Tout savoir sur le ciment

Le ciment est présenté sous la forme d’une poudre minérale fine. Il forme avec l’eau une pâte qui se fige et durcit. Ce liant hydraulique permet d’agglomérer des substances variées appelées agrégat ou granulat.
De l’histoire du ciment à sa composition chimique en passant par son impact écologique, découvrez ce qu’est ce matériau de construction et quel avenir lui est réservé.

Histoire du ciment

Le mot ciment vient du latin « caementum », qui signifie mortier ou liant des maçonneries. Ce sens d’origine a été conservé en s’appliquant à ce que de nos jours nous appelons les liants hydrauliques, c’est-à-dire capables de durcir au contact de l’eau.

L’histoire du ciment du Néolithique précéramique à l’Empire Romain

La fabrication de liants par le biais d’un four à calcination est plus ancienne que l’art du potier. Déjà entre l’an 9000 et 8000 av. J.C, des sols en « terrazzo » incorporant de la chaux ont été construits en Anatolie, à Çayönü et Nevalı Çori notamment. Les mortiers retrouvés en Égypte servaient à la fabrication de plâtre pour lier les pierres. Ces mortiers auraient ensuite été améliorés par les civilisations suivantes et particulièrement les Grecs par l’ajout de chaux à de l’argile.

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Ce sont véritablement les Romains qui généralisent l’usage de la chaux comme mortier. Ils améliorent ce liant en y ajoutant des cendres pouzzolaniques (cendres volcaniques) et des briques pilées et obtiennent ainsi un liant hydraulique, intermédiaire entre une chaux et un véritable ciment. Ce liant rend possible la construction de grands ouvrages tels les arènes, les amphithéâtres, les thermes ou les aqueducs, dont certains sont encore parfaitement conservés de nos jours.

L’histoire du ciment contemporain

Le ciment ne prit son acception contemporaine qu’au XIX^e siècle :

• En 1759, l’Anglais John Smeaton produit un mortier aussi dur que de la pierre en mélangeant des chaux hydrauliques et des cendres volcaniques.
• En 1817, le Français Louis Vicat découvre les principes chimiques des ciments et définit les règles de fabrication du ciment hydraulique. Il est considéré comme l’inventeur du ciment moderne.
• En 1824, l’Ecossais Joseph Aspdin fait breveter le ciment « Portland », obtenu à partir d’un procédé de calcination combinant la cuisson de calcaire et d’argile dans des fours alimentés au charbon. La dénomination « Portland », s’explique dans sa similarité de couleur et de dureté avec la pierre de Portland située dans le sud de l’Angleterre.
• En 1872, Messieurs Dufossez et Henry établirent la première usine de production de ciment Portland à Cronfestu.
• Dès la fin du 19^ème siècle, le béton moderne à base de ciment Portland devient un matériau de construction largement répandu.

Le ciment Portland, le plus connu, mais pas le plus écologique

Si Louis Vicat est à l’origine de la production industrielle du ciment, c’est l’Ecossais Joseph Aspdin qui, en 1824, dépose le nom de Portland au ciment.

Qu’est-ce que le ciment Portland ?

Le ciment Portland est un matériau de construction réputé économique et de très bonne qualité. Suivant la norme EN 197-1, le ciment Portland est classé dans la catégorie CEM I. Polyvalent et économique, ce type de ciment est très répandu dans l’industrie de la construction. Il convient à la fabrication de béton armé comme de béton précontraint où une résistance élevée est recherchée. Il s’emploie dans pratiquement toutes les formes d’ouvrages, des hôpitaux aux résidences, en passant par les écoles, les tunnels et les aéroports.

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La fabrication du ciment Portland

Le ciment Portland est obtenu en réduisant en poudre un clinker constitué essentiellement de silicates de calcium hydrauliques. On n’y ajoute également diverses formes de sulfate de calcium (gypse ou plâtre), du calcaire et de l’eau, ainsi que divers produits d’addition au choix du fabricant.

