Ciment

Le ciment (du latin cæmentum, signifiant pierre non taillée) est une matière pulvérulente formant avec l'eau ou avec une solution saline une pâte plastique liante, capable d'agglomérer, en durcissant, des substances variées. Il sert à désigner aussi, dans un sens plus large, tout matériau interposé entre deux corps durs pour les lier.

C'est une gangue hydraulique durcissant rapidement et atteignant en peu de jours son maximum de résistance. Après durcissement, cette pâte conserve sa résistance et sa stabilité, même sous l'eau. Son emploi le plus habituel est sous forme de poudre utilisée avec de l'eau pour agréger du sable fin et des graviers (granulats) pour donner le béton. Le mot «ciment» peut désigner différents matériaux comme par exemple :

• Le plâtre
• La chaux commune,
• La pouzzolane naturelle
• Le ciment prompt,
• Le ciment Portland ou ciment artificiel

Un ciment artificiel est un produit provenant de la cuisson de mélanges artificiels (de la main de l'homme) de silice, d'alumine, de carbonate de chaux, sur lesquels l'eau n'a aucune action (ou qu'une action particulièrement lente avant la trituration) et qui, réduits en poudre mécaniquement, font prise sous l'effet de l'eau en des temps variables suivant leur qualité.

Historique

Les ciments auraient en premier lieu été découverts par les Égyptiens puis perfectionnés par les civilisations suivantes par l'utilisation de chaux. Les Grecs d'Italie le renforcèrent avec des cendres pouzzolaniques (cendres volcaniques de la région de Pouzzoles), usage repris et généralisé par les Romains. Jusqu'à l'Époque moderne, le ciment est un liant, fréquemment une chaux, additionnée d'adjuvant comme les tuiles ou briques concassées dont l'argile a des propriétés hydrauliques. La pouzzolane (terre volcanique de Pouzzoles, région de Naples, Italie) est particulièrement utilisée comme adjuvant. Le ciment ne prend son acception contemporaine qu'au XIX^e siècle, quand Louis Vicat identifie le phénomène d'hydraulicité des chaux en 1817 et celle des ciments (qu'il appelait chaux éminemment hydrauliques ou chaux limites) en 1840.

La recherche sur l'hydraulicité des chaux commence à la fin du XVIII^e siècle 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 particulièrement rapidement et les chaux limites (trop riches en argiles) qui prennent particulièrement rapidement puis se décomposent (si elles ne sont pas cuites au degré de fusion pâteuse).

En 1796, James Parker découvre sur l'Île de Sheppey, Grande Bretagne, le ciment prompt (une chaux éminemment hydraulique ou ciment naturel à prise rapide, cuit à 900 °C comme les chaux naturelles ordinaires) qu'il baptise commercialement ciment romain. Ce ciment obtient ensuite, de 1820 à 1920 à peu près, une grande réputation. Il est fabriqué dans toute l'Europe et permet de faire des moulages au gabarit ou à fabriquer des pierres factices de ciment moulé. Au début du XIX^e siècle siècle, toute l'Europe s'active, la France en particulier, pour ne rien devoir aux Britanniques ni à la pouzzolane italienne. 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, le Britannique Joseph Aspdin dépose un brevet pour la fabrication d'une chaux hydraulique à prise rapide qu'il nomme commercialement le ciment Portland (car la couleur de son produit ressemble aux célèbres pierres des carrières de la péninsule de «Portland» localisées en Manche. C'est un ciment comparable à ceux que décrit Vicat toujours que son brevet soit imprécis. Mais il faut attendre 1840, et la découverte des principes d'hydraulicité des ciments lents (dits actuellement ciments Portland) toujours par Louis Vicat (société Vicat) - une cuisson à la température de fusion pâteuse soit 1 450 °C qui permet d'obtenir le clinker - pour voir une réelle fabrication de ces ciments modernes et apparaître ensuite une architecture de béton coffré puis béton armé.

