Contribution a l’etude d’elaboration de ciments a haute resistance

Cette étude entre dans le cadre des recherches menées au sein de l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo en coopération avec le secteur privé, pour la recherche de nouveaux matériaux ou pour l’amélioration des performances des matériaux déjà existant. Le ciment est un des matériaux qui restent indispensables dans le domaine du génie civil et du bâtiment. On a toujours essayé de trouver des liants qui puissent se substituer au ciment. Plus un pays aspire au modernisme, plus il ne peut se passer de béton et donc de ciment. Plus les ouvrages sont sollicités mécaniquement, plus les liants utilisés doivent avoir des performances mécaniques élevées.

Les ciments à haute résistance sont des ciments dont la résistance à la compression simple des mortiers normaux peut atteindre 80MPa. De tels ciments permettent la construction d’ouvrages de plus en plus sollicités mécaniquement et avec un délai d’exécution écourté. En outre, ils présentent un intérêt économique certain puisque, dans les limites techniques permises et à résistances égales, ils sont utilisés en moindre quantité. Enfin ces ciments peuvent donner des bétons plus étanches, donc durables, qui auront des meilleures résistances aux milieux agressifs, en particulier l’air marin, que les bétons classiques courants.

HISTORIQUE ET SITUATION ACTUELLE

Cimenterie d’Amboanio

Elle se situe à Amboanio, 30 Km au sud-est de Mahajanga, Commune de Boanamary, Fivondronana de Mahajanga II. Cette cimenterie d’ Amboanio a été fondée en 1932 par la Société de ciments française VICAT. La mise en exploitation commençait en 1934 et l’usine produisait 20 000 tonnes au cours de cette année. À cette époque, à cause de la À concurrence des ciments étrangers, la société a été mise en faillite en 1935. L’usine a été rachetée par le Belge CURRIMJEE JEEWANJEE en 1936. De 1940 à 1941, la nouvelle société belge n’atteignait qu’une production de 10 000 tonnes / an. Ceci s’expliqua par la pénurie d’approvisionnement en énergie due à la guerre ; mais au cours de cette même guerre, les difficultés d’approvisionnement en ciment incitèrent la société à relancer sa production.

En 1953, le Gouvernement colonial a alloué à l’usine une importante somme de 182 millions de Francs et entreprit de la faire exploiter. Plusieurs sociétés furent pressenties et contactées. En 1956, un groupe belge relançait de nouveau l’usine et la nommait « Compagnie Malgaches des Ciments » ; le Gouvernement colonial contribuait pour un apport évalué à 44 millions de Francs. De nouveau privatisée en 1993, elle portait le nom de « SANCA » (Société Anonyme de la Nouvelle Cimenterie d’Amboanio) et le Groupe SOMIFRERES était l’actionnaire majoritaire. À partir du 14 Février 1997, la société LAFARGE est À devenue l’actionnaire majoritaire de la SANCA.

La SANCA produit actuellement 70 000 tonnes de ciments par an avec trois variétés de produits : CM 160, CPA 32.5 et CPJ 35.

