Soutenance mémoire
VUE GENERALE
L’industrie cimentière est fortement émettrice de gaz à effet de serre (dioxyde de carbone CO2), provenant des besoins en énergie calorifique, mais aussi du procédé de fabrication du ciment. La problématique des changements climatiques incite à rechercher tous les moyens pour réduire les émissions de CO2 et pour économiser de l’énergie. Cette recherche doit se doubler d’une nouvelle démarche de substitution des produits traditionnellement fabriqués (clinker) par des produits présentant des caractéristiques voisines. D’une façon générale, les pays en développement suivent les progrès technologiques et économiques réalisés dans les pays industrialisés avec un certain retard. De même, la réglementation locale sur les émissions suit progressivement les normes des pays industrialisés. Il est cependant souhaitable que toutes les mesures pouvant réduire les consommations énergétiques, et donc les émissions d’effluents gazeux, soient mises en œuvre le plus rapidement possible dans ces pays.
LES EMISSIONS DE CO2
Les émissions de CO2 de l’industrie du ciment
D’après une étude menée par le World Business Council for Sustainable Development (WBCSD), l’industrie cimentière est responsable de 5% des émissions de gaz à effet de serre liées à l’activité humaine. Pour l’industrie du ciment ces émissions sont principalement de deux sortes : émissions énergétiques et émissions de procédé. Les émissions énergétiques sont liées à la production de l’énergie thermique nécessaire à la fabrication du clinker. Les émissions de procédé sont dues au fait que le CO2 fait partie des produits de la réaction chimique qui transforme le carbonate de calcium en clinker (décarbonatation du carbonate de calcium). A ces deux sources principales il faut ajouter les émissions dues au transport des matières premières et à la consommation d’électricité.
Les émissions énergétiques
Présentation
Les émissions énergétiques représentent environ 40% des émissions totales d’une cimenterie. Elles sont surtout dues à la combustion des matières fossiles (principalement charbon et coke de pétrole) destinée à fournir l’énergie nécessaire pour maintenir la très haute température des fours à clinker.
Efficacité énergétique
En raison des politiques d’économies d’énergie dans les années 70, l’efficacité énergétique des cimenteries a été améliorée dans certains pays développés. Au Japon par exemple, l’énergie nécessaire à la production du clinker a diminué de 30% entre les années 1973 et 1990, ces politiques ont eu pour effet secondaire de diminuer les émissions énergétiques des cimenteries concernées.
Energie de substitution
Parallèlement à l’augmentation de la rentabilité énergétique des cimenteries, les producteurs utilisent de plus en plus les déchets comme combustibles de substitution (pneus usés, boues de curage, vieux papiers, huiles usagées …). Ils permettent ainsi de valoriser ces produits qui auraient de toute façon du être incinérés en dégageant du CO2. En Europe, la part des combustibles de substitution dans la production de l’énergie thermique était de 10% en 1995, elle dépasse maintenant les 50% dans certaines régions.
Des progrès achevés
Pour des raisons économiques évidentes (prix du pétrole …) la réduction des quantités de combustibles fossiles nécessaires à la production d’une tonne de ciment fait partie des priorités de nombreuses cimenteries. Malgré de grandes disparités entre les pays, les progrès dans ce domaine sont importants et atteignent maintenant leur limite dans plusieurs pays. Pour ces raisons, on ne traitera pas plus en détail les émissions de CO2 énergétiques dans cette étude. On se concentrera sur les émissions de procédé pour lesquelles des progrès énormes et des avancées technologiques majeurs sont encore réalisables.
Emission de procédé
Présentation
Du point de vue des émissions de CO2, le ciment Portland a le double inconvénient de nécessiter une température de cuisson élevée (1450°C), obtenue majoritairement par la combustion de combustibles fossiles (ce qui représente 0.28 t CO2 / t ciment) mais aussi de présenter en cours de préparation une réaction de décarbonatation (la calcite (CaCO3), qui constitue 80% de la matière première se transforme en CaO en perdant une molécule de CO2 qui se dégage, soit 0.52 t CO2 / t ciment). Ainsi, pour un ciment Portland, le bilan des émissions est en moyenne de 0.8 t CO2 / t ciment (varie de 0.6 à 0.9 suivant le ciment) ce qui fait de l’industrie cimentière une des principales industries émettrices de gaz à effet de serre. Compte tenu des taxes envisagées sur les émissions de CO2, le prix du ciment, et en particulier du ciment sans ajout (CEM I), devrait donc augmenter significativement.
