Chapitre I
Le ciment et les ajouts minéraux 1 partie
ére: le ciment
I.1. Introduction :
Le ciment est nécessaire à la fabrication du béton. En terme d’énergie nécessaire à sa production, le ciment se classe au troisième rang de tous les matériaux, devancé seulement par l’acier et l’aluminium.
Selon certaines études, la fabrication d’une tonne de ciment génère environ une tonne de CO2. Il est responsable d’environ 5% des émissions de ce gaz sur la planète. Cette situation doit être prise au sérieux car le béton est appelé à jouer un rôle de plus en plus important dans le développement et le maintien de l’activité humaine. L’utilisation de résidus industriels récupérés et recyclés, tels que les ajouts cimentaires et les gisements de ressources naturelles tels que la pouzzolane et le calcaire, comme produits de remplacement partiel du ciment Portland dans le béton, permet de réduire les émissions des gaz à effet de serre et se traduit par la fabrication d’un béton non polluant et durable sur le plan environnemental.
Dans l’industrie de ciment lorsqu’un des ajouts cimentaires est ajouté au ciment, ce dernier est dit «binaire» et s’il y’en a deux ajouts il est appelé «ternaire». Cette approche qui consiste à unir divers matériaux cimentaires existe depuis le début des années 80. Par contre ce n’est que depuis quelques années que l’industrie du béton se montre de plus en plus réceptive à cette nouvelle façon de faire le béton. En plus de procurer une très grande durabilité, le ciment ternaire permet au béton d’être beaucoup plus imperméable aux agressions chimiques.
I.2. Définition du ciment :
Le ciment est un produit moulu du refroidissement du clinker qui contient un mélange de silicates et d'aluminates de calcium porté à 1450-1550 C° , température de fusion avec une quantité nécessaire de gypse et un / ou des ajout(s) minéraux actifs (ciment composé), faite simultanément ou par malaxage minutieux des mêmes matériaux broyés séparément.
Le ciment usuel est aussi appelé liant hydraulique, car il a la propriété de s'hydrater et durcir en présence d'eau et par ce que cette hydratation transforme la pate liante, qui a une consistance de départ plus ou moins fluide, en un solide pratiquement insoluble dans l'eau.
Ce durcissement est du à l'hydratation de certain composés minéraux, notamment des silicates et des aluminates de calcium.
L'expression de "pâte de ciment durcissant" sera utilisée pour désigner la pâte de ciment dans la transformation d'un état plus ou moins fluide en un état solide [3].
I.3. Ingrédients du ciment :
Minéralogiquement parlant, le ciment est fait essentiellement à partir de quatre constituants :
la chaux CaO (désignation simplifiée « C ») plutôt basique ;
la silice SiO2 (désignation simplifiée « S ») ;
l'alumine Al2O3 (désignation simplifiée « A ») ;
l'oxyde de fer Fe2O3 (désignation simplifiée « F ») plutôt acide.
Ces quatre éléments de base ne se trouvent pas dans la nature dans des états adéquats favorisant l'émergence des liants hydrauliques. En effet, la chaux CaO se carbonate facilement en absorbant le gaz carbonique de l'air, pour devenir de la roche calcaire, en abondance dans la nature. Les trois oxydes (SiO2, Al2O3, Fe2O3) abondent dans la nature sous forme cristallisée et stable (sable, argiles, etc.). Ils doivent donc subir un traitement approprié pour les amener dans un état de réactivité. Sans ce traitement, rien ne se passe ou, au mieux, peu de choses [3].
I.4. Le principe de fabrication du ciment :
(Figure I.1)La fabrication de ciment se réduit schématiquement aux trois opérations suivantes :
préparation du cru ;
cuisson ;
broyage et conditionnement.
(Figure I.1).Fabrication du ciment
Le principe de la fabrication du ciment est le suivant :
Calcaires et argiles sont extraits des carrières, puis concassés, homogénéisés, portés à haute température (1450 °C) dans un four. Le produit obtenu après refroidissement rapide (la trempe) est le clinker.
Un mélange d’argile et de calcaire est chauffé. Au début, on provoque le départ de l’eau de mouillage, puis au delà de 100 °C, le départ d’eau d’avantage liée. A partir de 400°C commence la composition en gaz carbonique (CO2) et en chaux (CaO), du calcaire qui est le carbonate de calcium (CaCO3).
Le mélange est porté à 1450-1550 °C, température de fusion. Le liquide ainsi obtenu permet l’obtention des différentes réactions. On suppose que les composants du ciment sont formés de la façon suivante: un partie de CaO est retenu par Al2O3 et Fe2O3 en formant une masse liquide. SiO2 et CaO restant réagissent pour donner le silicate bicalcique dont une partie se transforme en silicate tricalcique dans la mesure où il reste encore du CaO non combiné [6].
IL existe 4 méthodes de fabrication du ciment : (Figure I.2)
Fabrication du ciment par voie humide (la plus ancienne) ;
Fabrication du ciment par voie semi-humide (en partant de la voie humide) ;
Fabrication du ciment par voie sèche (la plus utilisée) ;
Fabrication du ciment par voie semi-sèche (en partant de la voie sèche).
(Figure I.2).Le schéma de la fabrication du ciment
I.5. Etapes de fabrication du ciment :
(Figure I.3)La fabrication du ciment est un procédé complexe qui exige un savoir-faire, une maîtrise des outils et des techniques de production, des contrôles rigoureux et continus de la qualité.
(Figure I.3). Le schéma de la fabrication du ciment par voie sèche
Ce procédé comporte les étapes de fabrication suivantes :
I.5.1- L’extraction et la préparation des matières premières :
Les matières premières sont extraites des parois rocheuses d’une carrière à ciel ouvert par abattage à l’explosif ou à la pelle mécanique ou encore par ripage au bulldozer. La roche est reprise par des dumpers vers un atelier de concassage.
Pour produire des ciments de qualités constantes, les matières premières doivent être très soigneusement échantillonnées, dosées et mélangées de façon à obtenir une composition parfaitement régulière dans le temps. Mais si elle peut varier d’une cimenterie à l’autre en fonction de la qualité du gisement exploité, la composition du cru reste dans des proportions bien définies [1]:
Carbonate de calcium (CaCO3) de 77 à 83 %
Silice (SiO2): de 13 à 14%
Alumine (A12O3): de 2 à 4%
Oxyde ferrique(Fe2O3) de 1,5 à 3 %
La roche est échantillonnée en continu pour déterminer la quantité des différents ajouts nécessaires (oxyde de fer, alumine et silice). Le mélange est ensuite réalisé dans un hall de préhomogénéisation où la matière est disposée en couches horizontales superposées puis reprise verticalement.
I.5.2- Le séchage et le broyage :
Pour favoriser les réactions chimiques qui suivent, les matières premières doivent être séchées et broyées très finement (quelques microns) dans des broyeurs à boulets ou dans des broyeurs à meules verticaux (Figure I.4).
