Accélération de ciment au laitier par du ciment sulfo-alumineux

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Etude bibliographique La quantité de CaSO 4 libre diminue au fil de la cuisson car elle est consommée par la formation de la yeelimite et de la sulfospurrite. Puis vers 1200-1280°C, sa quantité augmente avec la décomposition de la sulfospurrite en C 2 S et sulfate de calcium. Pour une température supérieure à 1350°C, a lieu la décomposition de la yeelimite qui réagit avec la chaux libre pour donner du C 3 A et du CaSO 4 . 3.1.2 Réduction d'énergie Le processus de fabrication du clinker sulfoalumineux constitue une caractéristique favorable vis-à-vis de l'environnement. Tout d'abord, la température de clinkérisation, comprise entre 1250 et 1350°C, est inférieure à celle des clinkers Portland (1450-1500°C). De plus, pour la fabrication du clinker sulfoalumineux, la quantité de calcaire dans le cru est réduite. De ce fait, l'émission de CO 2 , due principalement à la décarbonatation du calcaire, est moins importante. La proportion plus faible de chaux (CaO) dans le ciment sulfoalumineux entraîne une enthalpie de formation inférieure à celle du ciment Portland. A titre de comparaison, le Tableau 14 présente l'enthalpie de formation et le dégagement de CO 2 de quatre phases : l'alite C 3 S, la bélite C 2 S, phases principales du ciment Portland, l'aluminate de calcium CA, phase principale du ciment alumineux et la yeelimite C 3 4 A S, phase principale du ciment sulfoalumineux [ 44 ]. Les ciments alumineux et sulfoalumineux sont beaucoup plus avantageux. Tableau 14 : Enthalpie de formation et émission de CO 2 de 3 phases Phases Enthalpie [kJ/kg de clinker] CO 2 rejeté [kg/kg de clinker] C 3 S 1848-1 578 β C 2 S 1336-8 511 CA 1030-2 278 C A 3 S 4 800 216 Pour la fabrication du clinker sulfoalumineux, une énergie de 3305 kJ/kg de clinker est suffisante tandis que l'énergie nécessaire à la fabrication du clinker Portland est de 3845 kJ/kg de clinker [ 45 ]. Le ciment sulfoalumineux, grâce à la faible proportion de C 3 S qu'il contient, est plus friable que le ciment Portland. La consommation d'énergie nécessaire pour une tonne de ciment Portland est de 45 à 50 kWh, et de 20 à 30 kWh par tonne de ciment sulfoalumineux [ 46 ]. 68

Etude bibliographique Il est possible deduire encore la demande en énergie en incorporant dans le cru des sousproduits industriels tels que les cendres volantes, les laitiers de haut-fourneaux ou du phosphogypse. L'utilisation de matériau comme le phosphogypse à la place de gypse naturel permet de fabriquer le ciment sulfoalumineux à des températures plus basses (1000 à 1100°C au lieu de 1200 à 1350°C) et en un temps plus court (30 à 90 minutes au lieu de 3 à 10 heures) [ 47 ]. 3.2 Hydratation du ciment sulfoalumineux Les différentes phases qui peuvent constituer le clinker sulfoalumineux sont présentées dans le tableau suivant avec leurs proportions [ 42 ]. Tableau 15 : Constituants anhydres du clinker sulfoalumineux Proportions [%] Notation cimentaire Notation chimique Nom 10-60 C 2 S 2 CaO, SiO 2 Silicate bicalcique (bélite) 10-55 C 4 A 3 S 4 CaO, 3 Al 2 O 3 , SO 4 Yeelimite 0-25 C S CaO, SO 4 Sulfate de calcium 0-25 C CaO Chaux libre 0-40 C 4 AF 4 CaO, Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 Alumino ferrite tétralcique 0-10 CA CaO, Al 2 O 3 Mono aluminate de calcium 0-10 C 12 A 7 12 CaO, 7 Al 2 O 3 Aluminate de calcium : mayenite Les principaux hydrates formés par l’hydratation du ciment sulfoalumineux sont l’ettringite, responsable de la résistance initiale, et les C-S-H, qui donnent la résistance à long terme. Cependant, des différences peuvent apparaître suivant les conditions d’hydratation : en présence de chaux ou non, et avec ou sans gypse [ 42 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]. 3.2.1 Equations d'hydratation d’un ciment sulfoalumineux [ 42 ] Sans chaux En présence de gypse ( C SH 2 ),l’hydratation de la yeelimite ( C 4 A 3 S) donne de l’ettringite (AFt : C6AS 3H32 ) et de l’hydroxyde d’aluminium (AH 3 ) : C 3 4 A S + 2 C SH 2 + 34 H C 6AS3H 32 + 2 AH 3 Équation 3.5 69

