’obtenir des résultats

très intéressants. Ce fait est illustré par les figures 58 et 59 : le temps de

réaction nécessaire est réduit de 4 à 5 fois par l’influence combinée d’un

broyage intensif et d’une montée rapide en température.

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Durée de broyage (mn)

Cha

ux li

bre

(%)

TT1

TT2

Figure 57 : Evolution de la teneur en chaux libre en fonction de la durée du broyage

153

0

10

20

30

40

50

60

70

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100


Tem

ps d

e sé

jour

(m

n)

TT1

TT2

Figure 58 : Evolution du temps de séjour en fonction de la durée du broyage

80

90

100

110

120

130

140

150

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100


Rc2

8 (M

Pa)

TT1

TT2

Figure 59 : Evolution de la résistance mécanique en fonction de la durée du broyage

De cette étude, on peut conclure que les effets d’une activation mécanique sur la

vitesse de formation des constituants du clinker dépendent du gradient d’échauffement.

L’état actif provoqué mécaniquement se dégrade d’autant plus fortement que la vitesse

de chauffe devient plus faible.

Etant donné la technologie actuelle de cuisson, un broyage intensif du mélange cru ne

présente aucun intérêt car, en raison du faible gradient d’échauffement, il est fortement

désactivé quand il atteint la température maximale de cuisson, suite à un

154

rétablissement de l’ordre dans le réseau et à une recristallisation des éléments

néoformés.

7. CONCLUSION Dans ce chapitre, nous avons expérimenté les différentes méthodes qui, à partir d’un

mélange cru, permettent d’obtenir un clinker riche en alite et contenant le minimum de

chaux libre.

Dans une première étape, nous avons fixé les paramètres technologiques et les

conditions techniques de fabrication. Ces paramètres ont été choisis aussi voisins que

possible de ceux appliqués en exploitation industrielle.

Une bonne composition de la farine crue est la première condition d’obtention de bons

clinkers. Nous avons alors déterminé les meilleurs compositions du mélange cru. Deux

compositions intéressantes on été retenues pour la suite de l’étude :

- Une farine crue normale qui a permis d’obtenir le minimum de chaux libre,

définie par la combinaison des valeurs requises MC = 99 / MS = 2 / MA = 1.5.

- Un autre mélange cru, sursaturé en chaux, qui présente la plus grande

potentialité pour produire davantage d’alite par l’application d’autres

traitements. Cette farine crue est définie par la combinaison des valeurs

requises MC = 102 / MS = 2.5 / MA = 1.2.

Nous avons ensuite essayé d’améliorer la composition des mélanges crus en

expérimentant diverses méthodes d’activation : chimique, thermique et mécanique.

En ce qui concerne l’activation chimique, en choisissant le gypse et la fluorine comme

minéralisateurs, les résultats ont montré une efficacité relative plus grande de la fluorine

comme minéralisateur, par rapport au gypse.

De plus, il a été constaté qu’une action minéralisante optimale de SO3 correspond à une

valeur bien déterminée du rapport SO3/MgO :

155

- Pour MC = 99 / MS = 2.5 / MA = 1.5, on arrive à obtenir des teneurs en

alite et en chaux libre respectivement égales à 70,19 % et 1,06 %, avec

SO3/MgO = 0,73.

- Pour MC = 102 / MS = 2.5 / MA = 1.2, avec SO3/MgO = 0,47, on obtient un

clinker très riche en alite (72,90 %) avec une teneur en chaux libre qui

respecte les normes (1,96 %).

Pour la même farine crue, définie par MC = 102 / MS = 2.5 / MA = 1.2, l’action

minéralisante optimale est obtenue avec une addition de fluorine d’environ 2.5 % de

fluorine, ce qui correspond à une teneur optimale en CaF2 équivalente d’environ 1,5 %

dans le mélange cru.

Une activation thermique adéquate permettrait, à partir d’un bon mélange cru,

l’obtention d’un clinker pour ciments à haute résistance dont la teneur en chaux libre

serait conforme aux normes. Malheureusement, les procédés actuels de cuisson ne

permettent pas de recourir de façon optimale à l’activation thermique.

Enfin, il a aussi été constaté que les effets d’une activation mécanique sur la vitesse de

formation des constituants du clinker dépendent du gradient d’échauffement.