Ciments mélangés
Pour réduire les émissions de procédé, il faut diminuer la part de clinker dans le ciment, ce qui conduit à remplacer une partie du CaCO3 par d’autres matériaux et donne ce que l’on appelle des ciments mélangés. On peut ainsi aller jusqu’à des taux de substitution de 30% par tonne de ciment, diminuant d’autant les émissions de procédé. Cependant, d’une manière plus générale, l’amélioration du bilan des émissions en CO2 du ciment peut être plus facilement réalisée par la substitution partielle d’une partie du clinker par d’autres constituants présentant des propriétés hydrauliques et/ou pouzzolaniques. Compte ténue de sa disponibilité, il est probable que des pouzzolanes naturelles, ou activées thermiquement, voient leur utilisation augmentée dans ces ciments, surtout dans des pays en voie de développement.
LES CIMENTS
DEFINITION
Les ciments
Les ciments sont des liants hydrauliques : ils se combinent avec 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 (1400-1500°C) de mélanges dosés de calcaire et d’argile et se présentent sous formes de poudres inodores, grises en général.
Les ciments à haute 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 à 65 MPa. 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. 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 1 mm/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 soluble 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 hydrates 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 %.
Les autres constituants principaux
Ils sont ajoutés au clinker, dans certaines proportions bien définies (supérieure à 5%), pour donner les différents types de ciments.
Laitier granulé de haut fourneau
Il est obtenu par refroidissement rapide de la scorie provenant de la fusion du minerai de fer dans un haut fourneau. Le laitier de haut fourneau doit présenter des propriétés hydrauliques latentes pour convenir à son emploi en cimenterie.
Pouzzolanes naturelles
Ce sont des produits essentiellement composés de silice, d’alumine et d’oxyde de fer, présentant soit naturellement, soit par activation thermique, des propriétés pouzzolaniques.
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Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE I ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
CHAPITRE.I CONTEXTE DE L’ETUDE
I.1 VUE GENERALE
I.2 LES EMISSIONS DE CO2
I.2.1. Les émissions de CO2 de l’industrie du ciment
I.2.2. Les émissions énergétiques
I.2.2.1 Présentation
I.2.2.2 Efficacité énergétique
I.2.2.3 Energie de substitution
I.2.2.4 Des progrès achevés
I.2.3. Emission de procédé
I.2.3.1 Présentation
I.2.3.2 Ciments mélangés
CHAPITRE.II LES CIMENTS
II.1. DEFINITION
II.1.1. Les ciments
II.1.2. Les ciments à haute résistances
II.2. LES CONSTITUANTS DU CIMENT
II.2.1. Le clinker
II.2.2. Les autres constituants principaux
II.2.2.1. Laitier granulé de haut fourneau
II.2.2.2. Pouzzolanes naturelles
II.2.2.3. Cendres volantes
II.2.2.4. Schistes calcinés
II.2.2.5. Calcaires
II.2.2.6. Fumées de silice
II.2.3. Les constituants secondaires
II.2.3.1 Les additifs
II.2.3.2 Sulfate de calcium
II.3. NORMALISATION ET CLASSIFICATION
II.3.1 Les ciments et la normalisation
II.3.2 La norme européenne EN 197-1
II.3.2.1 Désignation et marquage
II.3.2.2 Classe de résistance
II.3.3 Les ciments de la norme NF EN 197-1 (ciments courants)
