Accélération de ciment au laitier par du ciment sulfo-alumineux
Accélération de ciment au laitier par du ciment sulfo-alumineux Accélération de ciment au laitier par du ciment sulfo-alumineux
Etude bibliographique 2.5 Bilan sur l’activation des laitiers Le laitier de haut-fourneau vitrifié, de par ses propriétés hydrauliques latentes, est utilisé dans l’objectif de se substituer au ciment Portland Ordinaire. Mais les propriétés mécaniques à court terme des laitiers activés avec des alcalins (AAS) ou des ciments au laitier sont médiocres. Les moyens d’activation supplémentaires, tels que l’augmentation de la température de cure, l’augmentation de la finesse du laitier, les combinaisons d’agents activateurs, ne sont pas suffisants pour donner aux produits à forte teneur en laitier les propriétés mécaniques équivalentes à celles d’un ciment Portland Ordinaire. L’idée de ce travail de recherche est d’utiliser un liant ettringitique pour accélérer la montée en résistance à court terme. En procédant de la même façon que les ciments de type K, pour lesquels du ciment sulfoalumineux est ajouté à du ciment Portland Ordinaire, un ciment sulfoalumineux est ajouté au laitier. 3 Le ciment sulfoalumineux Il existe différents moyens pour améliorer les performances mécaniques au jeune âge des ciments Portland Ordinaires (étuvage, adjuvants tels que les accélérateurs de durcissement…). Nous aborderons ici l’utilisation de liants ettringitiques qui, comme leur nom l’indique, sont responsables de la formation d’ettringite qui permet une montée en résistance rapide. Trois composants alumineux peuvent être employés, en plus du ciment Portland Ordinaire et du gypse, dans les liants ettringitiques : l’aluminate tricalcique C 3 A, l’aluminate monocalcique CA ou la yeelimite C 3 4 A S qui entrent respectivement dans la composition des ciments de type S, type M et type K [ 3 ]. Les réactions d’hydratation qui conduisent à la formation d’ettringite pour chacun de ces ciments sont les suivantes : Type S : C 3 A + 3 C SH 2 + 26 H C 6AS3 H 32 Equation 3.1 Type M : CA + 3 C SH 2 + 2 C + 26 H C 6AS3 H 32 Equation 3.2 Type K : C 4 A 3 S + 8 C SH 2 + 6 C + 80 H 3 C 6AS3 H 32 Equation 3.3 Le clinker sulfoalumineux est obtenu à partir d'un mélange de carbonate de calcium, sous forme de calcaire, de bauxite, matériau naturel riche en alumine, et de sulfate de calcium, qui est soit du gypse, de l'anhydrite ou de l'hémihydrate, se trouvant à l'état naturel ou pouvant être issus de processus industriels [ 41 ] [ 42 ]. Le constituant principal, obtenu à l'issue du processus de 66
Etude bibliographique fabrication, est la yeelimite ( C 3 est formée entre 1250 et 1350°C selon l'équation : 4 A S ), autrement appelée kleinite ou composé de Klein [ 42 ]. Elle 3 CaCO 3 + 3 Al 2 O 3 + CaSO 4 ,2 H 2 O 4 CaO, 3 Al 2 O 3 , SO 3 + 3 CO 2 + 2 H 2 O Equation 3.1 Dans les paragraphes suivants, nous détaillerons les étapes de la fabrication du clinker sulfoalumineux et les propriétés qui en découlent. Puis, nous établirons les réactions d’hydratation de la yeelimite et des autres constituants du clinker sulfoalumineux dans des milieux différents : saturés ou non en chaux, en présence ou non de gypse. Enfin, l'étude des propriétés des produits obtenus nous permettra d'aborder les différents domaines d'utilisation des ciments sulfoalumineux. 3.1 Fabrication du clinker sulfoalumineux 3.1.1 Etapes de fabrication Le clinker sulfoalumineux est obtenu par cuisson du cru dans un four rotatif [ 42 ]. La première étape de la fabrication du clinker correspond à la déshydratation du gypse en anhydrite à une température comprise entre 100 et 120°C. Puis dans la plage de température 300-600°C, suit la décomposition des argiles, contenues dans le calcaire et la bauxite. A partir de 700°C et avant que la température n’atteigne 900°C, la décarbonatation du carbonate de calcium a lieu. Entre 800 et 900°C, la gehlénite (C 2 AS) commence à se former si le cru contient de la silice. Entre 1000 et 1100°C, une phase intermédiaire se forme, le CA, qui réagit plus tard avec la chaux vive (CaO) pour former la mayenite (C 12 A 7 ). Cette dernière réagit avec l’anhydrite, entre 1000 et 1250°C, pour former la yeelimite par une réaction à l’état solide [ 43 ] : 3 ((CaO) 12 , (Al 2 O 3 ) 7 ) + 7 CaSO 4 7((CaO) 4 , (Al 2 O 3 ) 3 , SO 3 ) + 15 CaO Équation 3.2 Il peut également y avoir une réaction hétérogène solide-gaz entre l’aluminate tricalcique C 3 A et l’oxyde de soufre formé par la dissociation thermique du sulfate de calcium présent : 3 ((CaO) 3 , Al 2 O 3 ) + SO 2 + 0,5 O 2 4 CaO, Al 2 O 3 , SO 3 + 6 CaO Équation 3.3 A partir de 900°C, en présence de sulfate de calcium libre, une autre phase intermédiaire du système peut être formée : la sulfospurrite 1200°C selon l’équation 3.4 : C 2 5 S S. Le silicate bicalcique C 2 S se forme entre 1000 et 2 CaCO 3 + SiO 2 Ca 2 SiO 4 + 2 CO 2 Équation 3.4 La phase ferrite commence à se former vers 1100°C en C 2 F. Dans les hautes températures, elle réagit avec l’alumine pour donner du C 6 AF 2 . 67