L’état actif provoqué mécaniquement se dégrade d’autant plus fortement que la vitesse

de chauffe devient plus faible.

Etant donné la technologie actuelle de cuisson, un broyage intensif du mélange cru ne

présente aucun intérêt car, en raison du faible gradient d’échauffement, il est fortement

désactivé quand il atteint la température maximale de cuisson, suite à un

rétablissement de l’ordre dans le réseau et à une recristallisation des éléments

néoformés.

Les meilleurs clinkers serviront à la fabrication de ciments à haute résistance qui

respectent les normes en vigueur.

156

CChhaappii tt rree 0055 :: EELLAABBOORRAATTIIOONN DDEE CCIIMMEENNTTSS AA HHAAUUTTEE RREESSIISSTTAANNCCEE

1. PRESENTATION DE L’ETUDE

Dans le chapitre précédent, en optimisant les paramètres de fabrication, nous avons pu

obtenir des clinkers riches en alite et avec le minimum de chaux libre. Les meilleurs de

ces clinkers vont servir à l’élaboration de ciments à haute résistance.

Pour fabriquer un ciment du type Portland, on ajoute du gypse au clinker pour

régulariser la prise. En effet, additionné au clinker, le gypse retarde le phénomène de

prise. Cette propriété est mise à profit pour permettre la mise en œuvre des mortiers et

bétons. L’addition se fait pendant l’opération de broyage. Ce cobroyage constitue

l’étape principale de la fabrication du ciment, à partir d’un clinker.

Nous avons confectionné trois ciments, à partir de trois clinkers les plus intéressants :

- CM1 avec le clinker gd4 caractérisé par la combinaison des valeurs

requises MC = 99 / MS = 2,5 / MA = 1,5, et un rapport SO3 / MgO de 0,73

dans le mélange cru. C’est le clinker qui présente le minimum de chaux libre.

- CM2 avec le clinker GD6 :c’est le meilleur des clinkers résultants d’une

action minéralisante combinée de SO3 et de MgO. Il est caractérisé par un

rapport SO3 / MgO de 0,48 dans le mélange cru et une combinaison des


- CM3 avec le clinker CF5 qui correspond à une farine crue additionnée de

2,5 % de fluorine, soit une teneur équivalente optimale de 1,53 % en CaF2, et

à une combinaison des valeurs requises MC = 102 / MS = 2,5 / MA = 1,2.

C’est le meilleur clinker du point de vue teneur en alite.

Le gypse utilisé comme régulateur de prise, est celui qui nous a servi pour l’activation

chimique.

157

L’évaluation et le contrôle des ciments fabriqués se feront par comparaison de leurs

caractéristiques aux valeurs admises par les normes et à celles d’un CPA 45 témoin.

2. FABRICATION DES CIMENTS

3.1. Principe Les clinkers sont broyés avec du gypse dans un broyeur à boulets pendant un temps

déterminé.

Pour nous rapprocher des conditions d’exploitation industrielle, la durée de broyage est

fixée de telle sorte que, pour chaque ciment, la finesse de mouture correspond à une

surface spécifique comprise entre 4000 et 4700 cm2/g, pour un passant cumulé de 100

% au tamis de 120 µ.

La quantité de gypse est calculée de façon à avoir une teneur en SO3 égale à 3 % dans

le ciment (inférieure à la limite autorisée de 4 % pour les ciments Portland de classe 45

et plus).

3.2. Composition des ciments Le calcul de la composition des ciments est basé sur le procédé par équations de

détermination et de concordance de phase : le clinker et le gypse présentent des écarts

par rapport à la teneur en SO3 de 3 % visée, ces écarts sont nuls pour le mélange

considéré. Les compositions des ciments sont données dans le tableau 72.

Tableau 72 : Composition des ciments (en % pondéral)

Ciment CM1 CM2 CM3

Clinker 96,84 96,87 93,33

Gypse 3,16 3,13 6,67

Nous remarquons que CM1 et CM2 nécessitent moins de gypse par rapport à CM3. Ce

qui est normal, car ce sont des ciments fabriqués à partir de mélanges crus gypsés.

