- Ingénieur d'état
Le ciment
fabrication – propriétés
Un peu d’histoire
Les Romains furent sans doute les premiers à fabriquer des liants hydrauliques susceptibles de durcir
sous l’eau. Pour cela, ils mélangeaient de la chaux et des cendres volcaniques de la région de Pouzzoles.
C’est de là qu’est venu le terme bien connu de « pouzzolanique », qui se dit d’un matériau capable,
en présence d’eau, de fixer la chaux.
En revanche, cette propriété d’hydraulicité du mélange ainsi constitué est restée totalement inexpliquée
jusqu’aux travaux de Louis Vicat qui élabore en 1817 la théorie de l’hydraulicité et fait connaître le résultat de ses recherches.
Il donne des indications précises sur les proportions de calcaire et de silice nécessaires pour constituer le
mélange qui, après cuisson à la température convenable et broyage, sera un véritable liant hydraulique
fabriqué industriellement : le ciment artificiel. L’industrie du ciment était née.
Quelques années plus tard, en 1824, l’Écossais Aspdin donnait le nom de Portland au ciment qu’il fabriquait et qui égalait la pierre de cette région.
Naissance d’une industrie cimentière
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 l’apparition de matériels nouveaux : four rotatif, et
broyeur à boulets en particulier.
Les procédés de fabrication se perfectionnèrent sans cesse. Pour produire une tonne de clinker, constituant de base du ciment, il fallait en 1870, 40 heures, il faut actuellement environ 3 minutes.
La fabrication des ciments courants
Le constituant principal des ciments est le clinker,
qui est obtenu à partir de la cuisson d’un mélange approprié de calcaire et d’argile, en proportion moyenne 80 % / 20 %.
Les différentes étapes de la fabrication sont les suivantes.
■ Extraction et concassage
Les matières premières sont extraites de carrières généralement à ciel ouvert. Les blocs obtenus sont réduits, dans des concasseurs situés généralement sur les lieux mêmes de l’extraction, en éléments d’une dimension maximale de 50 mm.
■ Préparation de la matière première
Les grains de calcaire et d’argile sont intimement mélangés par broyage ou délayage, dans des pro portions définies, en un mélange très fin, le « cru ».
A cette occasion, des corrections de composition peuvent être effectuées en incorporant en faible proportion, bauxite, oxyde de fer...
Le mélange cru est préparé automatiquement sous forme de granules (voie sèche ou semi-sèche) ou de pâte (voie semi-humide ou humide), en fonction de la technique de fabrication utilisée.
■ La voie sèche
C’est de très loin la plus employée aujourd’hui. La
matière première est préparée sous forme de poudre. La préhomogénéisation permet d’atteindre un dosage parfait des deux constituants essentiels
du ciment par superposition de multiples couches.
Une station d’échantillonnage analyse régulièrement les constituants et le mélange pour en garantir la régularité.
A la sortie du hall de préhomogénéisation, le mélange est très finement broyé dans des broyeurs
sécheurs, qui éliminent l’humidité résiduelle et permettent d’obtenir une poudre qui présente la finesse
requise ; cette poudre, le « cru », est une nouvelle fois homogénéisée par fluidisation.
■ Autres techniques de préparation de la matière
D’autres techniques, moins employées aujourd’hui, consistent à agglomérer la matière sous forme de granules (voie semi-sèche) ou à la transformer en une pâte fluide (voie semi-humide ou humide).
Schéma de fabrication du ciment (voie sèche).
■ Cuisson du cru
Quelle que soit la technique de fabrication utilisée
pour élaborer le cru, les installations de cuisson sont similaires et comportent deux parties.
• Un échangeur de chaleur comportant une série de quatre à cinq cyclones dans lesquels la poudre déversée à la partie supérieure progresse jusqu’à
l’entrée du four. Elle se réchauffe au contact des gaz chauds en sortant de ce four, et se décarbonate en partie.
Une décarbonatation plus complète peut être obtenue par l’ajout d’un foyer complémentaire situé dans
le cyclone inférieur (précalcination). La poudre est ainsi portée à une température d’environ 800 °C à 1000 °C.
• Un four horizontal rotatif cylindrique en tôle d’acier (avec revêtement réfractaire intérieur) de 60 à 90 m
de long, de 4 à 5 m de diamètre, légèrement incliné et tournant de 1 à 3 tours/minute. La matière pénètre à l’amont du four où s’achève la décarbonatation, et
progresse jusqu’à la zone de clinkerisation (environ 1 450 °C). Le temps de parcours est de l’ordre de 1 heure.
Sous l’effet de la chaleur, les constituants de l’argile,principalement composée de silicates d’alumine etd’oxydes de fer, se combinent à la chaux provenant
du calcaire pour donner des silicates et des aluminates de calcium.
Tout en améliorant la qualité des produits, les industriels ont fortement réduit au cours des dernières
années la consommation d’énergie nécessaire à la cuisson, qui est de plus en plus apportée par des combustibles de substitution. En outre l’industrie
cimentière contribue à la protection de l’environnement grâce au recyclage de produits industriels usagés inutilisables pour d’autres emplois.
Les rejets des usines, sensiblement inférieurs aux normes, sont inférieurs à 50 mg/m3.
■ Broyage du clinker
A la fin de la cuisson, la matière brusquement refroidie se présente sous forme de granules qui constituent le clinker.
Celui-ci finement broyé avec du gypse (< 5 %) pour régulariser la prise donne le ciment Portland. Les autres catégories de ciment sont obtenues en ajoutant d’autres constituants tels que laitier granulé de
haut fourneau, matériaux pouzzolaniques, cendres volantes, schistes calcinés, calcaire, fumées de silice, fillers.
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