Les matières qui entrent dans la fabrication du ciment Portland doivent contenir des proportions appropriées de chaux, de silice, d’alumine et de fer.

La composition du ciment Portland

Le ciment Portland résulte du broyage de clinker et de sulfate de calcium (gypse ou anhydrite) et éventuellement de constituants secondaires en faible quantité (inférieure à 5 %). La teneur en clinker de ce type de ciment est au minimum de 95 %.

Les impacts écologiques du ciment Portland

Les recherches au niveau de l’impact environnemental du ciment se concentre sur le clinker puisque ce constituant est responsable de la majeure partie des émissions de gaz à effets de serre liées à sa production :

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• Le clinker est produit à partir de ressources naturelles fossiles.
• Il nécessite une consommation d’énergie considérable.
• Il émet une quantité importante de dioxyde de carbone lors de son processus de fabrication.
• Il peut contenir des résidus de métaux lourds selon le degré de pureté des ingrédients.

Avec une teneur en clinker d’au moins 95 %, le ciment Portland est responsable de la majeure partie de la consommation d’énergie des cimenteries et de leur importante empreinte carbone (consommation de carbone fossile et émissions de gaz à effet de serre).

Chaque tonne de ciment produite requiert entre de 60 et 130 kg de fuel (ou son équivalent) et une moyenne de 210 kWh. Le ciment Portland représente 930 kg de CO₂ émis par tonne de ciment produite.

L’une des solutions à envisager est la substitution du clinker par du laitier granulé de haut-fourneau moulu issu de la valorisation de matériau secondaire.

Définition du laitier Ciment

Le ciment de laitier est un ciment hydraulique finement broyé produit à partir de laitier granulé de haut-fourneau, un produit du procédé de fabrication du fer.

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Le laitier de haut-fourneau comme base du ciment de laitier

Le laitier de haut-fourneau est valorisé dans la fabrication de ciment (BFS-OPC). Cette poudre blanche est obtenue par refroidissement brutal au contact de l’eau de manière à la fracturer et à la vitrifier. Le laitier peut également être coulé en fosse, où il cristallise et craquelle après un refroidissement lent : il est alors destiné aux travaux publics (ballast, enrobé bitumé, etc.).

De plus en plus employé, le laitier granulé de haut-fourneau moulu est développé soit comme composant du ciment, soit comme addition dans le béton (en substitution du ciment). Les contraintes règlementaires actuelles encadrant sa mise sur le marché garantissent son innocuité sanitaire et environnementale.

Les avantages et caractéristiques du ciment laitier

Incorporé directement au malaxeur à béton, le laitier apporte au béton une excellente durabilité et une résistance à long terme élevée.

Les avantages techniques

Le ciment de laitier permet également d’obtenir diverses caractéristiques techniques avantageuses :

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• faible chaleur d’hydratation,
• résistance au feu,
• résistance à la pénétration des ions chlorures,
• résistance aux attaques sulfatiques,
• résistance à l’alcali-réaction,
• résistance à la réaction silico-alcaline,
• résistance mécanique plus élevée,
• températures moins élevées pour les structures massives en béton,
• moins d’enrobage des armatures,
• et maniabilité améliorée.

Les avantages écologiques

Un des intérêts de l’utilisation du laitier de haut-fourneau dans la fabrication de ciment ou de béton est la réduction significative de l’empreinte carbon des produits finaux.

Vitrifié par mélange brutal avec de l’eau, le laitier se transforme en un sable

humide qui est envoyé dans les cimenteries où il peut remplacer le clinker. Nous savons par exemple que pour chaque tonne de clinker remplacée par du laitier granulé, environ une tonne de CO₂ est émise en moins dans l’atmosphère.

Dans ces bétons, le ciment Portland (liant à base de clinker qui émet des émissions de CO₂ lors de sa fabrication) est remplacé par du laitier moulu. Les bétons « bas carbone » sont donc particulièrement intéressants pour la fabrication des bétons auto plaçants, de plus en plus appréciés aujourd’hui et qui réclament de grandes quantités de liant.