Cimenterie d’Ibity

Fondée en 1980 par l’état Malagasy avec l’accord de la Banque Mondiale et de la FMI, elle se situe à Ibity à 25 Km d’Antsirabe. À cette époque, elle était désignée sous le À nom de « CIMA » (Cimenterie de Madagascar). L’installation de l’usine et le début d’exploitation de la carrière de cipolin d’Ibity ont commencé en 1980 mais la mise en exploitation effective ne débuta qu’ en 1985. Dans les années 87/88, la société connut des problèmes d’ordre financier et l’Etat a eu recours à sa privatisation en 1990. À partir de 1990, une nouvelle marque de ciment est À apparue : les ciments ABACIMAL, du nom du propriétaire Prince ABASUBUNG. La nouvelle société, à cause de la mauvaise qualité de ses produits, a vite fait faillite et a été reprise par ses principaux créanciers : l’Etat Malagasy, la BNI et la JIRAMA. Vers la fin de l’année 1994, la société a été rachetée par le HOLDERBANK dont fait partie le groupe ORIGNY sous le nom de SOMACIM (Société Malgache des Ciments). À partir de 1995, la réhabilitation des installatio À ns a commencé, et la société a pu se lancer dans de nouvelles productions. La SOMACIM produisait deux types de ciments : CPJ 35 et CPA 45. De nouvelles marques de ciment sont apparues sur le marché : les ciments MORAINGY. Actuellement, la cimenterie d’Ibity appartient au puissant groupe HOLCIM et les produits portent la marque du groupe. La HOLCIM a une capacité de production de 120 000 à 200 000 tonnes de ciments par an et propose sur le marché du CPJ 35, du CPA 45 et dernièrement du CPJ 45. Un projet de réhabilitation de l’usine d’Ibity, et plus particulièrement le remplacement de toutes les installations de cuisson est actuellement en cours de réalisation.

En plus de ses installations d’Ibity, la HOLCIM possède une usine de traitement de clinker importé et d’ensachage à Tamatave. Cette usine livre sur le marché du CPA 45 de marque HOLCIM. D’autres projets sont en cours, à l’instar du projet chinois d’installation d’une usine de traitement de clinker et d’ensachage à Ambohimanambola (Antananarivo).

LE CALCAIRE A MADAGASCAR 

L’industrie cimentière d’un pays doit être considérée en parallèle avec ses ressources potentielles en matières premières. En effet, on ne peut penser créer une cimenterie sans évaluer les réserves en matière de calcaire. A titre indicatif nous donnons les gisements de calcaires dont dispose Madagascar.

Le calcaire ou pierre à chaux est très abondant à Madagascar. Selon les gisements, il peut être très pur ou dolomitique :
– Antsiranana : réserve inépuisable, peu dolomitique, autour de la Baie de Diégo ;
– Mahajanga : beaucoup de gisements dolomitiques sauf à Marohogo et Amboanio (gisement exploité par la SANCA) ;
– Toliary : réserve inépuisable aux environs de Toliary, gisements exploités par des fabricant de chaux de façon artisanale ;
– Antsirabe :
❖ gros gisement fortement dolomitique à Ambatofinandrahana et Sahatany ;
❖ un bon gisement estimé à 10 millions de m3 à Ibity, exploité par la CHAUMAD et la HOLCIM ;
– Ambatondrazaka : réserve constitué par de petits gisements dispersés.

L’ARGILE A MADAGASCAR

Le constituant silico-alumineux généralement utilisé pour la fabrication du clinker à ciment avec le calcaire, est l’argile naturelle. L’argile est abondante à Madagascar, mais ne convient pas toujours à des fins cimentières.

A Madagascar, les gisements d’argile sont nombreux mais d’intérêt variable. Parmi les plus importants, on peut citer (Source Service Géologique de Madagascar):
– les gisements de kaolin d’Ampanihy ;
– les pegmatite fortement kaolinisées dans la région d’Andilana;
– les argiles réfractaires de la plaine d’Antananarivo;
– les argiles kaoliniques d’Ambatolampy, d’Ambohimena et de Fianarantsoa ;
– les argiles sédimentaires du bassin lacustre de Mangoro ;
– les argiles mélangées (kaolinite, beidellite, nontronite) d’Antanifotsy et d’Antsirabe;
– les marnes argileuses de Toliary et de Soalara, et celles calcaires de Mahajanga ;
– les argiles bentonitiques de la région d’Ejeda (Beomby).

GENERALITES SUR LES CIMENTS

DEFINITION

Les ciments
Les ciments sont des liants hydrauliques : ils se combinent à l’eau en donnant des composés hydratés stables qui leur confèrent une résistance mécanique. Ils sont constitués essentiellement de silicates et aluminates de calcium. Ils sont obtenus par la cuisson à haute température (1400 – 1450 °C) de mél anges dosés de calcaire et d’argile et se présentent sous forme de poudres inodores, grises en général.