158

3. CARACTERISATION ET CONTROLE 3.1. Caractéristiques physiques Les résultats de la caractérisation physique des ciments sont présentés dans les

tableaux 73 et 74. Le premier tableau donne les caractéristiques de la poudre, le

second celles mesurées sur pâte pure ou mortier normal.

Tableau 73 : Caractéristiques de la poudre

ρ (T/m3) γ (T/m3) SSB (g/cm2)

CM1 1,04 3,15 4652

CM2 1,07 3,03 4523

CM3 1,02 3,14 4684

CPA 45 0,98 3,01 4421

� Les valeurs des densités sont celles de ciments Portland, que ce soit pour la masse

volumique ou pour le poids spécifique. Toutefois, on peut remarquer que ce sont les

ciments les plus fins qui ont le plus faible poids au litre. Ceci s’explique par une

augmentation du volume total des vides entre les grains plus finement divisés.

Les différences, quoique faibles, enregistrées pour le poids spécifique γ peuvent

provenir, d’une part d’une teneur plus ou moins élevée en alite, et d’autre part de la

nature de la masse interstitielle. Un clinker bien cuit présente une masse interstitielle

homogène et compacte.

Tableau 74 : Caractéristiques mesurées sur pâte ou mortier normal

CM1 CM2 CM3 CPA 45

Début de prise (mn) 114 128 117 98

Expansion à 100° C (mm) 8,4 8,5 3,5 3,2

Retrait mm/m 8,18 7,84 9,52 6,28

Volume poreux (cm3/g) 0,084 0,080 0,131 0,068

Facteur de porosité (%) 15,9 15,4 21,3 14,0

159

� La vitesse de prise de nos ciments n’est pas particulièrement élevée. Elle correspond

néanmoins à celle des ciments Portland de classe 55 ou plus. C’est le CPA 45 témoin

qui manifeste la prise la plus rapide. A notre avis, c’est dû à sa teneur la plus élevée en

C3A. En effet, lors de l’hydratation d’un ciment, parmi les constituants du clinker, c’est

C3A qui constitue la principale source des résistances aux très jeunes ages, par

formation de sulfoaluminates. A teneur en C3A égale c’est la finesse de mouture qui

conditionne la vitesse de prise.

� La forte expansion à chaud enregistrée pour CM1 et CM2 est due en partie à une

forte teneur en MgO, qui manifeste une augmentation de volume en s’hydratant.

� Le retrait, comme la porosité est liée à la surface spécifique, à cause d’une demande

en eau de gâchage plus importante pour les matériaux plus finement broyés.

3.2. Analyse chimique Les résultats des analyses chimiques de nos ciments sont présentés dans le

tableau 75.

Tableau 75 : Composition chimique des ciments (en % pondéral)

Ciment CM1 CM2 CM3

CaO 64,57 64,63 64,25

SiO2 19,92 18,93 19,26

Al2O3 4,76 4,84 4,18

Fe2O3 3,17 3,86 3,46

MgO 2,32 2,34 0,68

Na2O 0,31 0,29 0,28

K20 0,35 0,31 0,30

SO3 3,00 3,00 3,00

CaF2 - - 2,15

PF 0,64 0,64 1,35

160

De l’examen de ces résultats, on peut noter les teneurs assez élevées en MgO, déjà

signalées plus haut, pour CM1 et CM2. En effet pour des ciments normaux, ces teneurs

ne respectent pas les normes. Des teneurs en MgO > 2 % sont inadmissibles à cause

des risques d’expansion tardive qui endommagerait le béton et/ou le mortier durci.

Dans notre cas, ce phénomène est évité par la présence de sulfates. Ce qui a d’ailleurs

été vérifié par une expansion à l’autoclave qui reste conforme aux normes (< 10 mm).

3.3. Analyse minéralogique 3.3.1. Calcul de la composition minéralogique potentiel par la formule de Bogue Sur la base de la composition chimique élémentaire, la teneur en chaux libre et les

valeurs des modules du ciment, on peut en déduire sa composition minéralogique

potentielle en utilisant la formule de Bogue (cf. Première partie).

En appliquant la formule adéquate pour chaque ciment, on a obtenu les résultas qui

sont présentés dans le tableau 76.

