CHAPITRE II : Méthodes et Matériaux
II.6 Caractérisation mécanique et durcissement
La résistance mécanique des ciments durcis a été mesurée en compression simple sur des éprouvettes cubiques (2*2*2* cm3) de pâte pure. Les éprouvettes (trois par échéance) étaient réalisées avec un rapport E/C = 0,45, conservées à l’air, démoulées à un âge de deux jours et ensuite conservées sous eau à 20°C puis sorties et conservées sous air ambiant à la veille des échéances de rupture : 7, 28 et 90 jours. Les essais mécaniques ont été réalisés à l’aide d’une presse hydraulique de capacité 50kN et les essais ont été menés avec un chargement à vitesse constante de 0,1 kN/s (figure II.8).
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Figure II 8. Détermination de la résistance à la compression (traitement de données obtenues avec calcul de la moyenne)
II.7 Méthode de synthèse du cru
II.7.1 Préparation du mélange
a) Calcul du mélange
Ce mélange est composé, d’une part, de chaux éteinte comme source de chaux, et d’autre part d’un déchet industriel (vase de barrage hydraulique) comme source de silice. Les compositions chimiques de ces matières premières sont données dans les tableaux II.3 et II.4. La méthode de calcul utilisée est basée principalement sur les taux de silice et de chaux, du fait que ces deux oxydes sont les principaux formateurs d’alite (silicate tricalcique : C3S). La procédure de calcul est comme suit, pour 100 g de cru :
Soit MC et MS les pourcentages massiques de la matière source de chaux et de la matière source de silice respectivement. S1, S2 sont les pourcentages de la silice dans les deux matières successivement. C1, C2 sont les pourcentages de la chaux dans ces deux matières. Pour un rapport CaO/SiO2 égal à X, nous avons :
% CaO dans le cru = MC.C1 + MS.C2 ; % SiO2 dans le cru = MC.S1 + MS.S2 % CaO / % SiO2 = X
Donc : (MC.C1 + MS.C2) / (MC.S1 + MS.S2) = X MC= (X S2 – C2)*100/ (C1-X S1+X S2-C2)
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MC+MS=100
MC=100-MS MS=100-MC
MS = (C1-X S1) * 100/ (C1-X S1+X S2- C2)
b) Dosage des constituants du cru
Ces mélanges sont préparés avec différents pourcentages de ZnSO4 et sont homogénéisés dans un mélangeur pendant 30 minutes. Les pourcentages des matières premières dans chaque mélange cru sont donnés dans le tableau II .1 pour les principaux rapports C/S utilisés.
Tableau II 1.Dosage (% massique) en matériaux des mélanges crus préparés
Matériaux
Compositions massiques des mélanges crus en matières premières C/S=2,4 C/S=2,6 C/S=2,8 C/S=3 C/S=3,2 Vase du barrage 4,96 g 4,70 g 4,47 g 4,26 g 4,06 g La Chaux 5,03 g 5,29 g 5,52 g 5,74g 5,93g
c) Mélange et homogénéisation du cru
Deux méthodes de mélange et d’homogénéisation des crus ont été utilisées dans ce travail pour obtenir des clinkers alitiques et de meilleures réactivités hydrauliques : la méthode sèche et la méthode humide dans l’eau déminéralisée.
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Méthode sèche
Cette méthode est très connue dans la synthèse des oxydes et minéraux céramiques, les matières premières sont finement broyées à 80µm avec un pourcentage de minéralisateur (sulfate de zinc : ZnSO4), selon le calcul du cru et introduites dans les proportions correctes dans un broyeur. Les matières premières sont réduites en une poudre fine dans le broyeur. La poudre sèche est appelée mélange cru.
Méthode humide
La méthode humide a été utilisée pour assurer une meilleure homogénéisation des matières premières. Pour 10g de poudre on rajoute 50ml d’eau distillée et on agite pendant 1h. Après filtration on introduit le mélange humide dans l’étuve pendant 2h à 100°C.
La méthode sèche a donné des résultats aussi bons que la méthode humide, en terme notamment d’anhydres formés. Comme le sulfate de zinc est soluble dans l’eau, il y a un risque de déperdition dans l’opération de mélange/homogénéisation en voie humide. Nous avons donc conservé cette méthode (sèche) pour l’ensemble des essais.
II.7.2 Le procédé de cuisson
Chaque mélange cru est placé dans un creuset en alumine (figure II.10), puis introduit dans un four à moufle (Nabertherm HT04/16) pour une cuisson avec une vitesse de chauffe de 5°C/min jusqu’à la température voulue, maintenue constante pendant quatre heures (figure II.9). Ensuite est opéré un refroidissement rapide suivi d’un broyage et d’un tamisage à 40µm.
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Figure II 10. Les différents creusets en alumine utilisés
II.7.3 Le procédé de refroidissement
Les procédures de refroidissement après cuisson jouent un rôle important sur la forme et la réactivité des constituants du clinker [108].
Dans l’industrie du ciment le refroidissement du clinker Portland s’effectue en deux étapes : quand la température de cuisson atteint 1450°C, le clinker est refroidi dans le four rotatif jusqu'à 1200 à 1300°C ; La deuxième étape se produit dans le refroidisseur à une très basse température afin de figer les différentes phases du produit obtenu et neutraliser leur décomposition, ainsi empêcher entre autres la cristallisation du MgO en périclase.
a) Présentation des différents méthodes de refroidissement
Trois méthodes de refroidissement ont été utilisées à la sortie du four : à l’azote liquide, à l’air ambiant et à l’air chaud du four éteint.
b) Les résultats des trois refroidissements
La figure II. 11 donne les diagrammes DRX obtenus sur un même clinker (1300°C- C/S=3%- ZnSO4 = 2) refroidi de trois façons différentes : dans l’azote liquide, à l’air libre (ambiant) et à l’air du four chaud éteint.
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Figure II 11. Diffractogrammes aux rayons X des ciments synthétisés à 1300°C avec C/S=3 et 2% de ZnSO4 avec différentes méthodes de refroidissement (Azote liquide, air
ambiant et air chaud du four éteint)
Tableau II 2. Analyse quantitative des ciments CA2-1300-3 obtenus après trois modes de refroidissement (four éteint, air ambiant, et Azote liquide)
References % C3S T % C3S M % β-C2S % C2S % C3A % C4AF Rwp CA2-1300-3 Four éteint 2,32 51,55 15,18 9,49 8,74 7,38 11,26 CA2-1300-3 Air ambiant 6,91 45,04 15,9 8,7 8,04 6,64 10,35 CA2-1300-3 Azote liquide 7,51 46,26 19,2 4,38 7,09 7,63 10,22
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c) Conclusion des différents méthodes de refroidissement
La quantité totale de C3S est globalement identique dans les trois cas, avec cependant davantage de C3S monoclinique dans le cas d’un refroidissement lent, selon l’analyse quantitative (tableau II.2). La principale différence est dans le type de C2S formé. Seul un refroidissement très rapide à l’azote liquide permet de limiter la production de C2S, réputé non réactif [28]. C’est donc ce dernier mode de refroidissement que nous adopterons pour la suite de l’étude.