Ces derniers, plus récents, sont plus économiques en énergie et permettent un séchage plus efficace, Ensuite 3 voies sont possibles : la voie humide, la voie sèche et semi-sèche.La première est plus ancienne et implique une grande consommation d’énergie pour évaporer l’eau excédentaire.
Dans ces procédés, les matières premières sont parfaitement homogénéisées et séchées lors de l’opération de broyage afin d’obtenir la farine. Celle-ci peut être introduite directement dans le four sous forme pulvérulente (voie sèche), ou préalablement transformée en
“granules” par humidification (voie semi sèche).
Figure I.4 : Le broyeur de la matière première
I.5.3- La cuisson :
La cuisson se fait à une température voisine de 14500C dans un four rotatif, long cylindre tournant de 1,5 à 3 tour/minute et légèrement incliné. La matière chemine lentement et se préchauffe le cru à environ 800°C. A la sortie du four, un refroidisseur à grille permet d’assurer la trempe des nodules incandescents et de les ramener à une température d’environ 100°C. Tout au long de la cuisson, un ensemble de réactions physico-chimiques conduit à l’obtention du clinker. La décarbonatation du carbonate de calcium (calcaire) donne de la chaux vive.
L’argile se scinde en ses constituants silice et alumine qui se combinent à la chaux pour former des silicates et aluminates de chaux. Ce phénomène progressif constitue la clinkérisation.
I.5.4- Le broyage du clinker :
Pour obtenir un ciment aux propriétés hydrauliques actives, le clinker doit être à son tour broyé très finement (Figure I.5).
Ce broyage s’effectue dans des broyeurs à boulets. Les corps broyant sont constitués de boulets d’acier qui, par choc, font éclater les grains de clinker et amènent progressivement le ciment à l’état de fine farine, ne comportant que très peu de grains supérieurs à 80 microns. A la sortie du broyeur, un cyclone sépare les éléments suffisamment fins des autres qui sont renvoyés à l’entrée du broyeur. C’est également lors du broyage que l’on ajoute au clinker le gypse (3 à 5%) indispensable à la régulation de prise du ciment. On obtient alors le ciment
"Portland".
Les ciments avec "ajouts" sont obtenus par l’addition au clinker, lors de son broyage, d’éléments minéraux supplémentaires contenus par exemple dans les laitiers de hauts fourneaux, les cendres de centrales thermiques, les fillers calcaires, les pouzzolanes naturelles.
Ainsi sont obtenues les différentes catégories de ciments qui permettront la réalisation d'ouvrage allant du plus courant au plus exigeant.
Figure I.5 : Concassage et broyage de clinker
I.5.5- Les expéditions :
Après le broyage, le ciment est sous sa forme définitive, tel que nous le connaissons sur les chantiers. Il est alors stocké dans des silos verticaux qu’il faut entretenir régulièrement. En effet au bout d’un certain temps, le ciment sèche dans les silos et s’entasse. Il faut donc qu’il se renouvelle régulièrement dans les silos afin qu’il n’y stagne pas. Pour se faire, on installe, des injections d’air dont la pression est plus forte vers l’extérieur et moins forte vers le centre du silo. En tète du silo un aspirateur d’air est également mis en place pour dégonfler le silo.
Par ce procédé, le ciment acquière les propriétés d’un fluide et ne se bloque plus, économisant des pertes qui peuvent être conséquentes.
Le ciment est ensuite extrait de ces silos par un bec verseur. Ensuite, les ciments quittent l'usine en sacs ou en vrac.
I.6. Les Constituants du ciment : I.6.1- Le Clinker :
Le ciment résulte du broyage d’un certain nombre de constituants. Le plus important étant le clinker formé de silicates et d’aluminates de chaux [1]. Dans la zone de clinkérisation du four, les éléments simples (CaO, Si02, A12O3 et Fe2O3) se combinent pour donner les constituants minéraux suivant : (Figure I.6)
silicate tricalcique (C3S) : 3CaO.SiO2 (Alite) ;
silicate dicalcique (C2S) : 2CaO.SiO2 (Belite) ;
aIuminate tricalcique (C3A) : 3CaO.Al2O3 ;
ferroaluminate calcique (C4AF): 4CaO .Al2O3 .Fe2O3 (Célite).
Figure I.6 : Microphotographie d'un clinker
Noir = porosité, Rouge = C3S, Bleu clair = C2S, Vert = C3A, Vert = sulfates de calcium, Jaune = K2SO4, et Blanc = CaO [2]
I.6.2- Le gypse (CaSO4) :
Le clinker « pur » très fin est caractérisé par de courts délais de prise (3 à 5 min), ce qui le rend pratiquement inutilisable. Ce fait est surtout dû à la célite (C3A) qui s’hydrate rapidement tandis que ses hydrates deviennent rapidement compacts et se cristallisent.
(Figure I.7)
Il s’ensuit que pour ralentir la prise du ciment, il faut lier les hydroaluminates de calcium en d’autres composés. Ce rôle peut bien être joué par le gypse qui réagit énergiquement avec l’hydroaluminate tricalcique et produit un sel insoluble l‘hydrosulfoaluminate de calcium (3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O)
La quantité à introduire doit correspondre à la teneur en C3A dans le liant et lorsque cette teneur en gypse est respectée, l’action des hydroaluminates de calcium se trouve paralysée au moment initial.
Figure I.7 : Le gypse
I.6.3 - Les ajouts minéraux :
Ces ajouts jouent le rôle suivant: d’après leur composition ils se présentent principalement par de la silice amorphe qui réagit activement avec l’hydroxyde de chaux qui se forme lors de l’hydratation des minéraux faisant partie du clinker. Le rapport entre le clinker et l’adjuvant hydraulique (ajout minéral) est établi en fonction de l’activité de l’adjuvant et de la composition minéralogique du clinker.
I.7. Hydratation du ciment : I.7.1- Introduction :
Le ciment est un liant hydraulique: il se combine à l’eau en donnant des hydrates stables qui lui confèrent une résistance mécanique. La réaction chimique d’hydratation du ciment conduit donc à la formation d’une pâte qui, après prise, durcit progressivement à l’air ou dans l’eau. Les mécanismes fondamentaux de l’hydratation du ciment ont été mis en lumière, dés la fin du siècle dernier, par Henri Le Chatelier. Il a notamment décrit les trois phénomènes concomitants qui concourent au phénomène de prise [4] :
la dissolution des constituants du ciment dans l’eau ;
la formation de solutions sursaturées par rapport aux différents hydrates ;
la précipitation et la cristallisation de ces hydrates dans les vides intergranulaires.
I.7.2- Hydratation des composants du ciment Portland :
Lorsque le ciment entre en contact avec l’eau, une réaction exothermique instantanée se produit avec une forte libération de chaleur, cette période dite de pré-induction est de courte durée (10 – 20 minutes). Elle est suivie d’une période relative inactivée appelée période d’induction ou période dormante au cours de laquelle le dégagement de chaleur est faible, mais jamais nul. La durée de cette période peut varier entre 2 et 8 heures.