Tableau 75 : Composition minéralogique des ciments (en % pondéral)

Ciment CM1 CM2 CM3

C4AF 9,61 10,70 10,46

C3A 7,22 5,24 5,13

C3S 67,97 70,61 69,29

C2S 5,73 2,60 2,35

CaO libre 1,03 1,90 1,79

Nous remarquons une diminution de la teneur en alite de CM3, qui est fabriqué avec le

clinker le plus riche en C3S, par rapport à CM2. Ceci est dû à une addition plus

importante de gypse pour atteindre la proportion de 3 % de SO3 visée. Nous pensons

toutefois que cela n’affectera en rien les performances du ciment, car en premier lieu,

ses qualités découlent de celles du son clinker.

161

3.3.2. Détermination qualitative des constituants des ciments Des analyses par diffraction des rayons X ont été effectuées sur les ciments anhydres,

ainsi que sur leurs produits d’hydratation à 28 jours (Figures 60, 61 et 62). Les

diffractogrammes X des produits anhydres signalent l’existence des constituants

habituels des ciments Portland : C3S, C2S, C3A, C4AF et le gypse. En plus, d’autres

éléments en état de trace s’y trouvent (la chaux, le calcite).

L’intensité des raies caractéristiques de chaque constituant, confirme les résultats

trouvés en utilisant la formule de Bogue :

- CM3 est le plus riche en alite (raies de C3S les plus intenses),

- CM1 a la plus faible teneur en chaux libre.

3.4. Identification des produits d’hydratation L’identification des phases présentes dans les pâtes de ciments durcies a été faite par

diffraction des rayons X (Figures 60, 61, 62 et 63), par spectrométrie IR (Figure 64) et

par analyse thermique différentielle (Figure 65). Des observations au microscope

électronique à balayage viennent conforter les résultats de l’analyse minéralogique et

renseigne sur la morphologie des produits d’hydratation.

Les raies caractéristiques des produits d’hydratation émergent difficilement des

diffractogrammes X. On arrive toute fois à déceler la présence de l’éttringite, de la

portlandite et de CSH. Sur ces diffractogrammes à 28 jours, on a encore les raies

caractéristiques des constituants des ciments anhydres (C3S, C2S, C3A et C4AF). De

toute évidence, l’hydratation, pour tous les ciments, ne s’est pas totalement effectuée à

cette échéance. On peut évaluer le degré d’avancement des réactions d’hydratation par

l’importance des raies caractéristique de la portlandite, qui sont les seules à pouvoir

être clairement observées sur les spectres X trop diffus.

Les spectres infrarouges des quatre ciments analysés présentent des similitudes au

niveau des liaisons ioniques. Les bandes d’absorption à 3450 et 1635 cm−1

correspondent à l’eau d’hydratation. La présence d’ions SO42- est confirmée par un

léger décrochement vers 1150 cm-1.

162

Les bandes très marquées à 790 et 925 cm-1 sont attribuées respectivement aux

liaisons Si-O-Al (IV) et Si-O.

Les courbes d’ATD des produits d’hydratation donnent encore plus d’informations. Les

pics qui apparaissent sur ces courbes sont les mêmes pour tous les échantillons, seule

leur intensité varie (Figure 65).

Le pic endothermique à 130 °C peut correspondre à l a fois au CSH et à l’éttringite ; le

léger décrochement, qui se traduit dans certains cas par un dédoublement, signifie la

présence simultanée des deux phases. L’existence de ces deux constituants ne fait pas

de doute, la DRX l’a confirmé et il en est de même avec l’observation au MEB (photos

02-04 et 03-05).

Un léger épaulement qui se passe vers 265 °C tradui t très certainement la présence de

C4AH13. Cette phase a été identifiée d’une façon formelle au microscope électronique à

balayage (photo 06).

Le pic à 540 °C est attribuable à la chaux libérée lors de l’hydratation des ciments, ou

portlandite.

Enfin le pic endothermique vers 840 °C correspond à la décomposition du carbonate de

calcium contenu dans le ciment ou formé par carbonatation de la portlandite libérée.

Compte tenu de toutes ces remarques, on peut conclure que la phase hydratée

principale de nos ciments est le silicate de calcium hydraté CSH.

