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Un ciment dans le sens général est n'importe quel matériau avec des propriétés adhésives (matière liante). Le mot viendrait du latin
- Caementum : pierre non taillée.
C'est une gangue hydraulique durcissant rapidement et atteignant en peu de jours son maximum de résistance. Son emploi le plus fréquent est sous forme de poudre utilisée avec de l'eau donc hydraulique. En tant que terme générique, le mot « ciment » peut désigner différents matériaux :
Ce dernier étant le plus important dans la construction.
Un ciment est aujourd'hui considéré comme étant un produit provenant de la cuisson de mélanges artificiels ou naturels d'argile, contenant elle-même de la silice et de l'alumine, et de carbonate de chaux, sur lesquels l'eau n'a aucune action, ou qu'une action très lente avant la trituration qui, réduits en poudre mécaniquement font prise sous l'eau en des temps variables suivant leur qualité. Les ciments à prise lente ont une prise qui commence après 20 minutes ou finit après 2 heures ; les ciments à prise prompte ont une prise qui commence avant 20 minutes ou finit avant 2 heures.
Les ciments hydrauliques furent d'abord inventés par les Égyptiens puis améliorés par les civilisations suivantes par l'utilisation de Chaux. Plus tard les Grecs d'Italie le renforcèrent avec des cendres pouzzolanique, usage repris par les Romains. Jusqu?à l'Epoque moderne, le ciment est un liant, souvent une chaux, additionnée d'adjuvant comme les tuiles ou briques concassées dont l'argile a des propriétés hydrauliques. Il ne prend son acception contemporaine qu'au XIXe siècle, lorsque Louis Vicat identifie le phénomène d'hydraulicité des chaux en 1817 et celle des ciments (qu'il appelait chaux éminemments hydrauliques ou chaux limites) en 1840.
En géologie le terme est utilisé en référence aux minéraux à grains fins qui tiennent ensemble une matrice de grains plus grossiers dans les roches sédimentaires. De tels ciments sont composés typiquement de minéraux calcaires, quartz ou d'argile.
[] Les différents ciments
[] Ciment alumineux
Le ciment alumineux fut inventé par J. Bied, directeur scientifique des Ciments Lafarge, en 1908 et fabriqué industriellement en France à partir de 1918.
C?est un ciment à base d'aluminates de calcium. Les ciments portland eux contiennent des silicates de calcium. Ces aluminates ne libèrent pas de chaux au cours d'hydratation et offrent plusieurs propriétés spéciales au béton ou au mortier alumineux:
- Une prise rapide
- Une résistance chimique élevée
- Une résistance élevée à l'usure
- Une résistance aux températures élevées
- Un accélérateur de prise par temps froid
[] Ciment aux cendres
Les ciments aux cendres furent fabriqués pour la première fois en France en 1951, par P. Fouilloux.
[] Ciment artificiel
Le ciment artificiel, ou ciment Portland, est un mélange de 76 à 80% de carbonate de chaux, et de 24 à 20% d'argile, broyé et mélangé à cru, puis cuit à une température de 1 450 °C pour obtenir une roche artificielle très dure, le clinker, qui, broyé à nouveau très finement donne le ciment artificiel.
C'est un ciment lent, fabriqué en grande à partir de 1850 environ, utilisé aujourd'hui pour les bétons et bétons armés courants, ainsi que pour les travaux de hautes technicité comme ceux des ponts et chaussées ou les ouvrages d'art. Sa fabrication longue et compliquée l'a longtemps rendu cher. Il fut imité à moindre frais par ce que l'on peut appeler les « faux artificiels » (voir ce terme).
En 1897, la Commission de méthode d'essai des matériaux classa dans la même catégorie tous les ciments à prise lente, et à partir de 1902, la Commission des chaux et ciments, n'utilise plus ce terme d'artificiel et l'englobe dans les ciments Portland.
[] Ciment blanc ou extra-blanc
Le ciment blanc ou extra-blanc est un ciment portland sans oxydes métalliques (sorte de chaux lourde), destiné à la fabrication des carreaux ou des moulages. Il est remarquable par sa finesse et sa blancheur, ne produisant aucune gerçure sur la surface lisse. Il fût inventé en 1870. Le prix est plus élevé que les ciments ordinaires, sa prise se fait entre 6 et 15 heures.
[] Ciment brûlé (ou clinker, klinker)
Le clinker, cuit à 1 450 °C et non encore moulu, peut être utilisé comme ciment, on parle alors de ciment brûlé. Il est très dur. Sa prise est beaucoup plus lente que les ciments modérément cuits à 1 000 °C, mais il présente un durcissement et un degré de cohésion tout à fait extraordinaires.