La période d’induction est très importante quant à l’ouvrabilité des bétons et mortiers, car à sa fin s’amorce la prise du ciment avec un fort dégagement de chaleur qui correspond à la période d’accélération associée au début de prise et de durcissement du ciment.
Pour comprendre les changements chimiques et physiques qui se produisent au cours de l’hydratation du ciment portland, il est essentiel d’étudier séparément les réactions des silicates et des aluminates.
I.7.2.1- Hydratation du silicate tricalcique C3S :
L'hydratation des silicates produit des gels de silicate de calcium hydraté et l'hydroxyde de calcium. La réaction du C3S avec de l’eau est la suivante:
2C3S + 6H → CSH + 3 CH
Où : CSH représente le 3CaO.2SiO2. 3H2O (Silicate de calcium hydraté) et CH représente le Ca(OH)2 (Portlandite).
Les hydrates ainsi obtenus au cours de l’hydratation du C3S (Figure I.8) sont:
les silicates de calcium hydratés (CSH) qui occupent entre 60 et 70% du volume de solide d’une pâte de ciment complètement hydratée. Ils ont une structure en feuillets formées de cristaux très petits et mal cristallisés. La surface spécifique est très élevée (100 - 700 m²/g). La cohésion des feuillets de CSH est due aux forces de Van Der Walls entre leurs parties colloïdales ;
l’autre composant principal dans l’hydratation des silicates tricalciques est l’hydroxyde de calcium CH (ou Portlandite) qui occupe entre 20 à 25% du volume des solides de la pâte de ciment complètement hydratée. La portlandite a une morphologie hexagonale prismatique.
Elle participe peu au développement de la résistance. En fait, la présence de la portlandite peut être un risque, parce qu'elle est fortement soluble et susceptible à l’attaque d’acide et de sulfate [17].
Figure I.8 : CSH fibreux avec Cristal de Portlandite (X) entre des CSH (#), La porosité est repérée par (O) [18]
I.7.2.2- Hydratation du silicate bi calcique C2S :
Une fois hydraté, C2S donne aussi des CSH. La réaction est donnée par:
2C2S + 4H → CSH + CH
Les études calorimétriques ont montré des résultats semblables à ceux de l’hydratation de C3S mais avec moins d’évolution de la chaleur. Selon des calculs de stœchiométrie, l’hydratation de C3S produirait 61% de gel de CSH et 39% de CH alors que l’hydratation de C2S produirait 82% de gel de CSH et seulement 18% de CH, donc une quantité plus élevée de C2S dans le ciment aurait comme conséquence plus de résistance. Pour la résistance au jeune âge, cependant, plus de C3S est nécessaire, parce que sa vitesse de réaction est plus élevée.
I.7.2.3- Hydratation de l'aluminate tricalcique C3A :
L’hydratation des aluminates est considérablement influencée par la présence du gypse (CaSO4 2H2O). En l’absence du gypse, la réaction de C3A avec de l’eau est très violente et mène au raidissement immédiat de la pâte, connu sous le nom de prise rapide. En présence du gypse, les C3A réagissent d’abord pour former le trisulfoaluminate hydraté (Ettringite) qui se cristallise en aiguilles à base Hexagonale (Figure I.9). La réaction est donnée par:
C3A + 3(CaSO4 2H2O) + 32H → C3A 3(CaSO4. 2H2O) H32
Figure I.9 : Microscopie Electronique à Balayage, ettringite aciculaire (aiguille) dans un béton [2].
Le gypse ajouté au clinker (3 à 5% en poids) n’est pas en teneur suffisante pour transformer tous les aluminates en éttringite. Il apparaît donc secondairement un monosulfoaluminate qui se cristallise en plaquettes hexagonales [9]. La réaction est donnée par:
C3A 3(CaSO4 2H2O) H32 + 2C3A + 4H → C3A (CaSO4 2H2O) H12
Les aluminates hydratés ainsi obtenus occupent 15 à 20% du volume de la pâte de ciment complètement hydratée [19]
I.7.2.4- Hydratation de I’aluminoferrite tétracalcique C4AF :
Le C4AF réagit avec le gypse avec un mode semblable que celui de C3A, mais dans ce cas, la réaction est beaucoup plus lente. Dans la première étape de la réaction, le C4AF produit une forme élevée de sulfoaluminate de calcium qui réagit avec l’excès de C4AF pour donner une basse forme de sulfoaluminate. Ces sulfoaluminates occupent environ 15-20% du volume de solides dans la pâte.
La réaction du C4AF dégage peu de chaleur et participe peu au développement de la résistance [17].
L’hydratation des aluminates est de grande importance pratique parce qu’ils affectent les propriétés de prise du ciment.
I.7.3- Conclusion :
La réaction d’hydratation du ciment combine les réactions d’hydratation des principaux composants du clinker et, éventuellement, celles de ses composants secondaires. Cependant, les réactions sont plus complexes du fait des interactions chimiques et thermiques qui se produisent au cours du processus d'hydratation et du fait des impuretés présentes dans la solution solide qui influencent beaucoup l'hydratation de chaque phase.
I.8. Prise et durcissement du ciment :
Le mécanisme de durcissement du ciment est très différent de celui de la chaux. Le ciment durcit par hydratation des silicates et des aluminates de chaux, alors que la chaux durcit lentement à l’air en se carbonatant.
La chaux est obtenue par cuisson du calcaire, CO3Ca, qui, vers 400 C0, perd son gaz carbonique et se transforme en chaux vive, CaO. Celle-ci doit d’abord être éteinte avec de l’eau, ce qui la transforme en chaux hydratée, Ca(OH)2. Cette dernière réabsorbe alors lentement le gaz carbonique de l’air et reconstitue progressivement un calcaire tendre.
Le ciment Portland contient quatre constituants principaux : le silicate tricalcique 3 CaO. SiO2 ou, par abréviation, C3S ; le silicate bicalcique 2 CaO. SiO2 ou C2S ; l’aluminate tricalcique 3 CaO. Al2O3 ou C3A ; le ferro-aluminate tétracalcique 4 CaO. Al2O3. Fe2O3 ou C4AF.
L’élément noble du ciment est le silicate tricalcique, qui lui donne ses fortes résistances.
La proportion de silicate tricalcique dans le ciment Portland, qui était de 50 % avant guerre, s’est progressivement accrue jusqu’à 60 %, et atteint même actuellement 70 % dans certains ciments très résistants.
Par hydratation, les silicates tri- et bicalciques donnent du silicate monocalcique hydraté et dégagent de la chaux libre hydratée. Ce sont les cristaux de silicate monocalcique hydraté qui, en se fixant entre eux et aux granulats, confèrent au ciment sa résistance.
L’aluminate tricalcique donne, par hydratation, de l’aluminate monocalcique hydraté et dégage de la chaux libre hydratée. C’est aussi un élément actif de la résistance des ciments ; il contribue notamment beaucoup, par la rapidité relative de sa réaction, aux résistances dans les premiers temps.