163

Figure 60 : Diffractogrammes X de CM3 anhydre et de son produit d’hydratation à 28 jours

164


165


166

Figure 63 : Diffractogrammes X de CPA 45 anhydre et de son produit d’hydratation à 28 jours

167

Figure 64 : Spectres IR des produits d’hydratation à 28 jours

Figure 65 : Courbes d’ATD des produits d’hydratation à 28 jours

168

PHOTO 01 : Vue générale – petits hydrates ( x 1000 )

PHOTO 02 : Ettringite ( x 10 000)

169

PHOTO 03 : CSH ( x 4 500)

PHOTO 04 : Ettringite ( x 10 000)

170

PHOTO 05 : CSH ( x 10 000)

PHOTO 06 : C4AH13 ( x 6 000)

171

3.5. Performances mécaniques – Classe de résistance . Afin de déterminer la classe de résistance de nos ciments et les comparer au CPA 45

Moraingy témoin, des essais de rupture en traction par flexion et en compression simple

ont été effectués sur des mortiers normaux à base des trois ciments, conformément à la

norme NF EN 196 – 1 (ou l’ancienne norme NF P 15 451).

La confection et le coulage des éprouvettes de mortier normal ont été exécutés

conformément aux prescriptions de la norme AFNOR NF P 15 403.

Le sable utilisé pour ces essais normalisés, est un sable spécial, lui-même normalisé,

dénommé sable normal.

La constitution du mélange de mortier normal est la suivante (proportions massiques) :

- Liant : ¼ ;

- Sable normal : ¾ ;

- Eau de gâchage : eau de consistance normale, qui correspond à un rapport

Eau/Solide : ⅛.

Ce qui nécessite pour la confection de trois éprouvettes prismatiques 4 x 4 x 16 cm :

1350g de sable normal, 450 g de ciment et 225 g d’eau.

Les essais de rupture ont été effectués à des échéances de 2, 7 et 28 jours suivant les

prescriptions de la norme NF EN 196 – 1. D’autres essais à plus longs termes ont aussi

été réalisés pour vérifier la stabilité et la durabilité de nos ciments (64, 90 et 360 jours).

Les résultats obtenus sont regroupés dans les tableaux 76 et 77.

La valeur retenue pour la résistance est :

- la moyenne des résultats obtenus sur trois éprouvettes d’essais, pour la

résistance à la traction par flexion ;

- la moyenne obtenue avec les six demi éprouvettes provenant des essais

de traction, pour la résistance à la compression.

172

Les figures 66 et 67 montrent respectivement l’évolution des résistances en

compression et en traction en fonction du temps.

Tableau 76 : Résultats des essais de compression (en MPa)

Age CPA 45 CM1 CM2 CM3

(jours) Rc Rcmax Rcmin Rc Rcmax Rcmin Rc Rcmax Rcmin Rc Rcmax Rcmin

2 16,02 16,63 15,51 21,96 22,58 21,54 20,02 20,71 19,38 26,82 27,47 26,26

7 25,88 26,49 25,37 45,23 45,80 44,86 50,96 51,61 50,36 56,12 56,74 55,59

28 39,76 40,26 39,36 62,92 63,44 62,60 70,47 71,18 69,81 74,31 74,98 73,73

64 45,38 45,94 44,92 69,68 70,27 69,29 77,95 78,63 77,32 81,34 81,97 80,80

90 46,51 47,10 46,02 71,12 71,72 70,72 79,63 80,33 78,98 83,46 84,10 82,91

180 47,93 48,55 47,41 72,01 72,61 71,61 81,03 81,72 80,39 85,21 85,86 84,65

360 48,26 48,84 47,78 72,14 72,78 71,70 81,62 82,32 80,97 86,03 86,67 85,48

Tableau 77 : Résultats des essais de traction (en MPa)

Age CPA 45 CM1 CM2 CM3

(jours) Rt Rtmax Rtmin Rt Rtmax Rtmin Rt Rtmax Rtmin Rt Rtmax Rtmin

2 3,22 3,83 2,71 5,19 5,81 4,77 4,71 5,36 4,15 6,38 7,07 5,74

7 5,26 5,87 4,75 9,86 10,43 9,49 11,21 11,83 10,68 12,73 13,38 12,13

28 7,12 7,62 6,72 11,65 12,17 11,33 14,00 14,67 13,42 14,79 15,50 14,13

64 7,69 8,25 7,23 12,31 12,90 11,92 14,32 14,95 13,78 15,61 16,29 14,98

90 8,02 8,61 7,53 12,96 13,56 12,56 14,64 15,28 14,09 16,12 16,82 15,47

180 9,11 9,73 8,59 14,62 15,22 14,22 16,43 17,08 15,87 17,98 18,67 17,34

360 9,23 9,81 8,75 14,97 15,61 14,53 17,01 17,65 16,46 18,21 18,91 17,56

173

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 20 40 60 80 100

Temps (jours)