La première usine de ciment a été créée par Dupont et Demarle en 1846 à Boulogne-sur-Mer. Le développement n'a pu se faire que grâce à la naissance de matériel nouveaux : four rotatif et broyeur à boulets surtout. Les procédés de fabrication se peaufinèrent sans cesse : en 1870, pour produire une tonne de clinker (constituant de base du ciment) il fallait 40 heures, aujourd'hui, il faut à peu près 3 minutes.

Fabrication du ciment courant, ou ciment Portland

La fabrication du ciment se distingue en cinq étapes principales :

l'extraction la préhomogénéisation le séchage et le broyage

la cuisson le refroidissement le broyage

Extraction

L'extraction consiste à extraire les matières premières vierges (comme le calcaire et l'argile) à partir de carrières naturelles à ciel ouvert. Ces matières premières sont extraites des parois rocheuses par abattage à l'explosif ou à la pelle mécanique. La roche est acheminée par des dumpers ou des bandes transporteuses vers un atelier de concassage. Les matières premières doivent être échantillonnées, dosées et mélangées de manière à obtenir une composition régulière dans le temps. La prise d'échantillons en continu sert à déterminer la quantité des différents ajouts nécessaires (oxyde de fer, alumine et silice).

Préhomogénéisation

La phase de préhomogénéisation consiste à créer un mélange homogène. Cette opération peut être réalisée soit dans un hall un mélange préhomogène en disposant la matière en couches horizontales juxtaposées, puis en la reprenant verticalement avec une roue-pelle soit dans un silo vertical par brassage par air comprimé.

Principes et méthodes de fabrication

La fabrication de ciment se réduit schématiquement aux trois opérations suivantes :

• préparation du cru
• cuisson
• broyage et conditionnement

Il existe quatre méthodes de fabrication du ciment qui dépendent principalement du matériau :

• 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).

La composition de base des ciments actuels est un mélange de silicates et d'aluminates de calcium résultant de la combinaison de la chaux (CaO) avec de la silice (SiO₂), de l'alumine (Al₂O₃), et de l'oxyde de fer (Fe₂O₃). La chaux indispensable est apportée par des roches calcaires, l'alumine, la silice et l'oxyde de fer par des argiles. Les matériaux se trouvent dans la nature sous forme de calcaire, argile ou marne et contiennent, en plus des oxydes déjà mentionnés, d'autres oxydes et surtout Fe₂O₂, l'oxyde ferrique.

Le principe de la fabrication du ciment est le suivant : calcaires et argiles sont extraits des carrières, puis concassés, homogénéisés, portés à haute température (1 450 °C) dans un four. Le produit obtenu après refroidissement rapide (la trempe) est le clinker.

Un mélange d'argile et de calcaire est introduit dans un four tubulaire rotatif un peu incliné chauffé par une flamme aux environs de 2 000 °C. Cette flamme est alimentée par différents combustibles solides, liquides ou gazeux. Au contact des gaz chauds la matière s'échauffe progressivement. A l'entrée la température de l'ordre de 800 °C provoque la déshydratation des argiles et la décarbonation du calcaire pour produire la chaux (CaO). Puis la chaux se combine d'une part à l'alumine et l'oxyde de Fer pour former des aluminates et aluminoferrites de calcium, et d'autre part, à la silice pour former du silicate bicalcique (bélite). La température augmentant lorsque la matière progresse vers la flamme les aluminates (1 450 °C) et aluminoferrites (1 380 °C) fondent, la formation de cette phase liquide facilite la formation de silicate tricalcique à partir du silicate bicalcique et de la chaux restante. C'est l'hydratation de cette phase qui donne la majeure partie des résistances dans le béton de ciment Portland.

Fabrication par voie humide

Cette voie est utilisée depuis longtemps. C'est le procédé le plus ancien, le plus simple mais qui demande le plus d'énergie.

Dans ce procédé, le calcaire et l'argile sont mélangés et broyés finement avec l'eau de manière à former une pâte assez liquide (28 à 42% d'eau). On brasse énergiquement cette pâte dans de grands bassins de 8 à 10 m de diamètre, dans lesquels tourne un manège d'herses.