C’est également la première cristallisation du trisulfo-aluminate (ou ettringite) produite par l’hydratation de C3A en présence de gypse, ainsi que des réactions physico-chimiques complexes qui sont à l’origine du raidissement de la pâte de ciment : ce qu’on appelle la prise du ciment (entre 1 h 30 et 6 h après le malaxage). L’hydratation de C3A a, en revanche, l’inconvénient de dégager beaucoup de chaleur, et celui de favoriser sa combinaison avec les sulfates pour donner du sulfo-aluminate tricalcique ou sel de Candlot, dont la formation très expansive provoque la dégradation des bétons durcis. C’est là l’explication de l’attaque des bétons par l’eau de mer ou par les eaux séléniteuses, c’est-à-dire contenant du sulfate de calcium. Aussi, les ciments résistant à l’eau de mer sont-ils des ciments à faible teneur en aluminate de chaux.
Quant au ferro-aluminate tétracalcique, il s’hydrate, mais ne joue aucun rôle dans le durcissement du ciment. Le développement de ces réactions chimiques, qui vont se poursuivre durant plusieurs mois, assure le durcissement de la pâte de ciment et lui confère sa résistance mécanique [15].
I.9. Classification et domaine d’application des ciments :
(Tableau I.1)I.9.1- Types du ciment :
L’industrie cimentière commercialise de nombreux types de ciments afin de répondre aux différents problèmes rencontrés lors de la construction des ouvrages :
Résistances mécaniques ;
Résistance à une attaque physique ou chimique ;
Mise en œuvre particulière.
Tableau I.1 : Liste des différents types des ciments
Désignation Types de ciment Clinker % Ajouts et Teneurs en % Matière secondaire CEM I Ciment Portland 95 à 100 %
⁄
0 à 5%
CEM II /A CEM II /B
Ciment Portland compose
80 à 94 % 65 à 79 %
L’un des Ajouts 06 à 20 % 21 à 35 % CEM III/A
CEM III/B CEM III/C
Ciment de haut fourneau
35 à 64 % 20 à 34 % 05 à 19 %
Laitier 35 à 65 % 66 à 80 % 81 à 95 % CEM IV/A
CEM IV/B Ciment
pouzzolanique 65 à 90 %
45 à 64 % Pouzzolane 10 à 35 % cendre ou fumée silice 36 à 55 % CEM V/ A
CEM V/ B
Ciment au laitier et aux cendres
40 à 64 % 20 à 39 %
Laitier 18 à 30 % et cendre 31 à 50 %
I.9.2- Classe de résistance du ciment : (
Tableau I.2)Les ciments sont répartis en trois classes de résistances 32.5, 42.5, 52.5 définis par la valeur minimale de la résistance caractéristique du ciment à 7 et à 28 jours. La résistance du ciment est déterminé sur des éprouvette de mortier de ciment (Mortier normalisé ; 3 sable/1 ciment/0,5 Eau)
Tableau I.2 : Classes de résistance du ciment
Résistance à la compression (MPa) Classe de résistance 2 jours Limite inf 28 jours Limite inf 32.5N (Normale)
32.5R (Rapide) -
≥ 13.5 ≥ 32.5 ≥ 32.5
42.5 42.5R ≥ 12.5 ≥ 20 ≥ 42.5 ≥ 42.5
52.5 52.5R ≥ 20 ≥ 30 ≥ 52.5 ≥ 52.5
I.9.3- Domaine d’utilisation des différents ciments :
(Tableau I.3)Ciment Désignatio
n Utilisation Contre indication
Ciment Portland
Ciment composé
CEM I
CEM II
Tous travaux de béton armé
Bonne résistance
Décoffrage Rapide (préfabrication)
Bétonnage par temps froid
Présence d’eaux agressives
Travaux souterrains
Bétonnage en grande masse
Ciment au laitier Et
pouzzolanique Ou au laitier et cendre
CEM III
CEM IV CEM V
Béton de masse (barrage)
Béton de fondation (sol agressif)
Bétonnage en temps chaud
Eau usée
Travaux souterrains
Réservoir d’eau
Bétonnage par temps froid
Béton préfabriqué
Résistance à jeune âge élevée
I.10. Conservation et stockage du ciment :
Le ciment, liant hydraulique, réagi avec l’eau, doit être protégés contre l’humidité et les intempéries. (Tableau I.4)
*Recommandations :
Stockage du ciment dans des silos (Grand chantier) ;
Les sacs de ciment doivent être protégés contre l’humidité ;
Utiliser des palettes pour isoler du sol ;
Stocker le ciment de préférence à l’intérieur de locaux secs ;
Couvrir de polyane.
Tableau I.4 : Durée de stockage en fonction des conditions de stockage
conditions de stockage Durée de stockage
Silo hermétiquement fermé Durée illimitée
Local sec + protection en polyane 10-12 mois
À ciel ouvert 2 – 4 mois en hiver
1 – 2 mois en été
I.11. Conclusion :
Le souci du respect de notre environnement et de la gestion responsable et optimale des ressources, la volonté de préserver la santé et d'améliorer le confort, le cadre de vie et la sécurité des hommes sont pour l'industrie du ciment une source d'inspiration constante pour l'innovation et la recherche de nouveaux produits et de nouvelles solutions constructives.
L'industrie du ciment et ses partenaires accompagnent cette nécessaire logique de progrès par une démarche volontaire et proactive, depuis plusieurs années, en développant de nombreuses innovations, tant sur leurs sites de production, que pour la conception, la mise en œuvre ou l'utilisation de leurs matériaux.
2
éme
partie : les ajouts minéraux
I.1. Généralités :
On peut fabriquer des bétons en utilisant seulement du ciment Portland. Cependant la substitution partielle d’une certaine quantité de ciment par un ou plusieurs ajouts minéraux lorsqu’ils sont disponibles à des prix compétitifs peut être avantageuse, non seulement du point de vue économique, mais aussi du point de vue rhéologique et parfois du point de vue résistance et durabilité.
La plupart des ajouts minéraux ont en commun de contenir une forme de silice vitreuse réactive qui, en présence d’eau, peut se combiner à la température libérée par l’hydratation du C2S et du C3S avec la chaux pour former un silicate de calcium hydraté du même type que celui qui est formé durant l’hydratation du ciment Portland (N F P 18-508). On peut écrire donc une réaction pouzzolanique de la façon simple suivante :
Ajout + chaux + eau → Silicate de calcium hydraté
Il faut noter qu’à la température de la pièce, cette réaction est généralement lente et peut se développer sur plusieurs semaines.
L’hydratation du ciment Portland libère une grande quantité de chaux par suite de la réaction d’hydratation du C2S et du C3S (30 % de la masse anhydre du ciment). Cette chaux contribue à la chute de résistance de la pâte de ciment hydratée. Elle peut même être responsable des problèmes de durabilité puisqu’elle peut être assez facilement lessivée par de l’eau, ce lessivage augmente alors la porosité de la pâte de ciment. Le seul aspect positif de la présence de chaux dans un béton est qu’elle maintient un PH élevé qui favorise la stabilité de la couche de l’oxyde de fer que l’on retrouve sur les armatures d'acier.