Rc

(MP

a)

CPA 45

CM1

CM2

CM3

Figure 66 : Evolution de la résistance en compression en fonction du temps

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Temps (jours)

Rt

(MP

a)

CPA 45

CM1

CM2

CM3

Figure 67 : Evolution de la résistance en traction


174

Les deux séries de courbes présentent, à peu de choses près, les mêmes allures.

Quelque soit l’âge, nos ciments sont, de beaucoup, plus performants que le CPA 45.

La grande partie de la résistance des mortiers est acquise dans les 28 premiers jours.

Toutefois ils continuent à durcir jusqu’à un âge très avancé. L’augmentation de la

résistance entre 28 jours et une année est d’environ 21 % pour le CPA témoin contre

16 % pour nos ciments. Pour tous les ciments, le durcissement n’est pratiquement

terminé qu’au bout de 6 mois.

A première vue, la résistance des mortiers semble être liée à la teneur en alite des

ciments : le ciment le plus performant est le plus riche en alite. En général, cette

affirmation est vérifiée. Cependant, on peut noter quelques exceptions à cette règle :

- Le ciment CM2 est plus riche en alite que CM3, or pour toutes les

échéances, c’est le mortier à base de CM3 qui manifeste les résistances les

plus élevées. Ceci peut provenir, d’une part d’une plus grande finesse de

mouture, et d’autre part des qualités des clinkers de départ. En effet, CM3

possède une plus grande surface spécifique, et est fabriqué à partir du clinker

le plus riche en alite. On peut donc avancer qu’à teneur égale en SO3 dans les

ciments, la teneur en alite du clinker d’origine influe plus sur la résistance que

celle du ciment, à cela s’ajoute une plus grande finesse de mouture.

- Au très jeunes âges (< 7 jours), CM1 moins riche en alite, présente une

résistance plus élevée que CM2. La finesse de mouture peut en partie

expliquer ce fait. A notre avis, une teneur en C3A plus élevée peut aussi en

être la cause.

D’après les valeurs de leur résistance normale à 28 jours, et selon les spécifications de

la norme NF EN 197-1, les trois ciments peuvent être classés dans la catégorie des

ciments à haute résistance, définie par la classe 52,5 N.

3.6. Stabilité et durabilité La stabilité du ciment conditionne la durabilité des bétons et des mortiers.

Conventionnellement, et selon les normes en vigueurs, la stabilité d’un ciment est

évaluée par des essais d’expansions à l’autoclave. Cet essai permet d’accélérer les

effets néfastes de l’augmentation des contraintes internes dans les mortiers et bétons

175

suite à l’hydratation tardive, accompagnée d’un accroissement de volume, de certains

constituants du ciment, dont font partie la magnésie et la chaux libre.

Les résultats des essais d’expansion opérés sur nos ciments montrent qu’ils sont, sur

ce point, conformes aux normes (expansion < 10 mm) (cf. tableau 74).

Pour vérifier que les ajouts volontaires de gypse, de dolomie et de fluorine, dans la

farine crue, n’ont aucune influence négative sur les propriétés de nos ciments, nous

avons effectué des essais de rupture en compression et en traction à plus long terme

(180 et 360 jours). Les résultats obtenus (tableau 76 et 77) confirment ceux des essais

d’expansion. Nous pouvons affirmer que nos ciments sont stables, et que l’utilisation de

minéralisateurs (du moins ceux que nous avons employés) lors de la cuisson du cru

n’affectent aucunement leurs qualités à long termes. Dans notre cas, le MgO tant

redouté est fixé, en majeure partie dans les solutions solides et autres combinaisons du

clinker, suite à la présence d’ions sulfates.

