D’après la définition donnée par la norme NF EN 197-1 :
« Le ciment est un liant hydraulique, c’est-à-dire un matériau minéral finement moulu qui, gâché avec de l’eau, forme une pâte qui fait prise et durcit par suite de réactions et de processus d’hydratation et qui, après durcissement conserve sa résistance et sa stabilité, même sous l’eau. ».
Ainsi, ce liant dit “hydraulique” permet d’agglomérer des substances variées appelées agrégats ou granulats.Le ciment est fabriqué par un cimentier.
Processus de fabrication du ciment
On comptabilise au total 15 étapes qui peuvent intervenir dans le processus de fabrication du ciment :
| 1. Carrières (calcaire, argile) | 9. Cuisson |
| 2. Extraction des matières premières | 10. Refroidissement |
| 3. Acheminement | 11. Stockage du clinker |
| 4. Concassage | 12. Ajouts |
| 5. Pré-homogénéisation | 13. Broyage du ciment |
| 6. Broyage du cru | 14. Stockage dans des silos à ciment |
| 7. Filtrage | 15. Expédition |
| 8. Préchauffage | 16. Analyses des prélèvements |
Les matières premières pour fabriquer du ciment
Le composant principal du ciment classique est le clinker. Il est obtenu à partir de la cuisson d’un mélange de calcaire (environ 80 %) et d’argile (environ 20 %) appelé “cru”.
Compositions chimiques usuelles des matières premières du cru :
| Argile | Calcaire | Cru type | |
| SiO2 | 60.5 | 2.2 | 14.3 |
| Al2O3 | 17.8 | 1.1 | 3.0 |
| Fe2O3 | 6.8 | 1.1 | 3.0 |
| CaO | 1.6 | 52.7 | 44.4 |
| MgO | 3.1 | 0.7 | 0.6 |
| S | <0.1 | ||
| SO3 | 0.2 | <0.1 | 0.1 |
| Perte au feu | 6.7 | 42.4 | 35.9 |
| K2O | 2.6 | 0.3 | 0.5 |
| Na2O | 0.7 | 0.1 | 0.1 |
| Total | 100 | 100.6 | 101.9 |
| CaCO3 | 94.1 | 79.3 |
Les étapes de la fabrication du ciment
La fabrication du ciment repose sur 7 étapes principales :
Étape 1 : L’extraction des matières premières
Les matières premières qui entrent dans la fabrication du ciment sont extraites de carrières (à ciel ouvert) à partir de roche calcaire, de craie, de schiste ou d’argile. Ces minéraux naturelles sont prélevées des parois rocheuses à la pelle mécanique, par ripage au bulldozer ou par abattage à l’explosif. Elles sont ensuite acheminées par dumper vers le hall de concassage à l’entrée de la cimenterie qui est construite à proximité.
Dès cette première étape, la roche est échantillonnée en continu à chacune des étapes de transformation de la matière pour déterminer la quantité des divers ajouts nécessaires (oxyde de fer, alumine, silice, etc.).
Étape 2 : La préparation du cru :
À ce stade, les matières premières préalablement concassées (en éléments de 80 mm maximum) sont pré-homogénéisées, séchés puis broyées mécaniquement. D’autres minéraux sont en général ajoutés afin de corriger la composition chimique du mélange. Ce premier broyage permet de produire une fine poudre, c’est le “cru de ciment”.
Pour produire un ciment de qualité, toutes les matières premières doivent être soigneusement dosées et mélangées. Mais si elle peut varier d’une cimenterie à l’autre en fonction de la qualité du gisement, la composition du cru reste dans des proportions bien définies :
| Composant du cru | Proportion |
| Carbonate de calcium (CaCO3) | 77 à 83 % |
| Silice (SiO2) | 13 à 14 % |
| Alumine (Al2O3) | 2 à 10 % |
| Oxyde de fer (Fe2O3) | 1,5 à 5 % |
Le cru peut également être obtenu avec d’autres matières comme les laitiers ou les pouzzolanes. Le recours à ces matières alternatives aide à préserver les ressources naturelles.
Étape 3 : La cuisson :
Après avoir été homogénéisé et broyé une première fois, le cru est filtré puis porté à haute température dans un système de cuisson en deux parties :
- Le cru est déversée dans un échangeur de chaleur dans lequel circulent en sens inverse les gaz très chauds qui s’échappent du four. La matière progresse jusqu’à l’entrée de ce dernier où la température avoisine les 800°C. Ce préchauffage permet ainsi de faire débuter le processus de décarbonatation.
- Le cru pénètre ensuite dans un four à calcination rotatif, horizontal (légèrement incliné de 3°) et cylindrique de 60 à 90 m de long et de 4 à 5 m de diamètre. Ce mode de cuisson permet d’acheminer progressivement la matière à contre-courant des gaz chauds grâce à une lente rotation de 1 à 3 tour/min. Le four est en général alimenté de coke de pétrole ou de charbon broyé. Mais une part croissante de l’énergie vient également de combustibles de substitution, issus de la valorisation de résidus d’autres industries ou de déchets triés et sélectionnés des collectivités. Le temps de parcours de la matière peut varier entre 20 minutes et 1 heure, selon les techniques de production employées. L’intérieur des fours est en général revêtu de briques réfractaires, ce qui permet d’atteindre une température de 1 450°C et de déclencher un phénomène physico-chimique appelée la “clinkérisation” (des différents oxydes). Cette réaction explique en partie la contribution importante des cimenteries au réchauffement climatique.