Ces matériaux étant des sous produits industriels, leurs compositions chimiques sont en général moins bien définies que celle du ciment Portland.
I.2. Définition :
Les ajouts minéraux pour béton sont des matériaux présentant une granulométrie très fine que l'on incorpore le plus souvent au ciment, quelque fois également au béton. Les additions permettent soit d'améliorer les caractéristiques du béton ou de lui conférer des propriétés spécifiques.
Contrairement aux adjuvants, les ajouts minéraux doivent être prises en compte dans le calcul de la composition du béton.
Les ajouts minéraux, tels que les cendres volantes, les fillers, les laitiers entrent dans la majorité des compositions du ciment dans le but d’améliorer ses caractéristiques rhéologiques et/ou mécaniques. On obtient ainsi un liant de composition binaire voire tertiaire.
Les pays industrialisés tels que les États-Unis, Russie, France, Allemagne, Japon et l'Angleterre, sont les plus grands producteurs de cendres volantes, de fumée de silice et de laitier de haut fourneau. [7] [9]
I.3. Classification des ajouts minéraux :
Selon la norme [ENV 2006] les ajouts minéraux dans le ciment sont classés en actifs et inertes.
I.3.1- Principaux ajouts minéraux inertes :
Selon certains chercheurs, les particules de clinker de dimension supérieure à 60 μm ne subissent pas une hydratation complète même au cours du durcissement à long terme, pour cette même raison les particules de clinker de telle dimension pourraient être remplacées par celles de matériaux inertes (N F P 18- 305).
En outre, les particules les plus fines d’un ajout inerte servent à remplir les pores de la pâte de ciment, ils jouent le rôle de micro agrégats.
Ce sont des matériaux quasiment inertes, organiques naturels ou synthétiques spécialement sélectionnés qui, par leur composition granulométrique améliorent les propriétés physiques du ciment portland (ouvrabilité, pouvoir de rétention d’eau, …). Parmi ces additifs on distingue les fillers calcaires et la poussière.
I.3.1.1- Fillers calcaires :
Les produits désignés dans le commerce comme fillers sont des poudres fines à granulométrie contrôlée, dont les plus gros grains ne dépassent pas 80 microns obtenus par broyage ou par pulvérisation de certaines roches (calcaires, basalte, bentonite, cendres volantes.…).
Les fillers se différencient les uns des autres par : [31]
leur origine, leurs compositions chimiques et minéralogiques, leurs défauts de structure, les impuretés qui’ ils contiennent;
leur finesse, la forme des grains, leur état de surface;
leur dureté, leur porosité.
Un filler est dit calcaire s’il contient au moins 90% de carbonate de calcium. Dans les autres cas, le filler est désigné par le nom de sa roche d’origine.
Les différents résultats montrent que les fillers calcaires ajoutés à un CPA peuvent jouer plusieurs rôles:
Un rôle de remplissage en substitution du ciment dans les éléments fins de la courbe granulométrique (bétons ouvrables retenant mieux l’eau). 206-1 et sont substituable au ciment au sens et sous les conditions de cette norme ;
Un rôle rhéologique par leur pouvoir fluidifiant sur la pâte interstitielle ;
Un rôle chimique et physique conduisant à l’accélération de l’hydratation du C3S et du C3A et à la formation de carboaluminates : germes de cristallisation et points d’ancrage des hydrates ;
Un rôle physique en permettant un arrangement initial différent ce qui réduit l’épaisseur entre la pâte et le granulat.
I.3.1.2- La poussière :
La poussière est une matière à particules fines, récupérée à la sortie du four, lors de son passage avec la fumée, sa finesse est comprise entre 7000 et 9000 cm2/ g. le ciment composé avec la poussière a des caractéristiques mécaniques et une résistance au gel-dégel comparable à celle du ciment sans ajouts. Le temps de prise, le fluage et le retrait augmente avec l’augmentation du pourcentage d’ajout.
I.3.2- Les ajouts minéraux actifs : I.3.2.1- La pouzzolane :
Les pouzzolanes sont des matériaux, naturels ou artificiels, capables de réagir en présence d’eau avec l’hydroxyde de chaux pour donner naissance à des composés nouveaux, stables, peu solubles dans l’eau et possédant des propriétés liantes [1].
Les normes françaises donnent les définitions suivantes des pouzzolanes entrant dans la fabrication des ciments :
A) pouzzolane naturelle :
Est un produit d’origine volcanique essentiellement composé de silice, d’alumine et d’oxyde de fer ayant naturellement des propriétés pouzzolaniques. Elle peut être d’origine volcanique: verre volcanique, ponce, rhyolite, tufs, zéolite ou d’origine sédimentaire: terre à diatomées, diatomites
B) Pouzzolane artificielle :
C’est une matière essentiellement composée de silice, d’alumine et d’oxyde de fer ayant subi un traitement thermique pour lui assurer des propriétés pouzzolaniques. Les roches traitées thermiquement: argiles, schistes, latérite, bauxite et moler.
Le professeur Massaza classe les pouzzolanes en trois catégories [1] :
Les constituants actifs: phase vitreuse plus au moins altérée, opale, terre de diatomées, zéolites cristallisées ;
Les constituants inertes: phase cristallisée autre que les zéolites ;
Les constituants nocifs: substances organiques et argiles gonflantes.
I.3.2.2- la fumée de silice :
La fumée de silice est un sous produit de la fabrication du silicium, de différents alliages de ferrosilicium ou de zircone Le silicium et les alliages de silicium sont produits dans des fours à arc électrique où le quartz est réduit en présence de charbon (et de fer pour la production de ferrossilicium).
Durant la réduction de la silice dans l’arc électrique, un composé gazeux, SiO se forme [29] et s’échappe vers la partie supérieure du four, il se refroidit, se condense et s’oxyde sous forme de particules ultrafines de silice SiO2. Ces particules sont récupérées dans un système de dépoussiérage .D’un point de vue chimique, la fumée de silice est essentiellement composée de silice.
La teneur en SiO2 de la fumée de silice varie selon le type d’alliage produit. Plus la teneur en silicium de l’alliage est élevée plus la teneur en SiO2 de la fumée de silice est élevée. Les fumées de silice produites durant la fabrication de silicium métal contiennent en général plus de 90% de SiO2.
La fumée de silice produite lors de la fabrication d’un alliage Fe –Si à 75% a une teneur en silice généralement supérieure à 85%.
Du point de vue structural, la fumée de silice est essentiellement composée de silice vitreuse.
Du point de vue morphologique, les particules de fumée de silice se présentent sous forme de sphères ayant des diamètres compris entre 0.03μm et 0.3μm (le diamètre moyen habituel se situant en dessous de 0.1μm), de telle sorte que la dimension moyenne des sphères de fumée de silice est 100 fois plus faible que celle d’une particule de ciment avec un diamètre moyen de l’ordre de 1/ 10 de micron. (Tableau I.5)
Tableau I.5 : Composition chimique type de certaines fumées de silice [29].