La pâte est ensuite stockée dans de grands bassins de plusieurs milliers de mètres cubes, où elle est continuellement malaxée et par conséquent homogénéisée. Ce mélange est nommé le cru. Des analyses chimiques permettent de contrôler la composition de cette pâte, et d'apporter les corrections nécessaires avant sa cuisson.

La pâte est ensuite envoyée à l'entrée d'un four tournant, chauffé à son extrémité par une flamme intérieure. Un four rotatif un peu incliné est constitué d'un cylindre d'acier dont la longueur peut atteindre 200 mètres. On peut distinguer à l'intérieur du four plusieurs zones, dont les trois zones principales sont :

• Zone de séchage.
• Zone de décarbonatation.
• Zone de clinkerisation.

Les parois de la partie supérieure du four (zone de séchage - à peu près 20% de la longueur du four) sont garnies de chaînes marines afin d'augmenter les échanges caloriques entre la pâte et les parties chaudes du four.

Le clinker à la sortie du four, passe dans des refroidisseurs (trempe du clinker) dont il existe plusieurs types (refroidisseur à grille, à ballonnets). La vitesse de trempe a une influence sur les propriétés du clinker (phase vitreuse).

De toutes façons, quelle que soit la méthode de fabrication, à la sortie du four, on a un même clinker qui est toujours chaud d'à peu près 600 à 1 200 °C. Il faut broyer ce dernier particulièrement finement et particulièrement régulièrement avec à peu près 5% de gypse CaSO₄ pour «régulariser» la prise.

Le broyage est une opération délicate et coûteuse, non seulement parce que le clinker est un matériau dur, mais également parce que même les meilleurs broyeurs ont des rendements énergétiques déplorables.

Les broyeurs à boulets sont de grands cylindres disposés presque horizontalement, remplis à moitié de boulets d'acier et qu'on fait tourner rapidement autour de leur axe (20t/mn) et le ciment atteint une température élevée (160 °C), ce qui nécessite l'arrosage extérieur des broyeurs. On introduit le clinker avec un certain pourcentage de gypse en partie haute et on récupère la poudre en partie basse.

Dans le broyage à circuit ouvert, le clinker ne passe qu'une fois dans le broyage. Dans le broyage en circuit fermé, le clinker passe rapidement dans le broyeur puis à la sortie, est trié dans un cyclone. Le broyage a pour but, d'une part de diminuer les grains du clinker en poudre, d'autre part de procéder à l'ajout du gypse (environ 4%) pour réguler quelques propriétés du ciment Portland (le temps de prise et de durcissement).

A la sortie du broyeur, le ciment a une température à peu près de 160 °C et avant d'être transporté vers des silos de stockage, il doit passer au refroidisseur à force centrifuge pour que la température du ciment reste à à peu près 65 °C.

Fabrication par voie sèche

Les ciments usuels sont fabriqués à partir d'un mélange de calcaire (CaCO₃) à peu près de 80% et d'argile (SiO₂–Al₂O₃) à peu près de 20%. Selon l'origine des matières premières, ce mélange peut être corrigé par apport de bauxite, oxyde de fer ou autres matériaux fournissant le complément d'alumine et de silice requis.

Après avoir été finement broyée, la poudre (farine) est transportée depuis le silo d'homogénéisation jusqu'au four, soit par pompe, aéroglisseur puis par aérolift ou élévateur.

Les fours sont constitués de deux parties :

• la structure verticale fixe : la tour de préchauffage constituée de cyclones et d'échangeurs de chaleur.
• le four ou tronçon rotatif.

Les gaz réchauffent la farine crue qui circule dans les cyclones en sens inverse, par gravité. La farine en s'échauffant au-delà des 800 °C à peu près va se décarbonater (partiellement) en libérant du dioyde de carbone (CO₂) et son eau. La farine chaude pénètre ensuite dans le tronçon rotatif analogue à celui utilisé dans la voie humide, mais bien plus court.

La méthode de fabrication par voie sèche pose aux fabricants d'importants problèmes techniques :

La ségrégation envisageable entre argile et calcaire dans les préchauffeurs. En effet, le dispositif utilisé semble être néfaste et , en fait, est utilisé ailleurs pour trier des particules. Dans le cas de la fabrication des ciments, il n'en est rien. La poudre reste homogène et ceci peut s'expliquer par le fait que l'argile et le calcaire ont la même densité (2, 70 g/cm³). Qui plus est , le matériel a été conçu dans cet esprit et l'ensemble des précautions ont été prises.