Les ciments à hautes résistances
Selon la norme AFNOR NF P 15 301 de 1981, les ciments à hautes résistances sont des ciments dont la résistance à la compression des mortiers normaux à 28 jours a une valeur moyenne supérieure à 65 MPa. [5] Selon la nouvelle norme européenne NF EN 197-1 de Janvier 2001, ce sont des ciments dont la résistance à la compression des mortiers normaux à 28 jours a une valeur minimale supérieure à 52,5 MPa. [5] En général, ce sont des ciments à prise rapide et à faible retrait (début de prise inférieure à 1 heure à 20 °C ; retrait environ 1mm/ m).

LES CONSTITUANTS DU CIMENT

Ils présentent une ou plusieurs des propriétés suivantes :
• des propriétés hydrauliques : ils forment par réaction avec l’eau des composés hydratés stables très peu solubles dans l’eau ;
• des propriétés pouzzolaniques : ils ont la faculté de former à température ordinaire, en présence d’eau, par combinaison avec la chaux, des composés hydratés stables ;
• des propriétés physiques qui améliorent certaines qualités du ciment (accroissement de la maniabilité et de la compacité, diminution du ressuage…).

Le clinker

C’est le principal constituant des ciments. Le clinker est un produit obtenu par la cuisson jusqu’à fusion partielle (clinkerisation) d’un mélange dosé et homogénéisé de matières contenant les quatre oxydes : CaO, SiO2, Al2O3 et Fe2O3. Les oxydes cités ci-dessus se retrouvent dans le clinker sous forme de silicates et aluminates de calcium anhydres dont les principaux sont :
– C3S : 45 à 65 %,
– C2S : 10 à 30 %,
– C3A : 05 à 15 %,
– C4AF : 05 à 15 %.

Ces différentes phases ne se trouvent pas à l’état pur dans le clinker, mais sous forme de solution solide.

Aluminate tricalcique (C3A)

On ne connaît pas de transformations allotropiques de C3A pur. Le réseau cristallin est cubique (a = 1.526 nm). Dans le clinker, C3A peut être cubique, orthorhombique ou quadratique ; deux de ces formes peuvent exister conjointement.

C’est le constituant qui possède la prise la plus rapide et la chaleur d’hydratation la plus élevée. Les cristaux sont petits et mal formés, si le refroidissement est rapide. Ils sont grands et rectangulaires dans le cas inverse. Il joue un rôle important dans la résistance à court terme et la tenue du ciment à certains milieux agressifs. L’aluminate tricalcique constitue, avec C4AF, ce qu’on appelle la « masse interstitielle » du clinker.

Alumino-ferrite tetracalcique (C4AF)

Elle correspond à la phase aluminoferritique tetracalcique C4AF ; C’est une solution solide à l’intérieur des solutions solides dont les éléments extrêmes sont la combinaison C2F et l’hypothétique C2A. Dans le clinker, C4AF se présente sous une forme orthorhombique. Il n’entre pas en jeu dans la résistance du ciment, mais joue par contre le rôle de fondant favorisant l’eutectique lors de la cuisson du mélange cru.