3.7. Conclusion En partant de bons clinkers, riches en alite et avec le minimum de chaux libre, nous

avons obtenu, dans des conditions proches de celles appliquées en exploitation

industrielle, des ciments à haute résistance qui sont conformes aux normes.

Les principaux constituants de ces ciments sont ceux rencontrés habituellement chez

les ciments Portland (C3S, C2S, C3A, C4AF et le gypse).

L’identification des produits d’hydratation a montré que la phase hydratée principale de

nos ciments est le silicate de calcium hydraté CSH.

D’après leur résistance normale, nos ciments sont tous rangés dans la classe de

résistance 52,5 N. Toutes fois à teneur en SO3 égale, c’est celui fabriqué avec le clinker

le plus riche en alite qui est le plus performant.

Ces ciments sont stables ; l’utilisation de minéralisateur pour la fabrication du clinker

n’altère en rien leurs qualités à longs termes.

176

Dans ce travail, suite à l’analyse documentaire et l’interprétation des données

collectées dans la littérature technique, nous avons dressé une synthèse

bibliographique présentant la problématique.

Nous avons commencé notre étude expérimentale par une contribution aux études sur

l’amélioration de la qualité d’un clinker industriel. Les recommandations pour l’obtention

d’un bon clinker industriel sont :

- l’adoption d’une méthode qui se base sur la fixation des valeurs requises

MC, MS et MA pour le calcul du mélange cru, ce qui prescrit l’utilisation de

quatre matières premières ;

- l’emploi de minéralisateur, genre gypse et fluourine, pour obtenir des

clinkers riches en alite et à faible teneur en chaux libre.

Nous avons ensuite expérimenté, à l’échelle du laboratoire, les différentes méthodes

qui, en agissant sur le mélange cru, permettent d’obtenir un clinker à haute teneur en

alite et contenant le minimum de chaux libre. En fixant les paramètres techniques de

fabrication aussi proches que possible des conditions d’exploitation industrielle, nous

avons déterminé les meilleures compositions du mélange cru. Ces farines crues on été

améliorées par différentes méthodes d’activation.

En ce qui concerne l’activation chimique, en choisissant le gypse et la fluorine comme

minéralisateurs, les résultats ont montré une efficacité relative plus grande de la fluorine

comme minéralisateur, par rapport au gypse. De plus, il a été constaté qu’une action

minéralisante optimale de SO3 est toujours liée à une valeur bien déterminée du rapport

SO3 / MgO :

- Pour la combinaison MC = 99 / MS = 2.5 / MA = 1.5, on arrive à obtenir des

teneurs en alite et en chaux libre respectivement égales à 70,19 % et 1,06 %,

avec SO3 /MgO = 0,73.

177

- Pour la combinaison MC = 102 / MS = 2.5 / MA = 1.2, et avec

SO3/MgO = 0,47, on obtient un clinker très riche en alite (72,90 %) avec une

teneur en chaux libre conforme aux normes (1,96 %).

La technique d’addition de MgO à un mélange cru gypsé, pour renforcer l’action

minéralisante de SO3 est nouvelle. Couramment, on ajoute du gypse à une farine crue

trop riche en magnésie pour prévenir le risque d’expansion de MgO tant redouté dans

les ciments.

Avec la fluorine et pour la même farine crue, définie par MC = 102 / MS = 2.5 /

MA = 1.2, la teneur optimale en CaF2 du mélange cru est d’environ 1,5 %.

L’activation thermique conduit à de bons résultats, malheureusement, les procédés

actuels de cuisson ne permettent pas de recourir de façon optimale à cette méthode.

Pour la même raison, un broyage intensif du mélange cru ne présente aucun intérêt car,

en raison du faible gradient d’échauffement, il est fortement désactivé quand il atteint la

température maximale de cuisson.

Pour terminer l’étude, nous avons élaboré des ciments avec les meilleurs clinkers que

nous avons produits.

Les essais d’identification et de caractérisation, effectués sur ces ciments, ont permis

de conclure que leurs principaux constituants sont ceux habituellement rencontrés chez

les ciments Portland (C3S, C2S, C3A, C4AF et le gypse).

D’après leur résistance normale et selon les prescriptions de la norme NF EN 197-1,

nos ciments peuvent être qualifiés de la dénomination de « ciments à haute

résistance ». Ils sont tous rangés dans la classe de résistance 52,5 N.