II.4. CARACTERISTIQUES DES CIMENTS
II.4.1 Caractéristiques chimiques et minéralogique
II.4.1.1 Composition chimique élémentaire
II.4.1.2 Hydraulicité
II.4.1.3 Chaux de saturation
II.4.1.4 Modules et valeurs requises
II.4.1.4.1. Module de chaux MC
II.4.1.4.2. Module de silice MS
II.4.1.4.3. Module d’alumine (ou oxydique) MA
II.4.2 Caractéristiques physiques
II.4.2.1. Couleur
II.4.2.2. Finesse de mouture (NF EN 196-6)
II.4.2.3. Densités
II.4.2.4. Début de prise (NF EN 196-3)
II.4.2.5. Expansion (NF EN 196-3)
II.4.2.6. Retrait (NF P 15 433)
II.4.2.7. Eau de consistance normale
II.4.3 Caractéristiques mécaniques
II.5. DOMAINES D’UTILISATIONS
CHAPITRE.III LES AJOUTS CIMENTAIRES
III.1. LES POUZZOLANES
III.1.1. Les pouzzolanes naturelles
III.1.2. LES POUZZOLANES ARTIFICIELLES
III.1.2.1. Définition
III.1.2.2. Constituants actifs des pouzzolanes artificielles
III.1.2.3. Latérites calcinées
III.1.2.3.1. Définition
III.1.2.3.2. Constituants des latérites
III.1.2.4. CENDRE DE BALLE DE RIZ
III.2. LE CIPOLIN
III.2.1 DEFINITION
III.2.2 Caractéristiques mécaniques
III.2.3 Composition chimique et couleur
PARTIE II MODELISATION
CHAPITRE.IV PRESENTATION DE LA METHODE DES MOINDRES CARRES
IV.2.1 Construction du système d’équations
IV.2.2 Résolution du système d’équations par la méthode de Gauss
IV.2.2.1. Théorème de Gauss
IV.2.2.2. Description de la méthode
IV.2.2.3. Règle du pivot maximum
IV.2.3 Validité du modèle
CHAPITRE.V NOTION DE PROGRAMMATION ET PRESENTATION DU LOGICIEL MATLAB
V.1. DEFINITIONS
V.1.1 Programmation
V.1.2 Langage de programmation
V.2. PHASES DE CREATION D’UN PROGRAMME
V.2.1. Conception
V.2.2. Codage
V.2.3. Transformation du code source
V.2.4. Test du programme
V.3. PRESENTATION DE MATLAB
V.4. UTILISATION DE LA PROGRAMMATION
V.4.1. Manipulation du logiciel
V.4.2.1. Installation
V.4.2.2. Lancement du logiciel
V.4.2.2.1. Menu : Information
V.4.2.2.2. Menu : Modéliser et données
V.4.2.2.3. Menu : Estimer
V.4.2.3. Avantages de son utilisation
CHAPITRE.VI PRESENTATION DES RESULTATS ET DISCUSSION
VI.1. CIMENTS MELANGES AVEC UN AJOUT
VI.2. CIMENT MELANGES AVEC DU CIPOLIN
VI.3. CIMENT MELANGE AVEC DE LA POUZZOLANE
VI.4. CIMENT MELANGE AVEC LATERITE
VI.5. CIMENT AVEC DU CENDRE DE BALLE DE RIZ
VI.6. CIMENT MELANGES AVEC DEUX ET TROIS AJOUTS
PARTIE III ETUDE DE REPRODUCTIBILITE DES ESSAIS
CHAPITRE.VII ETUDE DE REPRODUCTIBILITE DES ESSAIS
VII.1. CARACTERISATION DES MATERIAUX
VII.1.1. Granulométrie sédimentometrie
VII.1.2. Poids spécifique
VII.1.3. Mesure de la masse volumique apparente ?M
VII.2. CONFECTION DES EPROUVETTES
VII.2.1. Matériels utilises
VII.2.2. Dosage
VII.2.3. Malaxage
VII.2.4. Mesure viscosité
VII.2.5. Moulages des éprouvettes
VII.2.6. Conservations des éprouvettes
VII.3. ESSAIS MECANIQUES
VII.3.1. Surfaçage : Méthode au mortier de soufre
VII.3.2. Résistance à la flexion
VII.3.3. Résistance à la compression
VII.4. LES RESULTATS
VII.5. APPLICATION DE LA MODELISATION A CES RESULTATS
VII.5.1. Ecarts entre éprouvettes cylindriques et cubiques
VII.5.2. Modélisation des résistances à la compression en fonction des teneurs en ajouts
VII.6. COMPARAISON DES RESULTATS A CEUX DU PREMIER OUVRAGE
VII.7. INTERPRETATION DES RESULTATS
VII.7.1. Les ajouts
VII.7.2. Ciments
VII.7.2.1 Type de ciment
VII.7.2.2 Classe vraie
VII.7.3. Eau de gâchage
VII.7.4. Moule
VII.7.5. Effet de forme
VII.8. CONCLUSION
CONCLUSION