Table des matières

INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE:GENERALITES & RAPPELS BIBLIOGRAPHIQUES
Chapitre 01 : L’INDUSTRIE CIMENTIERE À MADAGASCAR
1. HISTORIQUE ET SITUATION ACTUELLE
1.1. Cimenterie d’Amboanio
1.2. Cimenterie d’Ibity
2. LE CALCAIRE A MADAGASCAR
3. L’ARGILE A MADAGASCAR
4. CONCLUSION
Chapitre 02 : GENERALITES SUR LES CIMENTS
1. DEFINITION
1.1. Les ciments
1.2. Les ciments à hautes résistances
2. LES CONSTITUANTS DU CIMENT
2.1. Le clinker
2.1.1. Alite – Silicate tricalcique
2.1.2. Bélite – Silicate bicalcique
2.1.3. Aluminate tricalcique
2.1.4. Alumino-ferrite tetracalcique
2.2. Les autres constituants principaux
2.2.1. Laitier granulé de haut fourneau
2.2.2. Pouzzolanes naturelles
2.2.3. Cendres volantes
2.2.4. Schistes calcinés
2.2.5. Calcaires
2.2.6. Fumées de silice
2.3. Les constituants secondaires
2.4. Les additifs
2.5. Sulfate de calcium
3. NORMALISATION ET CLASSIFICATION
3.1. Les ciments et la normalisation
3.2. La norme européenne EN 197-1
3.2.1. Désignation et marquage
3.2.2. Classes de résistance
3.3. Les ciments de la norme NF EN 197-1 (ciments courants)
3.4. Les ciments qui font l’objet d’autres normes
3.4.1. Ciment de laitier à la chaux (CLX)
3.4.2. Ciment à maçonner (CM)
3.4.3. Ciment naturel (CN)
3.4.4. Ciment sursulfaté (CSS)
3.4.5. Ciment prompt naturel (CNP)
3.4.6. Ciment alumineux fondu (CA)
3.5. Ciments à caractéristiques complémentaires normalisées
3.5.1. Ciments pour travaux à la mer (PM)
3.5.2. Ciments à teneur en sulfures limitée (CP)
3.5.3. Les ciments pour travaux en eaux à haute teneur en sulfates
4. CARACTERISTIQUES DES CIMENTS
4.1. Caractéristiques chimiques et minéralogiques
4.1.1. Composition chimique élémentaire
4.1.2. Hydraulicité
4.1.3. Chaux de saturation
4.1.4. Modules et valeurs requises
4.1.5. Composition minéralogique – Formule de BOGUE
4.1.6. Chaux libre
4.2. Caractéristiques physiques
4.2.1. Couleur
4.2.2. Finesse de mouture
4.2.3. Densités
4.2.4. Début de prise
4.2.5. Expansion
4.2.6. Retrait
4.2.7. Eau de consistance normale
4.3. Caractéristiques mécaniques
5. DOMAINES D’UTILISATION
Chapitre 03 : FABRICATION DU CIMENT
1. APERÇU GENERAL
2. LES DIFFERENTES ETAPES DE LA FABRICATION
2.1. Approvisionnement en matières premières
2.2. Dosage du mélange cru
2.2.1. Objectifs
2.2.2. Calcul du mélange cru
2.3. Préparation du cru
2.4. Cuisson du cru
2.4.1. Aperçu sur les principales réactions mises en jeu lors de la cuisson
2.4.2. Déshydratation des minéraux argileux
2.4.3. Décarbonatation
2.4.4. Réactions entre solides
2.4.5. Réactions en présence de matière fondue – clinkerisation
2.5. Traitement du clinker – conditionnement
3. EVALUATION DES PRODUITS – CONTROLES DE QUALITE
3.1. Evaluation du clinker
3.2. Evaluation du ciment
4. FACTEURS INTERVENANT SUR LA FABRICATION DU CLINKER
4.1. Composition du cru
4.2. Teneurs en éléments secondaires
4.3. Composition minéralogique du cru
4.4. Composition granulométrique
4.5. Homogénéité
4.6. Activation chimique
4.7. Activation thermique
4.8. Activation mécanique
Conclusion
DEUXIEME PARTIE: ETUDE EXPERIMENTALE
Chapitre 01 : METHODES EXPERIMENTALES
1. CARACTERISTIQUES PHYSIQUES