Le problème des poussières. Ce problème est rendu d'autant plus aigu, que les pouvoirs publics, particulièrement sensibilisés par les problèmes de nuisance, imposent des conditions draconiennes. Ceci oblige les fabricants à installer des dépoussiéreurs, ce qui augmente énormément les investissements de la cimenterie.

Les dépoussiéreurs utilisés pour traiter les gaz du four sont :

• les électrofiltre constitués de grilles de fils métalliques mis sous haute tension électrique et sur lesquels viennent se fixer des grains de poussière ionisée. Ces grains de poussière s'agglomèrent et , sous l'effet de vibreurs ou de marteaux qui agitent les fils, retombent au fond du dépoussiéreur où ils sont récupérés et renvoyés dans le four. En dehors des pannes, ces appareils ont des rendements de l'ordre de 99%, mais absorbent une part importante du capital d'équipement de la cimenterie.

• les filtres à manche

Le problème de l'homogénéité du cru est délicat. Nous avons vu comment il pouvait être résolu au moyen d'une préhomogénéisation puis d'une homogénéisation.

Séchage et le broyage

Le séchage et le broyage est l'étape visant à faciliter les réactions chimiques ultérieures. Les matières premières sont séchées et broyées particulièrement finement (de l'ordre du micron) dans des broyeurs à boulets (ou plus il y a peu de temps, dans des broyeurs verticaux à meules, plus économes en énergie).

On peut distinguer trois types principaux de "voies" selon le type de préparation :

• la voie humide : c'est la technique la plus ancienne. Elle est aussi la plus gourmande en énergie, indispensable à l'évaporation de l'excédent d'eau.

Dans les deux techniques suivantes, les matières premières sont idéalement homogénéisées et séchées sous forme de «cru» ou «farine».

• la voie sèche : la farine est introduite directement dans le four sous forme pulvérulente, après un préchauffage dans une tour à échangeurs thermiques.

• la voie semi-sèche : avant introduction dans le four, la farine est transformée en “granules” par humidification dans de grandes «assiettes» rotatives inclinées.

Le cru est ensuite introduit dans un long four (60m à 200m) rotatif (1.5 à 3 tours par minute) tubulaire (jusqu'à 6m de diamètre), un peu incliné (2 à 3 % d'inclinaison)

Cuisson

Le cru va suivre différentes étapes de transformation lors de sa lente progression dans le four vers la partie basse à la rencontre de la flamme. Cette source de chaleur est alimentée au charbon broyé, fuel lourd, gaz, ou encore en partie avec des combustibles de substitution provenant d'autres industries, tels que le coke de pétrole, les pneus usagés, les farines animales, les huiles usagées.

La température indispensable à la clinkerisation est de l'ordre de 1 450 °C. L'énergie consommée se situe entre 3 200 et 4 200 kJ par tonne de clinker, qui est le produit semi fini obtenu à la fin du cycle de cuisson. Il se présente sous forme de granules grises.

À la sortie du four, le clinker doit être refroidi et broyé avant d'être stocké dans des silos de clinker.

Le clinker est le résultat d'un ensemble de réactions physico-chimiques progressives (clinkerisation) donnant la possibilité :

• La décarbonatation du carbonate de calcium (donnant la chaux vive)
• La scission de l'argile en silice et alumine
• La combinaison de la silice et de l'alumine avec la chaux pour former des silicates et des aluminates de chaux.

Refroidissement

Dans le cas des ciments gris, le clinker est refroidi dans la majorité des cimenteries actuelles par un refroidisseur à grilles :

• le clinker va avancer a l'intérieur du refroidisseur grâce aux a-coups répétés des grilles sur lesquelles ce dernier repose,
• au travers des grilles, de puissants ventilateurs vont souffler sous le clinker pour le refroidir,
• au début ou a la fin du refroidisseur (cela dépend du modèle utilisé), un concasseur à un ou plusieurs rouleaux va broyer de manière grossière le clinker.

