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20
Ca
Calcium
14
Si
Silicium
Produit minéral

Les ciments courants sont préparés à partir d’un mélange de calcaire et d’argile par réactions, principalement à l’état solide, vers 1450°C. Ce sont des liants hydrauliques qui font prise en présence d’eau par hydratation de leurs constituants. Ils forment ainsi une véritable roche artificielle qui présente l’avantage de pouvoir être mise en œuvre sous forme d’une pâte. Ils sont employés principalement en construction.

Données industrielles

Matières premières

Elles sont constituées d’environ 80 % de calcaire et 20 % d’argiles (silicoaluminates). Des roches naturelles, les marnes ou calcaires argileux, ont une composition qui est proche de cette proportion. Ces matières premières sont présentes partout, en France, sauf en Bretagne et dans le Massif Central. Des correcteurs, minerai de fer qui apporte Fe2O3, bauxite (Al2O3), sable (SiO2) sont ajoutés pour atteindre la composition souhaitée.

Fabrication industrielle

Principe

Les réactions entre les divers constituants ont lieu, principalement à l’état solide, vers 1450°C (c’est la clinkérisation), entre CaO, SiO2, Al2O3 et Fe2O3 dans un four rotatif légèrement incliné qui tourne à la vitesse de 1 à 3 tours/min. On obtient le clinker (voir plus loin sa composition) qui est refroidi brusquement à l’air et auquel on ajoute lors du broyage de 3 à 5 % de gypse (qui joue le rôle de régulateur de prise) et divers constituants (donnant les différents types de ciments) : laitier, pouzzolanes, cendres volantes… Ces produits ont la propriété de fixer Ca(OH)2, formé lors de l’hydratation du ciment, en donnant des composés hydratés stables. Les pouzzolanes, roches volcaniques riches (50 à 65 %) en silice amorphe réactive étaient utilisées par les romains, en présence de chaux, pour fabriquer des bétons. Les cendres volantes sont récupérées dans les centrales thermiques à charbon, les laitiers (silicoaluminates de calcium) sont issus des hauts fourneaux.

Le clinker, avant broyage, est peu réactif avec l’eau et peut ainsi être transporté sans risque.

Procédés de fabrication

Les matières premières sont finement broyées (0,1 mm) afin d’obtenir le « cru » de composition suivante :

CaCO3 60 à 70 % Al2O3 5 à 10 %
SiO2 18 à 24 % Fe2O3 1 à 5 %

On distingue 3 principaux procédés de fabrication :

  • Dans le procédé par voie sèche, la matière première (en poudre) est préchauffée à 800-1000°C par les gaz issus du four de cuisson puis, arrive partiellement décarbonatée, dans la partie haute du four de cuisson (four rotatif court de 50 à 90 m de long et 4 à 5 m de diamètre). Le temps de parcours de la matière dans le four est d’environ 1 heure. Ce procédé est le plus utilisé car il est le plus économe en énergie mais il nécessite la mise en œuvre de moyens importants de captation des poussières.
  • Dans le procédé par voie semi-sèche, la poudre est agglomérée sous forme de boulettes de 10 à 20 mm de diamètre par ajout de 12 à 14 % d’eau, séchée et préchauffée comme précédemment.
  • Dans le procédé par voie humide, la matière première est additionnée d’eau dès le broyage et manipulée sous forme de pâte fluide introduite par pompage dans des fours rotatifs longs de 100 à 200 m. Ce procédé présente l’inconvénient de consommer de 30 à 40 % d’énergie de plus que le procédé par voie sèche.

Les capacités de production peuvent atteindre 10 000 t/jour de clinker.