Etu<strong>de</strong> bibliographique<br />

La quantité <strong>de</strong> CaSO 4 libre diminue <strong>au</strong> fil <strong>de</strong> la cuisson car elle est consommée <strong>par</strong> la<br />

formation <strong>de</strong> la yeelimite et <strong>de</strong> la <strong>sulfo</strong>spurrite. Puis vers 1200-1280°C, sa quantité <strong>au</strong>gmente avec<br />

la décomposition <strong>de</strong> la <strong>sulfo</strong>spurrite en C 2 S et sulfate <strong>de</strong> calcium. Pour une température supérieure à<br />

1350°C, a lieu la décomposition <strong>de</strong> la yeelimite qui réagit avec la ch<strong>au</strong>x libre pour donner <strong>du</strong> C 3 A et<br />

<strong>du</strong> CaSO 4 .<br />

3.1.2 Ré<strong>du</strong>ction d'énergie<br />

Le processus <strong>de</strong> fabrication <strong>du</strong> clinker <strong>sulfo</strong><strong>alumineux</strong> constitue une caractéristique favorable<br />

vis-à-vis <strong>de</strong> l'environnement. Tout d'abord, la température <strong>de</strong> clinkérisation, comprise entre 1250 et<br />

1350°C, est inférieure à celle <strong>de</strong>s clinkers Portland (1450-1500°C).<br />

De plus, pour la fabrication <strong>du</strong> clinker <strong>sulfo</strong><strong>alumineux</strong>, la quantité <strong>de</strong> calcaire dans le cru est<br />

ré<strong>du</strong>ite. De ce fait, l'émission <strong>de</strong> CO 2 , <strong>du</strong>e principalement à la décarbonatation <strong>du</strong> calcaire, est<br />

moins importante. La proportion plus faible <strong>de</strong> ch<strong>au</strong>x (CaO) dans le <strong>ciment</strong> <strong>sulfo</strong><strong>alumineux</strong> entraîne<br />

une enthalpie <strong>de</strong> formation inférieure à celle <strong>du</strong> <strong>ciment</strong> Portland. A titre <strong>de</strong> com<strong>par</strong>aison, le Table<strong>au</strong><br />

14 présente l'enthalpie <strong>de</strong> formation et le dégagement <strong>de</strong> CO 2 <strong>de</strong> quatre phases : l'alite C 3 S, la bélite<br />

C 2 S, phases principales <strong>du</strong> <strong>ciment</strong> Portland, l'aluminate <strong>de</strong> calcium CA, phase principale <strong>du</strong> <strong>ciment</strong><br />

<strong>alumineux</strong> et la yeelimite<br />

C 3<br />

4<br />

A S, phase principale <strong>du</strong> <strong>ciment</strong> <strong>sulfo</strong><strong>alumineux</strong> [ 44 ]. Les <strong>ciment</strong>s<br />

<strong>alumineux</strong> et <strong>sulfo</strong><strong>alumineux</strong> sont be<strong>au</strong>coup plus avantageux.<br />

Table<strong>au</strong> 14 : Enthalpie <strong>de</strong> formation et émission <strong>de</strong> CO 2 <strong>de</strong> 3 phases<br />

Phases<br />

Enthalpie<br />

[kJ/kg <strong>de</strong> clinker]<br />

CO 2 rejeté<br />

[kg/kg <strong>de</strong> clinker]<br />

C 3 S 1848-1 578<br />

β C 2 S 1336-8 511<br />

CA 1030-2 278<br />

C A 3<br />

S<br />

4<br />

800 216<br />

Pour la fabrication <strong>du</strong> clinker <strong>sulfo</strong><strong>alumineux</strong>, une énergie <strong>de</strong> 3305 kJ/kg <strong>de</strong> clinker est<br />

suffisante tandis que l'énergie nécessaire à la fabrication <strong>du</strong> clinker Portland est <strong>de</strong> 3845 kJ/kg <strong>de</strong><br />

clinker [ 45 ].<br />

Le <strong>ciment</strong> <strong>sulfo</strong><strong>alumineux</strong>, grâce à la faible proportion <strong>de</strong> C 3 S qu'il contient, est plus friable<br />

que le <strong>ciment</strong> Portland. La consommation d'énergie nécessaire pour une tonne <strong>de</strong> <strong>ciment</strong> Portland<br />

est <strong>de</strong> 45 à 50 kWh, et <strong>de</strong> 20 à 30 kWh <strong>par</strong> tonne <strong>de</strong> <strong>ciment</strong> <strong>sulfo</strong><strong>alumineux</strong> [ 46 ].<br />

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