Dans le cas du ciment blanc, plus fragile que le gris car il doit rester immaculé, un refroidisseur rotatif est inséré entre le four rotatif et le refroidisseur a grilles. C'est un cylindre un peu incliné qui tourne sur lui-même à l'intérieur duquel de l'eau est pulvérisée avec multiples buses. Quoique sa composition chimique soit un peu différente, c'est grâce aux refroidisseur rotatif que le ciment peut rester blanc : en effet, son but est de refroidir particulièrement rapidement le clinker en sortie du four avant que ce dernier ne se soit oxydé au contact de l'air. Qui plus est , la taille des refroidisseurs à grilles utilisés sur les lignes de ciment blanc est énormément réduite, le refroidisseur rotatif leur enlevant une partie de leur travail.

Broyage

Le clinker est ensuite finement broyé pour donner un ciment aux propriétés hydrauliques actives. Ce broyage s'effectue dans des broyeurs à boulets, systèmes cylindriques chargés de boulets d'acier et mis en rotation.

Lors de cette étape, le gypse (3 à 5 %), indispensable à la régulation de prise du ciment, est ajouté au clinker. On obtient alors le ciment Portland.

Les ciments à ajouts sont obtenus par l'addition lors de la phase de broyage d'éléments minéraux supplémentaires contenus dans des matériaux tels que :

• le laitier de hauts fourneaux (résidus de la sidérurgie)
• les cendres volantes de centrales électriques
• les fillers calcaires (granulats)
• les pouzzolanes naturelles ou artificielles

Phases cimentières

Pour désigner les phases cimentières, on utilise généralement une notation abrégée dite «notation shorthand» : C pour CaO (Chaux), S pour SiO₂ (silice), A pour Al₂O₃ (alumine) et F pour Fe₂O₃ (hématite). Les phases fréquemment 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. L'appellation Célite a disparu;
• Chaux libre (free lime)  : CaO, la teneur doit être généralement inférieure à 2 % en masse dans le clinker (la quantité de chaux libre augmente quand la température du four baisse)  ;
• Ferrite ou aluminoferrite ou brownmillerite C4AF : (CaO) ₄ (Al₂O₃) (Fe₂O₃), on voit quelquefois la demi-formule (CaO) ₂FeAlO₃ ;
• Gypse : CaSO₄. 2 (H₂O)  ; 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 à terme, c'est-à-dire non seulement au cours de la fabrication, mais également des mois, ou alors des années après la commercialisation. Des analyses sont par conséquent effectuées sur des échantillons prélevés régulièrement tout au long du procédé de la fabrication. On analyse aussi les matières premières et les combustibles pour connaître leur teneur en différents composés et de pouvoir ainsi les doser. Ces analyses sont devenues d'autant plus importantes 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 ne dégageant pas de fumées toxiques, farines animales…). D'autre part, cette analyse permet aussi un pilotage rétroactif du four : quand le taux de chaux libre (CaO) est trop important, cela veut dire que le four n'est pas suffisament 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 :

• Module de saturation de Kühl :
• Module silicique (MS ou SR)  :
• Module alumino-ferreux (AF ou AR)  :

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. En effet les chlorures et les sulfates formes un cycle des chlorures et des sulfates (cycle interne ou externe) et s'il n'ya pas des alcalins telque le potassium et le sodium (K2O & NA2O) avec qui reagissent les chlorures et les sulfates ils forment des concretions au niveau de Tour de prechauffage et même des anneaux en particulier les sulfates.

Mesures physiques

Surface spécifique : La finesse de broyage d'un ciment est exprimée en termes de surface spécifique (cm²/g) c'est la surface developpee par unite de masse et mesurée par le test de Blaine, dit de perméabilité à l'air, utilisant la relation d'Arcy-Kozeny qui établit que la traversée d'un lit de granules par un fluide est affectée par la surface spécifique des granules. Ainsi, en calculant la durée que met un gaz sous pression à traverser un volume donné de granules, on en déduit la surface des granules. Plus le broyage est fin, et plus la surface calculée est importante. Cette expérience ayant lieu dans un volume déterminé, on peut imaginer obtenir une surface développée illimitée en broyant encore plus finement le ciment. Il s'agit là d'une utilisation industrielle d'un modèle expliqué par les mathématiques fractales (une dimension d'ordre n finie, englobant une dimension d'ordre n-1 tendant vers l'infini).