Étape 4 : Le refroidissement
Dès la sortie du four, les granules incandescentes doivent être brusquement refroidis. On obtient alors des grains solides, il s’agit du clinker dont voici la composition :
| Composant | Formule | Min. | Max. |
| Alite (silicate tricalcique) | Ca3SiO5 | 45.0 % | 79.7 % |
| Bélite (silicate bicalcique) | Ca3SiO4 | 5.7 % | 29.8 % |
| Aluminate tricalcique | Ca3Al2O6 | 1.1 % | 14.9 % |
| Aluminoferritetétracalcique | Ca4Al2Fe2O10 | 2.0 % | 16.5 % |
| Chaux libre | CaO | 0.6 % | 2.8 % |
Le clinker est ensuite transporté vers d’immenses silos de stockage.
Étape 5 : Les ajouts
Cette étape consiste à doser les différents constituants du ciment. Ainsi, plusieurs types de ciment peuvent être créés selon les produits ajoutés, appelés “adjuvants”. En général, une petite quantité de plâtre (3 à 5 %) et de gypse sont ajoutées au clinker afin de réguler les caractéristiques de prise du ciment. Si le clinker constitue en général l’élément de base du produit fini, notamment pour les ciments Portland, il peut néanmoins être mélangé et broyé avec d’autres minéraux industrielles ou naturelles :
-
- le laitier de haut-fourneau (pour obtenir un ciment écologique),
- des cendres volantes de centrales électriques au charbon (aux propriétés pouzzolaniques),
- des fillers (matières souvent très fines généralement à base de calcaire),
- différentes formes de sulfate de calcium (gypse, anhydrite) qui peuvent être utilisés pour réguler le temps de prise du ciment, notamment pour faciliter sa mise en oeuvre.
Ces constituants de substitution permettent de limiter les émissions de CO2 et de créer des ciments dotés de propriétés variées.
Étape 6 : Le broyage
Le clinker enrichi de ses ajouts est ensuite broyé de façon à obtenir une poudre homogène et très fine : le ciment. Lors de cette étape les cimentiers utilisent traditionnellement un broyeur à boulets. Mais de nouvelles techniques de broyage sont désormais disponibles, comme par exemple les broyeurs à rouleau et les broyeurs verticaux. Ces nouvelles machines permettent de réduire la consommation d’électricité, un autre facteur important de l’impact climatique de cette activité.
Étape 7 : L’expédition
Enfin, le ciment est stocké dans des silos avant d’être expédié aux chantiers de construction, soit en vrac dans des camions-citernes, soit dans des sacs conditionnés.
Étape 8 : Le contrôle qualité
Des échantillons sont automatiquement prélevés à chacune des étapes de la transformation de la matière. Ils sont systématiquement analysés depuis la salle de contrôle où s’affichent toutes les informations.
Les méthodes de fabrication du ciment
Il existe quatre méthodes de production de ciment différentes, selon la technique employée lors du mélange du cru :
La fabrication du ciment par voie humide
La fabrication du ciment par voie humide est la méthode la plus ancienne, la plus simple, mais aussi la plus énergivore.
Le calcaire et l’argile sont broyés finement et malaxé avec une grande quantité d’eau de façon à former une pâte assez liquide (28 à 42 % d’eau). On brasse énergiquement cette pâte dans des bassins de 8 à 10 m de diamètre, dans lesquels tourne un manège de herses.
La pâte est ensuite stockée dans de grands bassins de plusieurs milliers de mètres cubes, où elle est continuellement malaxées. Le cru peut être corrigé chimiquement avec des additions appropriées de calcaire ou d’argile notamment.
Une fois homogénéisée, cette pâte est ensuite introduite à l’entrée d’un four rotatif, chauffé à son extrémité par une flamme intérieure pouvant atteindre les 2 000°C. Ce procédé consomme beaucoup de combustible pour évaporer l’eau excédentaire ; c’est la raison pour laquelle on lui préfère d’autres méthodes de fabrication.
La fabrication du ciment par voie semi-humide
La fabrication du ciment par voie semi-humide est une dérivée de la voie humide. Elle commence comme la précédente, mais avant d’être introduite dans le four, la pâte est débarrassée d’une partie de son eau grâce à des filtres-presses.
La fabrication du ciment par voie sèche
Ce procédé de fabrication du ciment est le plus utilisé de nos jours. Le cru est d’abord homogénéisé et éventuellement corrigé chimiquement par l’apport de bauxite, oxyde de fer ou autres matériaux fournissant le complément d’alumine et de silice requis. Puis, il est séché et finement broyé de sorte à obtenir une poudre appelée la “farine”. Cette dernière est ensuite acheminée depuis le silo d’homogénéisation, vers l’étape de préchauffage et jusqu’au four proprement dit.
La fabrication du ciment par voie semi-sèche
La méthode de fabrication du ciment par voie semi-sèche est une dérivée de la voie sèche. Sa particularité réside dans une manipulation supplémentaire : la farine est transformée en “granules” par humidification dans de grandes assiettes rotatives inclinées avant d’être introduite dans le four.