Les résultats de nos travaux nous permettent d’affirmer que l’on peut produire des

ciments à haute résistance à Madagascar, par des actions effectuées sur le mélange

cru. Ces résultats peuvent facilement être appliqués à la fabrication industrielle.

178

BIBLIOGRAPHIE

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résistance ;Thèse de Docteur ès Science ESPA Université d’Antananarivo -2000

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A1

ANNEXE 01

METHODES D’ANALYSE CHIMIQUE DES MATIERES PREMIERES

A3

Les cendres seront analysées comme pour les matières premières.

A4

ANNEXE 02

ANALYSE CHIMIQUE DU CLINKER ET/OU DU CIMENT

A5

ANNEXE 03

NORME AFNOR NF P 15-301 DE 1981 ENONCE DES GARANTIES

A7

ANNEXE 04

PREPARATION DU MORTIER – NORME NF EN 196-1

A8

ANNEXE 05

PREPARATION DES EPROUVETTES

A9

ANNEXE 06

DETERMINATION DU TEMPS DE PRISE

A11

ANNEXE 07

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES APPAREILS DE CARACTERISATION

A – PRINCIPE DU MICROSCOPE A BALAYAGE (type JEOL 35 CF)

A12

B - PRINCIPE D’UN APPAREIL DE FLUORESCENCE X

A13

C - PRINCIPE D’UN APPAREIL DE DIFFRACTION DES RAYO NS X

A14

D - PRINCIPE D’UN APPAREIL D’ANALYSE THERMIQUE DIF FERENTIELLE

A15

E - PRINCIPE D’UN APPAREIL DE SPECTROMETRIE INFRA -ROUGE

Auteur : RANAIVONIARIVO Velomanantsoa Gabriely

Titre : « Contribution à l’étude d’élaboration de ciments à haute résistance à Madagascar – Actions sur le mélange cru » Nombre de pages : 182 Nombre de tableaux : 77 Nombre de figures : 67 Nombre de photos : 06

RESUME Ce travail est une étude sur l’élaboration de ciments à haute résistance avec des matières premières malgaches. Elle a porté, dans un premier temps, sur des essais d’amélioration de la résistance mécanique d’un ciment industriel. Des corrections apportées au niveau du calcul de la composition du mélange cru industriel et l’utilisation du gypse comme minéralisateur ont permis l’obtention d’un clinker de meilleure qualité. Quelques méthodes d’activation du mélange cru ont été, ensuite, expérimentées, à l’échelle du laboratoire. La mise en œuvre de différentes techniques physico-chimiques ont permis de déterminer les conditions optimales pour l’obtention de clinkers riches en alite (> 60 %) et contenant le minimum de chaux libre (< 2%). Ces clinkers ont servi à la confection de ciments, qui après caractérisation et contrôle, et suivant les prescriptions de la norme NF EN 197 -1, peuvent être qualifiés de « ciments à haute résistance ». Par la valeur de leur résistance normale, ces ciments sont rangés dans la classe de résistance 52,5 N. Mots clés : Ciment – Haute résistance – Clinker – Minéralisateur – Activation

ABSTRACT This work is a research about elaboration of high resistance cements with malagasy raw materials. In a first time, the research wore on mechanical resistance improvement tests of an industrial cement. Corrections brought on the calculation of the industrial raw mixture composition and the use of gypsum as mineralizator permitted to get a clinker which has best qualities. In a second time, on laboratory scale, some methods of raw mixture activation were tested. The use of different physico-chemical techniques permitted to determine the optimal conditions to obtain clinkers which contain more alite (> 60%) and minimal free lime (<2%). These clinkers served to prepare cements, which after characterization and control, and according to the prescriptions of the NF EN 197 - 1 norm, can take the qualification of “high resistance cements”. By the value of their normal resistance, these cements can be ranged in the 52,5 N resistance class. Key words: Cement - High resistance - Clinker - Mineralizator - Activation

Directeurs de thèse : Professeur RAKOTOMARIA Etienne Professeur RANDRIANJA Roger Adresse de l’auteur : 21, Cité des Professeurs - Ambolokandrina E-mail : [email protected]

contribution a l'etude d'elaboration de ciments a …

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