Les différents ciments

Les ciments peuvent être classés en cinq grandes familles et 27 variantes principales (voir la norme (en) EN-197-1-2000) pour plus de détails :

• Ciment Portland (noté CEM I)
• Ciment Portland composé (noté CEM II)
• Ciments de hauts fourneaux (noté CEM III)
• Ciments pouzzolaniques (noté CEM IV)
• Ciments au laitier ainsi qu'aux cendres ou ciment composé (noté CEM V)
• Ciment blanc (différent des précédents par sa composition chimique et la méthode de fabrication)

La désignation des ciments est normalisée

L'économie du ciment

• Une industrie lourde…

L'installation indispensable à la production d'un million de tonnes de ciment est de l'ordre de 150 millions d'euros et le coût d'une usine est équivalent à 3 ans de chiffre d'affaire.

• …fortement consommatrice d'énergie…

Chaque tonne de ciment produite requiert l'équivalent de 60 à 130 kg de fuel (ou son équivalent) et une moyenne de 110 kWh.

• …à faible besoin en main d'œuvre…

Une usine moderne d'un million de tonnes de ciment emploie moins de 150 personnes.

• …fabriquant un produit pondéreux…

Le coût du transport par route devient équivalent au coût du produit au-delà de 300 km (25 t de charge utile par camion) et limite par conséquent le rayon d'action de l'acheminement terrestre. Cette contrainte fait du marché du ciment un marché régional. Néanmoins, le moindre coût du fret maritime au regard des volumes transportés (bateaux de 35 000 tonnes) permet les échanges intercontinentaux (ramené à la tonne transportée, il est moins cher de faire traverser l'Atlantique à une cargaison de ciment que de le déplacer de 300 km par voie routière).

• …aux caractéristiques homogènes…

Bien que le ciment soit produit à partir de matériaux naturels locaux, différents d'une usine à l'autre, le produit fini répond aux mêmes standards. Par conséquent, plus que la qualité d'un ciment, c'est sa disponibilité et le service au client qui sont déterminants dans l'acte de vente, après évidemment le prix de vente.

• …à la consommation fortement liée au niveau de développement local.

En Europe et en Amérique du Nord, la demande du marché pour le ciment a fortement augmentée au cours du XX^e siècle, suivant le développement de l'industrie et les besoins de l'urbanisation croissante. Après la seconde guerre mondiale, et malgré une évolution cyclique, la consommation des pays industrialisés a été multipliée par un facteur 6 à 8, jusqu'au choc pétrolier de 1975. Depuis lors les marchés occidentaux dits matures ont décru de l'ordre de 20 à 40 %, les besoins en infrastructures lourdes ayant été satisfaits et remplacés par des consommations d'entretien.

Néanmoins, au cours des 25 dernières années, certains pays européens (Grèce, Portugal et Espagne, par exemple) ont doublé, ou alors triplé leur consommation en relation avec leur fort taux de croissance interne (PIB)

D'un pays à l'autre, la consommation de ciment par habitant fluctue fortement suivant les profils géographiques (tunnels et ponts dans les zones montagneuses), des contraintes sismiques (Grèce, Turquie) et atmosphériques (autoroutes en béton dans les pays du nord), des habitudes locales, des densités de population et du cycle de croissance. La moyenne européenne était en 2004 (source Cembureau) de 528 kg par habitant, avec des pics à 1221 kg pour le Luxembourg, 1166 kg pour l'Espagne et 963 kg pour la Grèce et des plus bas pour la Suède (192 kg), la Lettonie (200 kg) et le Royaume Uni (216 kg).