Composés Silicium
(grise) Ferro silicium
(grise) Blanche
SiO2 93.7 87.3 90.0
AL2 O3 0.6 1.0 1.0
CaO 0.2 0.4 0.1
Fe2O3 0.3 4.4 2.9
MgO 0.5 0.3 0.2
Na2O 2.9 0.2 0.9
K2O 0.5 0.6 1.3
Perte au feu 2.9 0.6 1.2
Les caractéristiques très particulières de la fumée de silice en font une pouzzolane très réactive à cause de sa très forte teneur en silice, de son état amorphe et de son extrême finesse. Les effets bénéfiques de la fumée de silice sur la microstructure et les propriétés mécaniques du béton sont dus essentiellement à la rapidité à laquelle la réaction pouzzolanique se développe et à l'effet physique particulier aux particules de fumée de silice qui est connu sous le nom d’effet filler. Ces deux effets entraînent à la fois une forte augmentation de la compacité et une amélioration des résistances mécaniques du fait de la réaction pouzzolanique des fumées de silice .Ajoutons cependant que la fumée de silice est un matériau peu économique. La fumée de silice est aussi appelée micro silice ou fumée de silice condensée, mais le terme fumé de silice est le plus généralement utilisé.
La densité de la fumée de silice est généralement de 2.2, mais aussi un peu plus élevée lorsque la teneur en silice est plus faible. Elle est moins dense que le ciment Portland dont la densité est 3.1.
Ce produit se présence sous la forme d’une poudre ultra fine de couleur claire ou grise.
Lorsque l’on considère les propriétés du béton aux fumées de silice, il importe de garder à l’esprit qu’on utilise ces dernières de deux manières différentes :
Comme substitue du ciment, pour réduire les quantités de ciment utilisées, en général pour des raisons d'économie ;
Comme ajout, pour améliorer les propriétés du béton, aussi bien à l’état frais qu’à l’état durci.
I.3.2.3- Le laitier de haut fourneau :
Le laitier de haut fourneau, ou le laitier broyé comme il voudrait peut- être mieux l’appeler est un sous produit de la fabrication de la fonte brusquement refroidi par aspersion d’eau, c’est un matériau hydraulique lorsqu’il est activé. Il se présente sous forme de nodules dont la composition chimique comporte de l’oxyde de calcium dans des proportions de l’ordre de 40 à 50 %, de la silice entre 25 à 35%, de l’alumine entre 12 à 30% ainsi que la magnésie et d’autres oxydes en très faibles quantités, tous ces éléments étant pratiquement les mêmes que ceux du clinker.
D'un point de vue chimique (Tableau I.6), les laitiers ont une composition relativement constante à laquelle le métallurgiste porte une certaine attention puisque tout écart par rapport à cette composition chimique optimale se traduit par une augmentation des coûts énergétiques assez importants et donc à des coûts de production plus élevés pour la fabrication de la fonte.
Le laitier est fondu à une densité beaucoup plus faible (de l’ordre de 2.8) que celle de la fonte (qui est supérieure à 7.0) de telle sorte que le laitier fondu flotte au – dessus de la fonte fondue au bas du haut fourneau si bien que l’on peut soutirer ces deux liquides séparément.
Tableau I.6 : Composition chimique type de laitiers de haut fourneau [30]
OXYDES Laitier français% Laitier nord USA% Laitier algérien%
SiO2 29 à 36 33 à 42 38 à 42
AI2O3 13 à 19 10 à 16 08 à 12
CaO 40 à 43 36 à 45 48 à 52
Fe2O3 4 0.3 à 20 2.0
MgO 6 03 à 12 4.7
S 1.5 / 0.15
Le laitier peut être mélangé avec du ciment après avoir été séparé ou après avoir été cobroyé avec le clinker. Le laitier retient moins bien l’eau de gâchage que le ciment Portland et craint donc d’avantage la dessiccation. Par contre il résiste normalement mieux à l’action destructrice des sulfates, à la dissolution de chaux par les eaux pures ainsi que par celles contenant du gaz carbonique.
La réactivité du laitier peut être augmentée de trois façons :
Broyage poussé ;
Chaleur (étuvage, autoclavage) ;
Produits chimiques (la chaux, la soude (Na OH) ou des sels de soude, le sulfate de calcium (gypse).
I.3.2.4- Les cendres volantes :
Les cendres volantes sont des particules très fines récupérées par les systèmes de poussiérages des gaz des chaudières des centrales thermiques. Les cendres volantes peuvent avoir différentes compositions chimiques et différentes compositions de phase parce que Celles – ci sont reliées exclusivement au type d’impuretés qui sont contenues dans le charbon que l’on brûle dans la centrale thermique. Des charbons provenant de la même source et utilisés dans la même centrale thermique produisent des cendres volantes très semblables.
Cependant, comme on peut le voir dans le (Tableau I.7) la composition chimique des cendres volantes qui proviennent de différentes usines peut varier beaucoup. Les particules de cendres volantes peuvent avoir des formes très différentes les unes des autres. Elles peuvent avoir une forme sphérique, avec une distribution granulométrique semblable à celle du ciment Portland, elles peuvent contenir des sphères creuses et même dans certains cas, elles peuvent contenir seulement des particules angulaires.
Les cendres volantes se divisent en trois catégories :
Les cendres silico- alumineuses (cendre de houille) ;
Les cendres sulfocalciques (cendre de lignite) ;
Des cendres non typifiées de composition irrégulière ou de propriétés assez incertaines.
Tableau I.7 : Composition chimique type de certaines cendres volantes [29]
Composés Classe F Classe F Classe C Sulfo- calcique
Sulfo- calcique
SiO2 59.4 47.4 36.2 24.0 13.5
AI2O3 22.4 21.3 17.4 18.5 5.5
Fe2O3 8.9 6.2 6.4 17.0 3.5
CaO 2.6 16.6 26.5 24.0 56
MgO 1.3 4.7 6.6 1.0 1.8
Na2O 2.2 0.4 2.2 0.8 …..
SO3 2.4 1.1 2.8 8.0 15.1
Perte au feu 2.0 1.5 0.6 ….. …..
SiO2+AL2O3+Fe2O3 90.7 74.9 60 59.5 22.5
Chaux libre ….. ….. ….. ….. 28.0
La plupart des particules ont un diamètre compris entre 1μm et 100μm, leur surface spécifique Blaine se situe généralement entre 250 et 600 m2/kg. La grande surface spécifique des cendres volantes signifie que le matériau réagit facilement avec l’hydroxyde de calcium.
D’une façon générale, l’introduction des cendres volantes dans le béton diminue la porosité et la perméabilité. Elle diminue la sensibilité du béton aux eaux agressives, en fixant progressivement la chaux. La cendre volante permet au béton de conserver sa compacité et de rester imperméable.
Il est reconnu que l’emploi des ciments aux cendres volantes entraîne une diminution du retrait hydraulique et thermique du béton.