Broyé et mélangé à du gypse pour en retarder la prise, il est à la base de la fabrication courante des ciments ordinaires modernes (ciment Portland). Au XIXe siècle en Dauphiné, les morceaux modérément cuits, souvent de couleur jaune, étaient appelés des frittes jaunes ou des grumes. Les morceaux surcuits s'appelaient des frittes noires. Le mot clinker, importé d'Angleterre, servait surtout à désigner les frittes noires du ciment portland artificiel.
[] Ciments de grappiers
La production de ciments de grappiers commence vers 1870. Les grappiers sont les éléments durs que l'action de l'eau ne peut faire tomber en poudre lors de l'extinction de la chaux, et que les bluteries rejetaient. C'étaient les incuits, surcuits, chaux limites et parties trop chargées en argile des calcaires marneux.
Constituant une perte sensible pour le fabricant, on abouti au Teil (Ardèche) à en tirer partie en créant le ciment de grappiers, dont la qualité pouvait être remarquable. Ce produit un peu bâtard aurait disparu définitivement du marché avec la guerre 1914, mais on le retrouve dans les manuels d'architecture des années 1930.
[] Ciment fondu
Ciment du début du XXe siècle siècle, très alumineux, de prise normale, dont le durcissement demande beaucoup d'eau, dégage beaucoup de chaleur et est très rapide. Il est indécomposable dans les eaux magnésiennes et séléniteuses, se mélange mal avec d'autres ciments et est d'un prix élevé.
[] Ciment de laitier
Ciment appelé aussi ciment pouzzolane, obtenu à partir de laitier de hauts-fourneaux mélangé avec de la chaux grasse éteinte et de la chaux hydraulique.
Le laitier, pour acquérir de la puissance, doit avoir été refroidi brusquement à la sortie du four en étant jeté dans l'eau. Il comporte des sulfures de calcium qui s'oxydent à l'air, qui lui donnent une teinte verte, et désagrègent les mortiers, mais il durcit considérablement, bien que lentement, en milieu humide.
C'est aussi un mélange d'hydrate de chaux en poudre et de gangues hydrauliques pulvérisées ou pouzzolane artificielle.
En Allemagne, le début de la fabrication du ciment à 30 % de laitier remonte à 1901, mais il ne fut agréé qu'en 1909. Dans ce même pays les ciments contenant jusqu'à 70 % de laitier furent fabriqué dès 1907 et agréé en 1909. En France, avant 1914, on utilisait surtout le laitier à la chaux provenant de la région Est. Les cahiers des charges français le mentionnent pour la première fois en 1928 et l'admettent dans les travaux à la mer en 1930.
[] Ciment lent
Ciment à prise lente, plus de huit heures ; voir ciments naturels ou ciment portland.
[] Ciment lourd ou surcuit
Ciment surcuit à 1 450°C, donc lent à la prise.
[] Ciment mixte
Nom que donnaient les usines du nord de la France aux faux artificiels et vendus ailleurs sous le nom de Portland naturel, composé de ciment naturel et de grappiers de chaux mélangés en proportions variables.
[] Ciments naturels
Les ciments naturels sont des ciments prompts ou lents, voire demi-lents. Ils sont obtenus par la cuisson de calcaire argileux naturellement de bonne composition.
Les ciments naturels se divisent en deux classes :
- les ciments prompts, cuits à 900 °C comme les chaux, qui font prise en moins de 20 min ;
- les ciments lents, cuits à un état proche de la fusion pâteuse à 1 450 °C, qui font prise en 1 ou plusieurs heures.
Des variétés intermédiaires étaient obtenues directement ou par mélange et étaient appelés demi-lents.
Vers 1880, les ciments naturels des environs de Grenoble (plus grande région productrice) résultaient de la cuisson de calcaire marneux contenant de 23 à 30 % d'argile, plus ou moins pure. Une fois cuits, ils renfermaient 35 à 45 % d'argile calcinée et 65 à 56 % de chaux. La proportion d'argile considérée comme la meilleure est de 23 à 24 % dans le calcaire et de 36 dans le ciment. Ils ne sont apparement plus produits aujourd'hui.
[] Ciment Portland
Le ciment Portland est un ciment artificiel obtenu par la cuisson proche de l'état de fusion pâteuse de 1 450 °C des chaux limites mélangées intimement (calcaires contant de 20 à 25 % d'argile) et longtemps appelées chaux brûlées, ou de roches calcaires et de roches argileuses soigneusement dosées. C'est l'appellation courante des ciments lents. La dénomination de Portland vient des fabriques de Portland en Angleterre, où le ciment avait la même couleur que les pierres de cette région.
[] Ciment Portland naturel
Nom impropre des ciments naturels de l'Isère. Voir ciments naturels.