Sociétés de production

La production mondiale de ciment est dominée par quelques groupes internationaux occidentaux (classement à fin 2005)  :

• Lafarge, France, n°1 mondial
• Holcim, Suisse, n°2 mondial
• Cemex, Mexique, n°3 mondial
• HeidelbergCement, Allemagne, n° 4 mondial
• Italcementi, Italie, n°5 mondial
  • en France : Groupe Ciments Français dont : Ciments Calcia : Site officiel :Ciments Calcia

Mais il existe aussi de nombreux producteurs indépendants, par exemple

• France
  • Vicat
• Algérie :
  • ERCE-GIC - Site officiel : [1]

Sociétés d'analyse & réalisation

De nombreuses sociétés grandes ou petites gravitent autour des grandes sociétés de production et sont spécialisées dans le process cimentier (comme la société CATII spécialisée dans l'automatisation des lignes de production de ciment).

Organismes internationaux et normes

Le premier résultat d'harmonisation des ciments est apparu en 2000, développé par CEN («Comité européen de normalisation) (www. cenorm. be). Le ciment est alors le premier produit normalisé (EN-197-1-2000) en accord avec la CPD (Construction Products Directive). La norme définit 27 ciments communs et leurs constituants, incluant des recommandations d'utilisation (proportions des mélanges), mais aussi les spécificités mécaniques, physiques et chimiques des différents ciments et de leurs composants. Les 27 classes sont réparties en 5 groupes, suivant les constituants autres que le clinker. Depuis avril 2003, l'ensemble des ciments ont reçu le label CE, en accord avec la norme EN 197-1.

Les tests à pratiquer sur les ciments tout au long de la chaîne de production, pour mesurer leurs propriétés, ont été décrits dans une pré-norme européenne finalisée en 1989 (EN 196 series).

La CEN se penche aussi sur la normalisation les 6 autres types de ciments suivants :

• Ciments à faible chaleur d'hydratation
• Ciments prompts à faible résistance
• Liants hydrauliques routiers
• Ciments calcio-aluminates
• Ciments sulphato-résistants

Le comité C01 de l'ASTM est consacré aux ciments hydrauliques.

Les normes suivantes s'appliquent au domaine des ciments :

• EN 196.2 : analyse chimique par compléxométrie

Glossaire des ciments

Ciment alumineux

Le ciment alumineux fut découvert 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 quant à 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 artificiel

Le ciment artificiel, ou ciment Portland, est un mélange artificiel (de la main de l'homme) 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 particulièrement dure, le clinker, broyé à nouveau particulièrement finement, donne le ciment artificiel.

C'est un ciment lent, fabriqué en grande quantité à partir de 1850 à peu près, utilisé actuellement pour les bétons et bétons armés courants, mais aussi pour les travaux de haute 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 qu'on peut appeler les «faux artificiels» (voir ce terme).

En 1897, la Commission de méthode d'essais des matériaux classa dans la même catégorie l'ensemble des ciments à prise lente, ainsi qu'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 oxyde métallique (sorte de chaux lourde), conçu pour 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 fut découvert en 1870. Sa prise se fait entre 6 et 15 heures.

Ciment brûlé (ou clinker)

Le clinker, cuit à 1 450 °C et non toujours moulu, est parfois utilisé comme ciment, on parle alors de ciment brûlé. Il est particulièrement dur. Sa prise est bien plus lente que les ciments modérément cuits à 1 000 °C, mais il présente un durcissement et un degré de cohésion particulièrement 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 XIX^e siècle en Dauphiné, les morceaux modérément cuits, fréquemment de couleur jaune, étaient nommés des frittes jaunes ou des grumes. Les morceaux surcuits s'appelaient des frittes noires. Le mot clinker, importé du Royaume-Uni, servait en particulier à désigner les frittes noires du ciment Portland artificiel.

Ciment aux cendres

Les ciments aux cendres furent fabriqués pour la première fois en France en 1951, par P. Fouilloux.

Ciment fondu

Ciment du début du XX^e siècle siècle, particulièrement alumineux, de prise normale, dont le durcissement demande énormément d'eau, dégage énormément de chaleur et est particulièrement rapide. Il est indécomposable dans les eaux magnésiennes et séléniteuses, se mélange mal avec d'autres ciments et est d'un prix élevé.