En plus des propriétés décrites, lorsqu ‘elles sont utilisées comme une fraction liante, les cendres volantes jouent également d’autres rôles dans le béton tels que l’amélioration de l’ouvrabilité, la diminution de la proportion d’eau pour le béton frais et l’imperméabilité des surfaces.
I.3.2.5- Le verre :
Du fait de sa nature amorphe et qu'il contienne des quantités relativement appréciables de silice, le verre est en général considère comme étant pouzzolanique s’il est broyé finement.
Ainsi il pourrait être utilise en remplacement du ciment Portland dans les bétons.
Plusieurs travaux ont été conduits dans les années soixante sur l’utilisation du verre comme granulats dans les bétons. Cependant ces travaux ont montre que tous les bétons ont gonfle et fissure [20] [21].
Depuis, l’idée a été en partie abandonnée. Ce n’est que depuis une quinzaine d’année que le sujet est redevenu d’actualité. En effet, pour des raisons économiques et environnementales, l’utilisation du verre recycle dans les ciments et bétons a suscite l’intérêt d’innombrables municipalités et celles-ci ont encourage de nouvelles études [22].
II.3.2.5.1- Définition du verre :
Dans un gaz, les atomes sont en agitation permanente et occupent tout le volume disponible : il est impossible de prévoir la position des atomes à un instant donné. En dehors des chocs, ces atomes ne sont pas en contact entre eux. L’état gazeux est un état totalement désordonné.
Un liquide occupe un volume constant, indépendant de la pression ; les atomes sont en contact entre eux. Même si les atomes ou les molécules sont très mobiles on peut définir leur proche environnement : on dit que les liquides possèdent un ordre à courte distance.
L’état solide est plus ordonné que l’état gazeux ou que l’état liquide : les cristaux en sont une bonne illustration. Il existe des solides apparemment moins ordonnés : verre, polymères vitreux et des solides partiellement ordonnés comme les polymères semi- cristallins. Pour tous ces matériaux non-cristallins, il existe fréquemment une certaine forme d’ordre à courte distance, même si ce n’est pas l’ordre cristallin. Si l’on fond des cristaux de quartz naturel, on constate après refroidissement brutal que le matériau manifeste des propriétés différentes de celles du matériau initial.
On obtient un verre : silice vitreuse. L’étude approfondie de la silice vitreuse, en particulier par diffraction des rayons X, montre que les distances interatomiques imposées par les liaisons covalentes sont toujours respectées. Les tétraèdres continuent à exister dans la silice vitreuse, comme dans la cristobalite, mais il n’y a pas de motif qui se répète périodiquement (Figure I.10)
Figure I.10 : a) Structure en anneau de la Cristobalite ; b) Modèle proposé par Zachariasen : les tétraèdres continuent d’exister en formant un réseau continu irrégulier et
sont désorientés dans les trois dimensions [23]
En 1921, LEBEDV avait proposé un modèle pour le verre prévoyant l’existence de très petits domaines ordonnés appelés cristallites et reliés les uns aux autres par des domaines désordonnés.
La théorie de ZACHARASEN [1932] décrit la silice vitreuse comme un réseau désordonné conservant les assemblages SiO4 de la cristobalite. Le passage de la cristobalite à l’état vitreux s’explique par une trop grande viscosité du liquide qui empêche les tétraèdres désordonné de reformer la cristobalite. Le matériau n’est ni totalement désordonné (conservation des tétraèdres), ni dans un état métastable au sens de la thermodynamique mais il évolue simplement vers l’état cristallin avec une cinétique très lente.
ZACHARASEN [1932] a formulé les quatre conditions suivantes pour la formation des verres d’oxydes :
la coordinance du cation doit être petite ;
un ion oxygène ne doit pas être lié à plus de deux cations ;
les polyèdres construits par les oxygènes ne peuvent avoir en commun que leurs sommets et non leurs arêtes ou leurs faces ;
trois sommets au moins de chaque polyèdre doivent appartenir en même temps à d’autres polyèdres.
L’état vitreux est donc caractérisé par un désordre (Figure I.11), proche de celui d’un liquide qui tend à cristalliser. La cinétique de cristallisation est, en général, suffisamment lente pour que le matériau apparaisse comme stable à l’échelle de la vie humaine.
(a) (b) Modifié Figure I.11:
(a) l’empilement des atomes de la silice amorphe. (b) l’adjonction de Na2O et CaO brise des liaisons dans la silice amorphe et donne naissance au verre sodo-calcique [23].
La silice et tous les oxydes qui permettent de telles constructions sont appelés formateurs de réseau. Chaque liaison entre deux polyèdres est effectuée par un atome d’oxygène bivalent : un tel atome est appelé oxygène pontant.
On peut modifier la structure d’un verre en y introduisant des modificateurs de réseau.
Ce sont des oxydes alcalins de formule M2O, comme Na2O et K2O ou des alcalino-terreux de formule MO, comme CaO et BaO. En ajoutant les fondants (oxydes alcalins), la température de fusion passe de 1730°C à 1400°C (économie d’énergie) et les possibilités de travail sont facilitées. Avec Na2O nous avons (Figure I.12):
Na
≡ Si — Si ≡ +Na — O — Na → ≡ Si — O
⁄⁄
O —Si ≡
Na
Figure I.12: Rupture d’un pont Si-O-Si par adjonction d’une molécule de modificateur Na2O [24]
La présence de Na2O provoque l’interruption des liaisons du réseau continu non cristallin, rendant le verre plus fluide à haute température. La formation de ces discontinuités entraine un affaiblissement de la structure vitreuse dont la solidité augmente avec le nombre de ponts Si— O —Si.
≡ Si — O — Si ≡ +Ca — O → ≡ Si — O — Ca — O — Si ≡
L’introduction de CaO entraîne l’existence d’ions O2- liés au silicium d’un seul coté et apporte ainsi une certaine discontinuité au réseau. Mais la liaison Ca – O est considérablement plus forte que la liaison Na – O, à cause de la bivalence de l’ion à travers l’ion Ca2+ de sorte que les deux oxygènes non pontants se trouvent en quelque sorte liés à travers l’ion Ca2+ [25].
I.3.2.5.2- Comportements du verre dans un milieux cimentaire :
Comme nous l’avons précédemment indique, il est maintenant bien établi que le verre incorpore dans les bétons peut manifester plusieurs types de comportement, essentiellement en fonction de sa granularité : une granularité grossière tend a provoquer un phénomène d’alcali-réaction générateur de désordres, alors qu’un verre fin développé une action bénéfique identifiable a une réaction pouzzolanique [26].
I.3.2.5.3- L’utilisation simultanée de verre :
Concernant ce point, plusieurs études en laboratoire ont été conduites. L’utilisation simultanée d’un verre et d’une pouzzolane notamment la fumée de silice, la cendre volante ou même le metakaolin en remplacement d’une fraction du ciment pourrait conduire a des synergies intéressantes. Ainsi l’utilisation du verre serait plus intéressante que son emploi individuel [27] [28].