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Etu<strong>de</strong> bibliographique<br />
2.5 Bilan sur l’activation <strong>de</strong>s <strong>laitier</strong>s<br />
Le <strong>laitier</strong> <strong>de</strong> h<strong>au</strong>t-fourne<strong>au</strong> vitrifié, <strong>de</strong> <strong>par</strong> ses propriétés hydr<strong>au</strong>liques latentes, est utilisé dans<br />
l’objectif <strong>de</strong> se substituer <strong>au</strong> <strong>ciment</strong> Portland Ordinaire. Mais les propriétés mécaniques à court<br />
terme <strong>de</strong>s <strong>laitier</strong>s activés avec <strong>de</strong>s alcalins (AAS) ou <strong>de</strong>s <strong>ciment</strong>s <strong>au</strong> <strong>laitier</strong> sont médiocres. Les<br />
moyens d’activation supplémentaires, tels que l’<strong>au</strong>gmentation <strong>de</strong> la température <strong>de</strong> cure,<br />
l’<strong>au</strong>gmentation <strong>de</strong> la finesse <strong>du</strong> <strong>laitier</strong>, les combinaisons d’agents activateurs, ne sont pas suffisants<br />
pour donner <strong>au</strong>x pro<strong>du</strong>its à forte teneur en <strong>laitier</strong> les propriétés mécaniques équivalentes à celles<br />
d’un <strong>ciment</strong> Portland Ordinaire.<br />
L’idée <strong>de</strong> ce travail <strong>de</strong> recherche est d’utiliser un liant ettringitique pour accélérer la montée<br />
en résistance à court terme. En procédant <strong>de</strong> la même façon que les <strong>ciment</strong>s <strong>de</strong> type K, pour lesquels<br />
<strong>du</strong> <strong>ciment</strong> <strong>sulfo</strong><strong>alumineux</strong> est ajouté à <strong>du</strong> <strong>ciment</strong> Portland Ordinaire, un <strong>ciment</strong> <strong>sulfo</strong><strong>alumineux</strong> est<br />
ajouté <strong>au</strong> <strong>laitier</strong>.<br />
3 Le <strong>ciment</strong> <strong>sulfo</strong><strong>alumineux</strong><br />
Il existe différents moyens pour améliorer les performances mécaniques <strong>au</strong> jeune âge <strong>de</strong>s<br />
<strong>ciment</strong>s Portland Ordinaires (étuvage, adjuvants tels que les accélérateurs <strong>de</strong> <strong>du</strong>rcissement…). Nous<br />
abor<strong>de</strong>rons ici l’utilisation <strong>de</strong> liants ettringitiques qui, comme leur nom l’indique, sont responsables<br />
<strong>de</strong> la formation d’ettringite qui permet une montée en résistance rapi<strong>de</strong>. Trois composants<br />
<strong>alumineux</strong> peuvent être employés, en plus <strong>du</strong> <strong>ciment</strong> Portland Ordinaire et <strong>du</strong> gypse, dans les liants<br />
ettringitiques : l’aluminate tricalcique C 3 A, l’aluminate monocalcique CA ou la yeelimite<br />
C 3<br />
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A S qui entrent respectivement dans la composition <strong>de</strong>s <strong>ciment</strong>s <strong>de</strong> type S, type M et type K [ 3<br />
]. Les réactions d’hydratation qui con<strong>du</strong>isent à la formation d’ettringite pour chacun <strong>de</strong> ces <strong>ciment</strong>s<br />
sont les suivantes :<br />
Type S : C 3 A + 3 C SH<br />
2 + 26 H C<br />
6AS3<br />
H<br />
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Equation 3.1<br />
Type M : CA + 3 C SH<br />
2 + 2 C + 26 H C<br />
6AS3<br />
H<br />
32<br />
Equation 3.2<br />
Type K : C 4<br />
A 3<br />
S + 8 C SH<br />
2 + 6 C + 80 H 3 C<br />
6AS3<br />
H<br />
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Equation 3.3<br />
Le clinker <strong>sulfo</strong><strong>alumineux</strong> est obtenu à <strong>par</strong>tir d'un mélange <strong>de</strong> carbonate <strong>de</strong> calcium, sous<br />
forme <strong>de</strong> calcaire, <strong>de</strong> b<strong>au</strong>xite, matéri<strong>au</strong> naturel riche en alumine, et <strong>de</strong> sulfate <strong>de</strong> calcium, qui est<br />
soit <strong>du</strong> gypse, <strong>de</strong> l'anhydrite ou <strong>de</strong> l'hémihydrate, se trouvant à l'état naturel ou pouvant être issus <strong>de</strong><br />
processus in<strong>du</strong>striels [ 41 ] [ 42 ]. Le constituant principal, obtenu à l'issue <strong>du</strong> processus <strong>de</strong><br />
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