Ciments de grappiers

La production de ciments de grappiers débute 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 aboutit au Teil (Ardèche) à en tirer partie en créant le ciment de grappiers, dont la qualité pouvait être remarquable. Ce produit légèrement bâtard a disparu définitivement du marché avec la guerre 1914, mais on le retrouve dans les manuels d'architecture des années 1930.

Ciment de laitier

Ciment nommé 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 contient des sulfures de calcium qui s'oxydent à l'air, qui lui donnent une teinte verte, et désagrègent les mortiers, mais il durcit énormément, quoique 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 fabriqués dès 1907 et agréés en 1909. En France, avant 1914, on utilisait en particulier 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, par conséquent 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, ou alors 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 une ou plusieurs heures.

Des variétés intermédiaires étaient obtenues directement ou par mélange et étaient nommés 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 reconnue comme la meilleure est de 23 à 24 % dans le calcaire et de 36 dans le ciment. Ils donnaient suivant leur cuisson des ciments naturels lents ou prompts. Seul le ciment prompt naturel est toujours fabriqué.

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 nommées chaux brûlées, ou de roches calcaires et de roches argileuses soigneusement dosées. C'est l'appellation courante des ciments lents. L'expression de Portland vient des fabriques de Portland au Royaume-Uni, 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.

Ciment prompt (ou ciment romain)

Techniquement, le ciment prompt est une chaux éminemment hydraulique, un ciment obtenu 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 fréquemment, 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 quelque temps à l'air et absorbe de l'humidité, puis elle est blutée, conservée en silos et ensachée. Ce ciment atteint son maximum de dureté après quelques jours.

Le ciment prompt est fabriqué depuis la fin du XVIII^e siècle. Il a longtemps été nommé 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 totalement impropre. Les grands producteurs étaient sur l'île de Sheppey en Grande Bretagne ainsi qu'à Vassy, Pouilly et Grenoble (encore en activité) en France.

Le ciment prompt a longtemps été utilisé pour faire des moulages au gabarit ou fabriquer des pierres factices de ciment moulé (de 1820 à 1920 env). Il est actuellement aussi utilisé comme ciment à sceller, comme adjuvant naturel dans les enduits de chaux, dans les travaux maritimes et pour fabriquer des moulages d'art surtout 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).

Ciment sulfaté

Le ciment sulfaté fut découvert en 1908 par Hans Kühl. Il fut peu fabriqué en Allemagne, mais exploité industriellement en Belgique et en France à Partir de 1922 et jusqu'en 1965.

ciment romain 

voir ciment prompt

Sources

• Cement data book de Walter H. Duda
• Ciment naturel Cédric Avenier ss. dir., Bruno Rosier, Denis Sommain, Grenoble, Glénat, 2007, 176 p.

Voir aussi

Liens externes

• (en) Cembureau (Cembureau), association européenne
• (en) Cenorm, CEN - “Comité européen de normalisation"
• (fr) Fondation école française du béton
• (fr) Industrie cimentière française
• (fr) Gefic Groupement des Entreprises Fournisseurs de l'Industrie de la Cimenterie
• (en) Portland Cement Association (PCA), association nord-américaine
• (fr) Chimie des ciments, Société des ciments de Aïn El Kebira (document PDF, 131p, 573 kibio)
• (fr) Société Française de Chimie, Productions de ciments : compositions, types, localisation des usines (données françaises et mondiales)
• (pt) www. cimento. org-The World of the Cement
• (pt) www. cimentobrasil. com - Brazil Cement

Ce texte est issu de l'encyclopédie Wikipedia. Vous pouvez consulter sa version originale dans cette encyclopédie à l'adresse http://fr.wikipedia.org/wiki/Ciment.
Voir la liste des contributeurs.
La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 24/03/2009.
Ce texte est disponible sous les termes de la licence de documentation libre GNU (GFDL).
La liste des définitions proposées en tête de page est une sélection parmi les résultats obtenus à l'aide de la commande "define:" de Google.
Cette page fait partie du projet Wikibis.