Consommations

En produits d’addition, en 2016, en France.

en milliers de t
Laitier de hauts fourneaux 1 498 Gypse 641
Calcaire 1 089 Cendres volantes 220

Source : Infociments

La consommation énergétique est importante (environ 1/3 du prix de revient) pour alimenter les broyeurs et chauffer les fours. En 2016, en France, l’énergie provient du coke de pétrole pour 39,1 %, du charbon pour 16,3 %, du fuel lourd pour 0,7 %, du gaz pour 0,9 %, d’autres produits (brais et divers) pour 2,1 % et des combustibles de substitution pour 40,9 % ainsi que 1 894 millions de kWh d’électricité. Les combustibles de substitution sont des déchets de diverses provenances : pneus, huiles industrielles usagées, déchets ménagers et agricoles…
En effet, les fours à ciment qui fonctionnent à haute température peuvent détruire de nombreuses molécules organiques et ils sont utilisés pour incinérer des résidus industriels ce qui par ailleurs fournit de l’énergie.

Coûts de production : répartition :

Énergie 33 % Main d’œuvre, entretien et autres 26 %
Matières premières et consommables 29 % Amortissements 12 %
Source : rapport d’activité 2012 de Lafarge

Principaux constituants du clinker

Composition indicatrice en % pondéral.
  • silicate tricalcique (C3S) : 3CaO,SiO2 : 55 %
  • silicate dicalcique (C2S) : 2CaO,SiO2 : 20 %
  • aluminate tricalcique (C3A): 3CaO,Al2O3 : 10 %
  • ferroaluminate calcique (C4AF) : 4CaO,Al2O3,Fe2O3 : 10 %
Notation des cimentiers : les composés utilisés étant en nombre réduit, sous forme, en général d’oxydes, les cimentiers utilisent une notation spécifique, plus simple que celle des chimistes, avec les lettres suivantes : A pour Al2O3, S pour SiO2, C pour CaO, F pour Fe2O3 … (voir les exemples ci-dessus).

Propriétés des ciments

Le ciment est un liant hydraulique, il fait prise par hydratation.

Principales réactions avec l’eau : elles peuvent être représentées, les coefficients stœchiométriques n’étant qu’indicatifs, par les équations chimiques suivantes :

3CaO,Al2O3 + 3 CaSO4 + 31 H2O = 3CaO,Al2O3,3CaSO4,31H2O

2 (3CaO,SiO2) + 6 H2O = 3CaO,2SiO2,3H2O + 3 Ca(OH)2

2 (2CaO,SiO2) + 4 H2O = 3CaO,2SiO2,3H2O + Ca(OH)2

Le ciment est essentiellement utilisé sous forme de béton : mélange de ciment, granulats et eau. Il forme ainsi une véritable roche artificielle qui présente l’avantage de pouvoir être mise en œuvre sous forme d’une pâte.

La libération, lors de la prise, d’hydroxyde de calcium, dénommé portlandite par l’industrie cimentière donne au ciment un pH fortement basique qui passive l’acier utilisé dans le béton armé et donc le protège de la corrosion.

Désignation des ciments

La norme NF EN 197-1 d’avril 2000 s’applique à l’ensemble des ciments courants dans l’Espace Économique Européen. Elle est entrée en vigueur le 1er avril 2001. Les ciments sont désignés par leur type et leur classe de résistance (exemples CEM I ou CEM II/ B 32,5 R).

Notations pour un ciment courant :

  • CEM I : ciment Portland
  • CEM II : ciment Portland composé
  • CEM III : ciment de haut fourneau
  • CEM IV : ciment pouzzolanique
  • CEM V : ciment composé

Les lettres A, B et C précisent la teneur en clinker des ciments courants.

  • CEM I : (pas de lettre) 95 à 100 % de clinker
  • CEM II/ A : 80 à 94 %
  • CEM II/ B : 65 à 79 %
  • CEM III/ A : 35 à 64 %, le complément étant du laitier (plus éventuellement des constituants secondaires)
  • CEM III/ B : 20 à 34 %, le complément étant du laitier (plus éventuellement des constituants secondaires)
  • CEM III/ C : 5 à 19 %, le complément étant du laitier (plus éventuellement des constituants secondaires)

Un nombre (32,5 ou 42,5 ou 52,5) indique leur classe de résistance (valeur minimale spécifiée de la résistance à la compression mesurée à 28 jours et donnée en N/mm2 ou MPa).

Les lettres N ou R donnent les classes de résistance à court terme (2 ou 7 jours). N : résistance à court terme ordinaire et R : résistance à court terme élevée.