I.3.2.5.4- Réaction alcali-silice du verre :
Le remplacement partiel du granulat naturel ou du ciment par le verre dans les bétons, améliore ses propriétés mécaniques notamment les résistances en compression. Toutefois, certains travaux conseillent l’utilisation de ce matériau, en prenant certaines précautions.
Effectivement, les bétons a base de verre sont confrontes a un problème lie a leur durabilité. La silice du verre en combinaison avec les alcalins du ciment donne naissance a des produits gonflants qui entrainent l’endommagement des bétons. La réaction alcali-silice du verre dépend de différents paramètres.
La bibliographie a montre que le processus de la réaction alcali-silice en général et des granulats de verre est un phénomène complexe influence par plusieurs facteurs.
I.4- Action des ajouts minéraux sur les matériaux cimentaires :
Par leur finesse et par leur réactivité plus ou moins importante en présence du ciment, les additions minérales engendrent des modifications significatives sur les propriétés des matériaux cimentaires à l’état frais et durci. A l’état frais, la présence des additions minérales modifie la structure du squelette granulaire et les frictions entre les composants solides dans la phase liquide. Au cours de la prise et du durcissement, les particules des additions interagissent dans le processus d’hydratation du ciment en modifiant la structure des produits hydratés et pour certaines peuvent réagir chimiquement en milieu cimentaires pour former de nouveaux produits hydratés qui présentent un caractère liant supplémentaire [10].
Les mécanismes à l’origine de ces modifications paraissent particulièrement complexes, cependant plusieurs études récentes [1] [12], s’accordent pour distinguer trois principaux effets des additions dans un matériau cimentaire :
Un effet granulaire (filler) résultant des modifications apportées par l’addition sur la structure granulaire du matériau en présence d’eau et éventuellement d’adjuvant et qui agit sur les propriétés rhéologiques et la compacité des matériaux cimentaires à l’état frais.
Un effet physico-chimique et microstructural engendré par les multiples interactions entre les particules de l’addition et le processus d’hydratation du ciment et qui agit sur l’évolution de l’hydratation du ciment au cours de la prise et du durcissement.
un effet purement chimique propre à certaines additions en milieu cimentaire qui agit au cours de l’hydratation du ciment et qui interagit fortement avec l’effet physico-chimique.
I.5- L’intérêt de l’utilisation des ajouts minéraux dans le génie civil : I.5.1- Intérêt du point de vue économique :
L’introduction des ajouts dans la confection du ciment présente un facteur bénéfique car la consommation en clinker baisse en fonction des taux d’ajouts. En effet, le clinker étant obtenu par transformation du crue (argile + calcaire) nécessite une dépense d’énergie très importante pouvant être réduite par l’introduction de cet ajout [11].
La réaction pouzzolanique étant à base de produits de faible coût et la durabilité est garantie puisque les romains utilisaient déjà ce mécanisme chimique dans leurs ciments pour la confection d’ouvrages qui ont fait leur preuve depuis de nombreux siècles [12].
Des sous produits industriels tels que les cendres volantes et fumées de silice condensées sont de plus en plus utilisées dans les pays industrialisés parce qu’ils sont des déchets d’usine. Contrairement aux pouzzolanes naturelles, il n’est pas nécessaire de les pulvériser ou de les soumettre à un traitement thermique avant de s’en servir.
Plusieurs pays comme la Chine, la Grèce, l’Italie, l’inde et le Mexique, utilisent encore des millions de tonnes de pouzzolanes naturelles pour fabriquer des ciments portland composés. Pour des raisons d’épargne d’énergie, il y a tout lieu de croire que l’utilisation de ces matériaux se poursuivra et se développera de plus en plus.
I.5.2- Intérêt du point de vue technique :
L’intérêt technique des ajouts réside en premier lieu dans le fait qui’ ils permettent l’obtention d’un ciment dont les performances sont aussi bonnes que celles d’un CPA (ciment Portland) de même classe de résistance. Parfois la chute de résistance à court terme limite leur utilisation en préfabrication. En second lieu, les ciments composés (CPA + ajouts) présentent souvent l’avantage sur le CPA, d’une meilleure résistance aux agressions chimiques.
Le remplissage des vides est lui même aussi responsable de la durabilité du mortier ou béton obtenu. En effet, les actions chimiques sont réduites quand la portlandite est moins abondante, soit qu'elle est diluée (ciment au laitier), soit qu’elle est consommée (ciment au cendre ou à la pouzzolane naturelle).
La réduction de la teneur en clinker s’accompagne par ailleurs d’une réduction proportionnelle du taux de C3A du mélange et par conséquent du risque de dégradation sulfatique.
Les ciments composés seront toujours recommandés chaque fois que les bétons seront exposés aux agents agressifs (ouvrages à la mer ou bien exposés aux produits chimiques).
Certains avantages techniques que présente l’utilisation des pouzzolanes dans le béton ne peuvent pas être atteints lorsqu’un CPA est utilisé seul. Parmi ces avantages, mentionnons une plus grande ouvrabilité, une maniabilité accrue, une meilleure étanchéité à l’eau (l’ajout rend le béton plus compact), une réduction de la chaleur d’hydratation et des risques de fissuration sous l’effet de l’action thermique et une plus grande durabilité au milieu sulfaté ou acide.
I.6- L’utilisation des ajouts en Algérie :
L’industrie cimentaire est d’importance primordiale pour l’Algérie comme tous pays en voie de développement. Cependant, parmi les moyens efficaces qui existent pour augmenter la production du ciment est celui d’utiliser des ajouts qui sont très peu coûteux et disponibles en grandes quantités en Algérie, comme le laitier d’El–Hadjar, le calcaire et la pouzzolane naturelle de Beni–Saf. (Tableau I.8) donne une idée sur les ajouts utilisés dans les cimenteries algériennes.
Tableau I.8 : Utilisation des ajouts dans les cimenteries algériennes [13]
Entreprise Cimenterie Ajouts Utilisés
ERCE
Ain Touta
Pouzzolane Ain El Kebira
Hamma Bouziane
H’djar Essaoud
Laitier Tebessa
ERCC
Meftah Tuf / Calcaire
Raiss Hamidou Poussière
Sour EL Ghozlane Calcaire/Tuf
ECDE Chlef Calcaire
ERCO
Beni Saf
Pouzzolane Zahana
Saida
I.7- Conclusion :
Un des arguments souvent avancé en faveur de l'utilisation des ajouts minéraux est qu'ils permettent d'économiser de l'énergie et de préserver les ressources naturelles comparées au ciment Portland. Cet argument est en partie juste, mais le principal argument en faveur de l'incorporation de ces matériaux dans les bétons est en réalité qu'ils apportent des avantages techniques considérables.
En effet, ils affectent la cinétique de la réaction d'hydratation, améliorent les caractéristiques physiques des ciments et bétons à l'état frais et contribuent positivement aux résistances mécaniques des bétons à l'état durci et ceci en raison de leur composition chimique, de leur réactivité, de leur granulométrie ainsi que de la forme de leurs éléments.