- élément A
- élément B
- élément C
[] Ciment prompt
Techniquement, le ciment prompt est une chaux éminemment hydraulique, un ciment obtenu à par la cuisson à 900 °C de calcaires contenant de 23 à 30 % d'argile et dont la prise s'effectue en dix ou vingt minutes. Le plus souvent, c'est un ciment naturel, un ciment provenant de la simple cuisson d'une gangue ayant naturellement les bonnes proportions de calcaire et d'argile. La pierre, à la sortie du four, reste quelques temps à l'air et absorbe de l'humidité, puis elle est blutée, conservée en silos et ensachée. Il atteint son maximum de dureté après quelques jours.
Le ciment prompt est fabriqué depuis la fin du XVIIe siècle. Il a longtemps été appelé ciment romain dans le nord de la France, les pays anglo-saxons et d'Europe de l'est malgré le fait que cette qualification commerciale soit absolument impropre. Les grands producteurs étaient sur l'île de Sheppey en Grande Bretagne et à Vassy, Pouilly et Grenoble (encore en activité) en France.
Le ciment prompt a longtemps été utilisé pour fabriquer des pierres factices de ciment moulé (de 1820 à 1920 env). Il est aujourd'hui utilisé comme ciment à sceller, comme adjuvant naturel dans les enduits de chaux et pour fabriquer des moulages d'art en particulier dans les Alpes et en Italie du nord (importation de ciment français, le prompt de la Pérelle et de la Porte de France de la société Vicat, dernier producteur en Europe).
[] Ciment sulfaté
Le ciment sulfaté fût inventé en 1908 par Hans Kühl. Il fût peu fabriqué en Allemagne, mais exploité industriellement en Belgique et en France à Partir de 1922 et jusqu'en 1965.
[] Historique
La recherche sur l'hydraulicité des chaux a commencé à la fin du 18ème siècle pour aboutir vers 1840 avec la fabrication des ciments modernes. Elle concernait les chaux grasses non hydrauliques qui ne prennent pas sous l'eau, les chaux hydrauliques qui prennent même sous l'eau, les chaux éminemment hydrauliques (riches en argiles) qui prennent très rapidement et les chaux limites (trop riches en argiles) qui prennent très rapidement puis se décomposent.
En 1796, James Parker a découvert sur l'Ile de Sheppey, Grande Bretagne, le ciment prompt qu'il baptisa commercialement ciment romain. Ce ciment obient par la suite, de 1820 à 1920 environ, une grande réputation et sert à fabrique des pierres factices de ciment moulé. Ainsi, au début du 19ème siècle tout l'Europe s'active, la France surtout pour ne rien devoir aux Anglais. Et le Français Louis Vicat découvre en 1817 le principe d'hydraulicité des chaux - concernant la proportion d'argile et la température de cuisson - et publie ses travaux sans prendre de brevet. En 1824, l'Anglais Joseph Aspdin pose un brevet pour ce qu'il appelle commercialement le ciment portland (car la couleur de son ciment ressemblait aux célèbres pierres des carrières de de la péninsule de « Portland » situées en Manche. C'est un produit similaire à celui de Vicat encore que son brevet est imprécis. Mais il faut attendre 1840, la découverte des principes d'hydraulicité des ciments lents dits ciments portland toujours par Louis Vicat - une cuisson à la température de fusion pâteuse soit 1450° C qui permet d'obtenir le clinker - pour voir une réelle fabrication de ces ciments et apparaître ensuite une architecture de béton coffré puis béton armé.
[] Fabrication du ciment courant, ou ciment Portland
La fabrication du ciment se distingue en cinq étapes majeures :
- L'extraction en carrière
- La préhomogénéisation
- La cuisson
- Le broyage
- Le stockage
On distingue également quatre types de « voies » en fonction du type de préparation :
- sèche
- semi sèche
- semi humide
- humide
L'extraction consiste à extraire du calcaire et de l'argile à partir de carrières naturelles. On remplace parfois en partie ces composés naturels par des résidus industriels à des fins de recyclage, le ciment est alors qualifié de blended :
la phase de préhomogénéisation consiste à créer un mélange fin homogène qu'on appelle le cru. Dans la voie sèche, ce mélange subit un concassage puis un broyage auxquels on ajoute une étape de granulation dans la voie semi sèche.
Dans la voie humide, le mélange liquide est d'abord émotté puis broyé et enfin délayé. Dans la voie semi humide, il est en plus pressé.
Le cru est ensuite introduit dans un long four rotatif tubulaire légèrement incliné, le kiln.
Le cru va suivre différentes étapes de transformation lors de sa lente progression dans le four vers la partie basse plus chaude. Dans un premier temps, le cru subit une étape de séchage puis c'est la phase de décarbonatation. Les premières réactions chimiques se produisent conduisant au dégagement de CO2. Puis après une phase de transition, le mélange subit la phase de cuisson. La température est de l'ordre de 1 450 °C (température de clinkerisation).