Répartition de la production de ciments, par type : en 2016, en France :

CEM I 23,9 % Ciments spéciaux (blanc, alumineux, prompt) 3,9 %
CEM II 57,4 % Ciments divers (à maçonner…) 0,6 %
CEM III et V 11,0 % Liants géotechniques 3,1 %
Source : Infociments

Ciment blanc : il est produit à partir de matières premières les plus pauvres possible en oxyde ou sulfate de fer. En effet, c’est ce dernier qui donne principalement la couleur grise au ciment. Chaque 0,1 % d’oxyde de fer en plus réduit de 2,5 % la réflectance. Il demande lors de la fabrication du clinker une température plus élevée et un refroidissement très rapide, sous eau, afin de limiter l’oxydation du fer présent en faible quantité. Dans le monde, en 2015, il y a 48 cimenterie le produisant avec une capacité de plus de 14 millions de t/an.

Ciments alumineux fondus : notés CA, norme NF P 15-315, ils sont obtenus par fusion, à très haute température, d’un mélange de calcaire et de bauxite ferrugineuse. Pauvres en SiO2 (4 à 10 %), ils sont par contre riches en Al2O3 (40 à 45 %) et sont principalement constitués d’aluminate monocalcique (CaO,Al2O3). Ce sont des ciments à haute résistance mécanique mais d’un emploi très délicat. La prise est lente mais le durcissement est très rapide. La chaleur d’hydratation est très élevée. Les ciments alumineux de haute pureté sont préparés à partir d’alumine. Ils sont réfractaires et peuvent être utilisés jusqu’à 1200°C, alors que l’emploi des ciments Portland est limité à 350°C. Ils ne sont pas employés en construction.

Productions

En 2017. Monde : 4 100 millions de t, Union européenne, en 2016 : 169 millions de t.

en millions de t
Chine 2 400 Arabie Saoudite 63
Inde 270 Corée du Sud 59
États-Unis 86,3 Russie 58
Vietnam 78 Égypte 58
Turquie 77 Iran 56
Indonésie 66 Brésil 54
Source : USGS

Principaux pays exportateurs, en 2017, sur un total de 184,2 millions de t, en 2016 :

en millions de t
Thaïlande 13,0 Vietnam 9,7
Chine 12,9 Espagne 8,9
Turquie 12,8 Allemagne 6,6
Iran 12,7 Inde 5,7
Japon 11,9 Grèce 5,5
Source : ITC

Principaux pays importateurs, en 2017, sur un total de 181,0 millions de t :

en millions de t
États-Unis 13,6 Cameroun 5,3
Ghana 11,8 Hong Kong 5,1
Sri Lanka 9,6 Australie 4,3
Philippines 8,4 France 4,1
Bangladesh 7,7 Afghanistan 4,0
Source : ITC

Principaux producteurs mondiaux : en 2017.

en millions de t/an de capacités de production de ciment
CNBM (Chine) 525 Birla (Inde) 90,8
Anhui Conch (Chine) 335 China Resources (Chine), en 2016 81,3
LafargeHolcim (Suisse) 318,4 Taïwan Cement (Taïwan) 74,7
Heidelberger (Allemagne) 194,8 Eurocement (Russie) 60,0
Cemex (Mexique) 92,4 Votorantim (Brésil) 52,8

Source : rapports annuels des sociétés

On a assisté, en 2015, à la fusion de Holcim avec Lafarge et en 2016, à l’achat d’Italcementi par Heidelberger.