1.1. Teneur en eau naturelle
1.2. Limites d’Atterberg
1.3. Densités
1.4. Granulométrie
1.5. Surface spécifique
1.6. Porosité
1.7. Début de prise
1.8. Retrait
1.9. Expansion
2. CARACTERISTIQUES CHIMIQUES ET MINERALOGIQUES
2.1. Analyse chimique
2.2. Diffraction des rayons X DRX
2.3. Spectrométrie Infra Rouge SIR
2.4. Analyse thermique différentielle ATD
2.5. Microscopie électronique à balayage
3. CARACTERISTIQUES MECANIQUES
3.1. Principe
3.2. Coulage et conservation des éprouvettes
Chapitre 02 : CARACTERISTIQUES DES MATIERES PREMIERES
1. LES MATIERES PREMIERES DE BASE
1.1. Expression des résultats
1.2. Interprétation
2. LES AJOUTS
2.1. Expression des résultats
2.2. Interprétation
3. LES MINERALISATEURS
3.1. Expression des résultats
3.2. Interprétation
4. LE CPA 45 TEMOIN
4.1. Expression des résultats
4.2. Interprétation
Chapitre 03: CONTRIBUTION AUX ETUDES SUR L’AMELIORATION
DE LA QUALITE D’UN CLINKER INDUSTRIEL
1. PRESENTATION DE L’ETUDE
2. FABRICATION DE CLINKER PAR LES METHODES DE L’USINE
2.1. Calcul du mélange cru
2.2. Expression des résultats
2.3. Interprétation
3. CORRECTION DE LA COMPOSITION DU CRU INDUSTRIEL
3.1. Expression des résultats
3.1.1. Composition des farines crues corrigées
3.1.2. Caractéristiques des clinkers et des ciments
3.2. Interprétation
4. ESSAI DE GYPSAGE DU MELANGE CRU INDUSTRIEL
4.1. Expression des résultats
4.2. Interprétation
5. CONCLUSION
Chapitre 04: ELABORATION DE CLINKERS RICHES EN ALITE
ET A FAIBLE TENEUR EN CHAUX LIBRE
1. PRESENTATION DE L’ETUDE
2. CHOIX DES PARAMETRES TECHNIQUES DE FABRICATION
2.1. Finesse de mouture
2.2. Homogénéisation
2.3. Préparation de la matière à cuire
2.4. Chronogramme du traitement thermique
3. DETERMINATION DE LA COMPOSITION OPTIMALE
3.1. Principe
3.2. Expression des résultats
3.3. Choix de la composition optimale
4. ESSAI D’ACTIVATION CHIMIQUE
4.1. Activation par le gypse
4.1.1. Principe
4.1.2. Expression des résultats
4.1.3. Détermination de la teneur optimale en SO3
4.1.4. Conclusion
4.2. Activation par action combinée de SO3 et MgO
4.2.1. Principe
4.2.2. Expression des résultats
4.2.3. Détermination de la combinaison SO3 – MgO optimale
4.2.4. Conclusion
4.3. Activation par la fluorine
4.3.1. Principe
4.3.2. Expression des résultats
4.3.3. Détermination de la teneur optimale en CaF2
4.4. Conclusion
5. ESSAI D’ACTIVATION THERMIQUE
5.1. Principe
5.2. Expression des résultats et interprétation
6. ESSAI D’ACTIVATION MECANIQUE
6.1. Principe
6.2. Expression des résultats et interprétation
7. CONCLUSION
Chapitre 05: ELABORATION DE CIMENTS A HAUTE RESISTANCE
1. PRESENTATION DE L’ETUDE
2. FABRICATION DES CIMENTS
2.1. Principe
2.2. Composition des ciments
3. CARACTERISATION ET CONTROLE
3.1. Caractéristiques physiques
3.2. Analyse chimique
3.3. Analyse minéralogique
3.3.1. Calcul de la composition minéralogique potentiel par la formule de Bogue
3.3.2. Détermination qualitative des constituants des ciments
3.4. Identification des produits d’hydratation
3.5. Performances mécaniques – Classe de résistance
3.6. Stabilité et durabilité
3.7. Conclusion
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES

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