Le produit obtenu en sortie du four s'appelle le clinker et se présente sous forme de caillou en sortie de four. Celui-ci est ensuite finement broyé avec du gypse (voire d'autres constituants secondaires) pour donner le ciment. Ce broyage est généralement effectué au moyen d'un broyeur à boulet, dispositif cylindrique chargé avec des boulets d'acier mis en rotation dans lequel on introduit le clinker.
[] Chimie du ciment
[] Phases cimentières
Pour désigner les phases cimentières, on utilise en général une notation abrégée dite « notation Shortland » : C pour CaO (Chaux), S pour SiO2 (silice), A pour Al2O3 (alumine) et F pour Fe2O3 (hématite). Les phases couramment rencontrées dans l'industrie du ciment sont :
- Alite C3S : (CaO)3(SiO2) ;
- Aluminate C3A : (CaO)3(Al2O3) ;
- Belite C2S : (CaO)2(SiO2) ;
- Calcaire (limestone) : CaCO3
- Célite C4AF : cf. ferrite ;
- Chaux libre (free lime) : CaO, le teneur doit être en général inférieur à 2 % en masse dans le clinker (la quantité de chaux libre augmente lorsque la température du four baisse) ;
- Ferrite ou aluminoferrite ou brownmillerite C4AF : (CaO)4(Al2O3)(Fe2O3), on voit parfois la demie formule (CaO)2FeAlO3 ;
- Gypse : CaSO4(H2O)2 ; chauffé entre 60 °C et 200 °C, le gypse se déshydrate et donne le plâtre ;
- Périclase : MgO ;
- Portlandite : hydroxyde de calcium Ca(OH)2, provenant de l'hydratation de la chaux libre.
- Sable, silice : SiO2
La composition chimique garantit les qualités du ciment ; on effectue donc en général des analyses sur des échantillons prélevés régulièrement. On analyse également les matières premières afin de connaître leurs teneurs en différents composés et de pouvoir ainsi doser. Ces analyses sont devenues d'autant plus critiques que la fabrication du ciment a de plus en plus recours à des produits de recyclage, tant dans les matières premières (par exemple le laitier) que pour les combustibles (déchets plastiques ne dégageant pas de fumées toxiques, farines animales?).
Par ailleurs, cette analyse permet également un pilotage rétroactif du four : lorsque le taux de chaux libre (CaO) est trop importante, cela signifie que le four n'est pas assez chaud.
La qualité finale est évaluée par des modules, c'est-à-dire des valeurs calculées à partir de la composition. On définit par exemple :
- l'indice de saturation de Kühl : <math>LSI = \frac}{\mathrm{2,8 \cdot SiO_ + 1,1 \cdot Al_O_ + 0,7 \cdot Fe_O_}}</math>
[] Contamination
La présence de chlore (chlorures) et de soufre (sulfates, sulfure) dans les matières premières est problématique. En effet, en chauffant, le chlore et le soufre se volatilisent et réagissent avec les composés alcalins pour former des chlorures et sulfures alcalins. Cette poussière vient polluer la ligne de production
[] Sociétés de production
La production mondiale de ciment est dominée par quelques groupes internationaux :
- HeidelbergCement [1] : Anneliese Zementwerke AG, CEM-BENE (Cimentiers belges réunis-CBR, ENCI), Castle Cement, HC Trading, HC Fuels, Lehigh, maxit Group (Beamix, Heidelberger Bauchemie, Optiroc), Teutonia Zementwerk AG
- Holcim [2]
- Italcementi [3] : Calcestruzzi, CCB (Compagnie des ciments Belges), Ciments du Maroc, CTG, Essroc, Financiera y Minera, GSM, Halyps Cement, Italgen, Intercom, Intertrading, Jalaprathan Cement Public Company Limited, Set, Shymket Cement, Società de Gres, Socli, Terminal Ruiniti, Zuari Cement
- France : Axim, Ciments Calcia (Ciments Français), Socli, Unibéton
- Lafarge Ciment
- Vicat : Ciments Vigier, National Cement Company
Mais il existe également de nombreux producteurs indépendants, par exemple
- Algérie :
- ERCE-GIC [4] (Entreprise des ciments et dérivés de l'Est - Groupement industriel et commercial) : SCIMAT (Société des ciments de Aïn Touta), SCHB (Société des ciments de Hamma Bouziane), SCHS (Société des ciments de Hadjar Essoud), SCAEK (Société des ciments de Aïn El Kebira), SCT (Société des ciments de Tebessa)
[] Organismes internationaux et normes
Le comité C01 de l'ASTM est dédié aux ciments hydrauliques.
Les normes suivantes d'appliquent au domaine des ciments :
[] Voir aussi
[] Liens externes
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La source est wikipedia http://fr.wikipedia.org/wiki/ciment