  • En 2017, les ventes de ciment et de clinker de China National Building Material (CNBM) ont atteint 289,3 millions de t, celles de béton prêt à l’emploi, de 83,9 millions de m3.
  • En 2016, les ventes de ciment et de clinker de Anhui Conch ont atteint 277 millions de t.
  • LafargeHolcim a vendu, en 2017, 209,5 millions de t de ciment, avec 271 cimenteries et stations de broyage, 278,7 millions de t de granulats avec 629 sites de production, 50,6 millions de m3 de béton prêt à l’emploi, avec 1 478 usines. Les capacités de production de ciment sont de 67,8 millions de t en Inde, 24,7 millions de t aux États-Unis, 14,8 millions de t en Indonésie, 12,6 millions de t en Algérie, 12,2 millions de t au Mexique, 10,9 millions de t en Chine, 10,9 millions de t en Malaisie, 10,8 millions de t au Brésil, 10,5 millions de t au Nigeria, 9,7 millions de t en France, 9,6 millions de t en Russie,…
  • Heidelberger, a vendu, en 2017, 125,7 millions de t de ciment, 305,2 millions de t de granulats, 47,2 millions de m3 de béton prêt à l’emploi et 9,6 millions de t d’asphalte. Exploite 33 cimenterie en Europe de l’ouest et du sud, 27 en Europe du nord, de l’est et en Asie centrale, 17 en Amérique du Nord, 16 en Asie-Pacifique, 15 en Afrique et au Moyen-Orient.
  • Cemex, a vendu, en 2017, 68,5 millions de t de ciment, 147,4 millions de t de granulats, 51,7 millions de m3 de béton prêt à l’emploi. Exploite 56 cimenterie dont 15 au Mexique, 11 aux États-Unis, 7 en Espagne,….

Recyclage

Chaque année, en France, 560 millions de t de granulats sont utilisés dans le bâtiment et les travaux publics (BTP). On estime que 25 % de ces granulats proviennent du recyclage. Ainsi, le béton issu de démolitions, trié, concassé et déferraillé est principalement utilisé dans les sous-couches routières en remplacement de granulats naturels, avec pour 1 km d’autoroute l’emploi de 30 000 t de granulats. Une utilisation dans le bâtiment est encore à l’étude.
Le BTP, génère, par an, en France, 260 millions de t de matériaux de déconstruction. L’objectif européen est de valoriser, en 2020, 70 % de ces déchets et éviter ainsi qu’ils se retrouvent en décharges.

Situation française

En 2016, avec un effectif de 4 617 personnes.

Production : 15,9 millions de t. Le plus haut niveau de production a été atteint en 1974 : 33,3 millions de t.

Production dans 41 sites industriels (cimenteries et centres de broyage). Les acteurs implantés en France sont des leaders mondiaux de l’industrie cimentière : LafargeHolcim (14), Ciments Calcia (10), Vicat (7), Eqiom (7), Kerneos (3).

1 881 centrales de béton prêt à l’emploi et 900 usines de produits en béton.

Évolution de la production française :

en tonnes
1880 100 000 t 2005 21 300 000 t
1920 800 000 t 2010 18 000 000 t
1938 3 800 000 t 2012 18 018 000 t
1954 7 400 000 t 2016 15 934 000 t
1974 33 500 000 t

Source : Infociments

Commerce extérieur : en 2017.

Exportations :

  • Clinker : 212 065 t vers les États-Unis à 49 %, le Royaume-Uni à 39 %.
  • Ciment : 668 354 t vers l’Allemagne à 74 %, le Luxembourg à 11 %, l’Italie à 9 %.

Importations :

  • Clinker : 1 195 778 t d’Espagne à 43 %, du Vietnam à 18 %, de Colombie à 15 %, des États-Unis à 7 %.
  • Ciment : 2 310 870 t de Belgique à 34 %, d’Espagne à 21 %, du Luxembourg à 15 %, d’Allemagne à 10 %, d’Italie à 6 %.

Consommation : en 2016, 17,4 millions de t, soit 269 kg/habitant/an.

Producteurs : en 2017.

