Constituants du clinker

Comme mentionné plusieurs fois dans les sections précédentes, les phases majoritaires du clinker sont l’alite, la bélite, l’aluminate tricalcique et l’alumino-ferrite tétracalcique dont les concentrations usuelles sont indiquées Tableau 4 [10].

Tableau 4. Composition minéralogique typique d'un clinker Portland [10]

Phase ^Formule chimique Notations cimentaires Teneurs typiques (%) Plage de concentrations (%) Alite Ca3SiO5 C3S 65 40–80 Bélite Ca2SiO4 C2S 15 10–50 Aluminate tricalcique ^{Ca3Al2O6 C3A 10} 0–15 Ferrite Ca4Al2Fe2O10 C4AF 10 0–20

La présence « d’impuretés » dans le cru ou apportées pas certains combustibles, en éléments mineurs ou en traces, peuvent modifier les structures des différentes phases minéralogiques du ciment ou bien impacter le processus de fabrication.

Ces impuretés peuvent aussi présenter quelques avantages dans le processus de clinkérisation. Par exemple, dans un système C2S–C3A–C4AF pur, la phase liquide est

Calcite Argiles Chaux libre Krotite Mayenite Gehlénite Wollastonite Ferrite Belite Aluminate Alite 0 200 400 600 800 1000 1200 Températures (°C)

33 présente à 1338 °C. En présence de MgO cette température baisse à 1301 °C et en présence de MgO et d’alcalins cette température peut être ramenée à 1260 °C [9], [18], [29].

Les paragraphes suivants détaillent la composition et la minéralogie des principaux constituants du clinker.

1.2.3.1 Silicate tricalcique (Alite)

Avec une teneur moyenne de 65% en masse, l’alite est la phase majoritaire du clinker Portland. Elle est formée à 1200 – 1300 °C par des réactions à l’état solide, liquide-solide et liquide-liquide. Elle présente sept structures cristallines différentes ou polymorphes selon la température à laquelle elle est soumise (Schéma 1) : trois structures tricliniques (T), trois structures monocliniques (M) et une structure rhomboédrique (R). Comme la structure de l’alite évolue durant le refroidissement, cette phase peut se décomposer en bélite et chaux libre vers 1250 °C si la vitesse du refroidissement est lente.

T

↔ T

↔ T

↔ M

↔ M

↔ M

↔ R

Schéma 1

À la température de clinkérisation, l’alite peut incorporer notamment du magnésium, de l’aluminium et du fer. Néanmoins, la présence de ces impuretés dans la structure peut stabiliser le C3S comme elles favorisent aussi la formation des polymorphes monocliniques et tricliniques. Dans les clinkers industriels, on retrouve généralement le polymorphe M3 de l’alite et très occasionnellement le polymorphe M1 [37], [38]. La présence de ces polymorphes dans un clinker est dépendante de sa teneur en SO3 et en MgO, tel que démontré par Maki et Goto (Figure 14) [39].

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Figure 14. Polymorphisme de l'alite dans un clinker Portland en fonction des teneurs de SO3 et MgO [39]

1.2.3.2 Silicate dicalcique (Bélite)

La bélite se forme à partir de 950 °C par une réaction à l’état solide entre CaO et SiO2. Après l’alite, elle est la deuxième phase présente dans un clinker Portland, avec une teneur moyenne de 15%. Elle cristallise sous cinq différents polymorphes (Schéma 2) : α-bélite, α’H-bélite, α’L-bélite, β-bélite et γ-bélite. Les différences entre ces polymorphes ne résident pas seulement dans leurs structures cristallines mais aussi en termes de propriétés hydrauliques. En effet, les polymorphes α’ sont les plus réactifs tandis que le polymorphe γ ne présente pas d’activité hydraulique. Tout comme l’alite, la bélite présente des incorporations d’éléments mineurs à hauteur de 4 à 6% [15]. Elle peut contenir du Mg, Al, Fe mais aussi des alcalins (K, Na) du soufre (S) et du phosphore (P). Dans un clinker Portland industriel, la bélite est présente généralement en variété β avec la possibilité d’une présence très occasionnelle de la variété α’H [15], [38]. L’hydratation du C2S est plus lente que celle de l’alite.

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Schéma 2

1.2.3.3 Aluminate tricalcique

L’aluminate tricalcique est généralement la troisième phase du clinker Portland avec une teneur moyenne de 10%. L’aluminate tricalcique est présent dans la phase interstitielle du clinker. Elle est composée majoritairement d’oxyde de calcium et d’oxyde d’aluminium. Tout comme les silicates, l’aluminate tricalcique peut présenter des inclusions d’ions dans sa structure (le calcium est substitué par le magnésium, les alcalins, etc.). Il existe cinq différentes structures cristallines du C3A selon trois familles : cubique, monoclinique et orthorhombique. Cependant, à la différence des silicates, l’aluminate tricalcique ne change pas de structure en fonction de la température mais à cause de sodium (Na) en inclusion dans sa structure (Figure 15). Seules les variétés cubique et orthorhombique de l’aluminate tricalcique ont été détectées dans un clinker Portland industriel [15], [38]. Elle présente une cinétique de réaction très élevée au contact de l’eau (lors de l’hydratation du ciment). Cette réactivité est contrôlée par l’ajout de sulfate de calcium.

36 1.2.3.4 L’alumino-ferrite tétracalcique (Ferrite)

L’alumino-ferrite tétracalcique (Ferrite) est la quatrième phase minéralogique du clinker Portland avec une teneur de 0 à 15%. Il s’agit d’une solution solide de formule chimique : Ca2(AlxFe1-x)2O5 avec x compris entre 0 et 0,7. Contrairement aux phases précédentes, la ferrite ne montre pas de polymorphisme mais un changement de symétrie. Dans un système orthorhombique, elle passe du groupe d’espace Pcmn au groupe Ibm2 pour x=0,33.

1.2.3.5 Phases mineures

En plus des phases majeures, des phases mineures (<3%) peuvent être présentes dans un clinker. Du quartz n’ayant pas réagi, de la chaux libre (CaO) ou du périclase (MgO) peuvent être détectés. Les alcalis-sulfates sont aussi présents en lien avec des cycles évaporation-condensation des éléments volatils (K2O, Na2O et SO3) dans le four.

1.2.3.6 Bilan

Dans les conditions industrielles, ces différentes phases formées sont observables en microscopie optique (Figure 16).

Figure 16. Micrographie d'un clinker avec l'observation de grains d'alite (C3S), de bélite (C2S) et de chaux (C). L'aluminate tricalcique (C3A) et la ferrite sont présents en solution interstitielle [40]

37 Par microscopie électronique à balayage avec microsonde, il est possible d’étudier la composition de ces phases. On notera qu’elles incorporent des « impuretés » dans leur structure en fonction de la composition chimique du clinker final (Tableau 5).

Tableau 5. Composition chimique typique des phases minéralogiques d'un clinker Portland [15]

Remarque : Les propriétés hydrauliques principales de toutes les phases d’un clinker Portland sont résumées en Tableau 6.

Tableau 6. Récapitulatif des propriétés des phases minéralogiques présentes dans un clinker Portland