Les avantages esthétiques

Le ciment de laitier est recommandé pour les bétons apparents, les bétons colorés et les bétons architectoniques, car il leur apporte clarté et durabilité.

La composition classique du ciment

La composition classique du ciment est de 80 % de calcaire et 20 % d’argile. Ces deux éléments sont broyés, cuits à très haute température (1 450 °C), puis le résultat (le clinker) est à nouveau broyé. Lors de ce second broyage, des ajouts peuvent être faits afin d’optimiser certaines caractéristiques comme la prise et les mécaniques du ciment.

Les cinq types de ciment et leur composition

On distingue cinq types de ciments, selon les constituants utilisés et leurs proportions.

• Le Ciment Portland contient au minimum 95 % de clinker et au maximum 5 % de constituants secondaires.
• Les Ciments Portland composés contiennent un élément autre que le clinker (et parfois plusieurs) : fumée de silice (limitée à 10 %), laitier, pouzzolane, schistes calcinés, cendres volantes issues des centrales thermiques. Ces autres constituants représentent maximum 35 % du mélange et participent à la mise en œuvre d’une écologie industrielle sur les territoires en créant des synergies entre les industries.
• Le ciment de haut-fourneau de catégorie A ou B, contient entre 20 et 64 % de clinker et 36 à 80 % de laitier de haut-fourneau. Le ciment de haut-fourneau de catégorie C contient quant à lui entre 5 et 19 % de clinker et au minimum 81 % de laitier.
• Le ciment pouzzolanique (non fabriqués en France) est composé de 65 à 89 % de clinker dans sa version A et de 45 à 64 % dans sa version B. Ce type de ciment n’est pas fabriqué en France.
• Les ciments composés contiennent de 20 à 64 % de clinker, de 18 à 50 % de cendres volantes et de 18 à 50 % de laitier de haut-fourneau.

Des normes de référence décrivent avec précision la composition de chaque type de ciment.

La chimie du ciment

La communauté scientifique a créée une notation abrégée dite « notation cimentière » afin de désigner les différentes phases cimentières. Elle consiste à utiliser l’initiale des oxydes à la place des symboles chimiques classiques :

• C pour CaO (Chaux),
• S pour SiO₂ (silice),
• A pour Al₂O₃ (alumine),
• M pour MgO (Oxyde de magnésium ou périclase)
• et F pour Fe₂O₃ (hématite).

La fabrication du ciment

Le constituant principal du ciment classique et le clinker. Il est obtenu à partir de la cuisson à 1 450 °C du cru qui est composé à 80 % de calcaire et 20 % d’argile.

Les matières premières

Le constituant principal du ciment classique et le clinker. Il est obtenu à partir de la cuisson à 1 450 °C du cru qui est composé à 80 % de calcaire et 20 % d’argile.

La compositions chimiques usuelles des matières premières du cru :

Les procédés

Les matières premières sont extraites de carrières généralement à ciel ouvert.

Elles sont ensuite concassées de manière à obtenir des éléments de 50 mm maximum.
Lors de la préparation du cru, les matières premières intimement mélangées dans des proportions définies peuvent faire l’objet de corrections, notamment en incorporant de faible quantité d’aluminium ou de fer, selon les besoins.

Il existe quatre techniques différentes de mélange du cru :

1. voie sèche,
2. semi-sèche,
3. semi-humide
4. et humide.

Les installations de cuisson comportent deux parties :

1. Un échangeur de chaleur dans lequel le cru progresse jusqu’à l’entrée du four et se réchauffe au contact des gaz chauds sortant des fours (CaCO₃ se décarbonate en partie).
2. Un four horizontal rotatif cylindrique de 60 à 90 m de long et de 4 à 5 m de diamètre. La température maximale atteinte est de 1 450 °C, ce qui correspond à la « zone de clinkérisation ». Le temps de parcours est d’environ 1h.

À ce stade deux facteurs importants sont à respecter :

1. La température atteinte : au moins de 1 450 °C
2. et le refroidissement brusque à la sortie du four afin d’éviter la transformation de C3S en C2S.