  • LafargeHolcim : la capacité de production est de 9,7 millions de t/an de ciment avec 10 cimenteries, 6 centres de broyage, 106 carrières à granulats, 263 centrales à béton.
  • Ciments Calcia, filiale du groupe allemand Heidelberger : avec 9 cimenteries et un centre de broyage, 66 carrières, exploitées par GMS, 173 centrales à béton, exploitées par Unibéton. A vendu, en 2017, 5,3 millions de t de ciment. Les cimenteries sont situées à Airvault (79), Beaucaire (30), Beffes (18), Bussac (17), Couvrot (51), Cruas (07, produit du ciment blanc), Gargenville (78), Ranville (14), Villiers-au-bouin (37) et le centre de broyage à Rombas (57).
  • Vicat : possède, en France, une capacité de production de ciment de 4,6 millions de t avec 5 cimenteries et 3 usines de broyage et des ventes, en 2017, de 2,970 millions de t de ciment, exploite 40 carrières avec des ventes de 9,842 millions de t de granulats et 151 centrales à béton avec des ventes de 3,336 millions de m3 de béton. Les cimenteries sont situées à Montalieu (38), Saint Egrève (38), La Grave-de-Peille (06), Créchy (03) et Xeuilley (54). Dans le monde, le groupe est implanté dans 11 pays, avec au total 15 cimenteries et 5 centres de broyages, une capacité de production de 30,2 millions de t de ciment et une production, en 2017, de 22,9 millions de t, 70 carrières et une production de 24,4 millions de t de granulats et 248 centrales à béton et une production de 9,7 millions de m3.
  • Eqiom , filiale du groupe irlandais CRH : exploite des cimenteries à Lumbres (62), Héming (57) et Rochefort-sur-Nenon (39), 5 centres de broyage, 33 carrières et 115 centrales à béton. Dans le cadre de la fusion Lafarge Holcim, les activités de Holcim en France ont été séparées en deux. Une partie, en Alsace, avec la cimenterie Altkirch (68), 6 carrières et 15 centrales à béton est restée dans le groupe LafargeHolcim. Les autres sites, avec 3 cimenteries, 4 centres de broyage, 33 carrières et 115 centrales à béton ont été reprises par Equion.
  • Kerneos acquis, en juillet 2017, par le groupe  Imerys produit de l’aluminate de calcium, dans 3 cimenteries, à Dunkerque (59), Fos-sur-Mer (13) et Le Teil (07).

Utilisations

Consommations, en 2016. Monde : 4 000 millions de t, Union européenne : 154 millions de t.

en millions de t
Chine 2 511 Turquie, en 2014 64
Inde, en 2015 280 Indonésie, en 2014 61
États-Unis 93 Arabie Saoudite, en 2014 57
Brésil 78 Égypte, en 2014 52
Russie 73 Corée du Sud, en 2014 44
Sources : Associations de producteurs des différents pays

Un seul débouché du ciment : la construction.

En France, en 2016 :

  • 81,7 % du ciment est transporté en vrac, 18,3 % en sacs, à 88,5 % par voie routière, 6,5 % par voie ferrée, 5,0 % par voies fluviales et maritimes.
  • Il est utilisé à 60,8 % sous forme de béton prêt à l’emploi, 15,0 % sous forme de sacs, 14,7 % dans les bétons industriels, 6,5 % en vrac.
  • La production de béton prêt à l’emploi en 2016 est de 36,3 millions de m3, avec 1882 unités de fabrication.

Un logements neuf consomme environ 17 t de ciment qui représentent 2,5 % de son prix de revient.

Le barrage des 3 gorges, en Chine, de 2 309 m de long et 185 m de haut, a consommé, 27 millions de m3 de béton.

Les ciments sont utilisés couramment pour stocker les déchets nucléaires de vie courte (classe A). Ils constituent l’enrobage des déchets, en partie le matériau des conteneurs eux même stockés dans des structures en béton armé dans lesquelles sont coulées un ciment, le tout recouvert d’une dalle de béton. Les déchets nucléaires en solution dans l’eau peuvent être utilisés comme eau de prise du ciment après étude préalable des réactions ciment-déchet. En particulier, l’eau de refroidissement du circuit primaire des réacteurs à eau sous pression français contient, en solution, des ions borates (modérateurs) qui inhibent la prise du ciment. Avant stockage il est nécessaire de précipiter les ions borates à l’aide d’hydroxyde de calcium.

Bétons à hautes performances (HP) : un béton classique, pour être coulé, demande une quantité d’eau supérieure à l’eau nécessaire à la seule hydratation du ciment, le rapport E/C – eau/ciment – est compris entre 0,45 et 0,50. Lors de la prise du ciment, cette eau est chassée du béton lors de son élévation de température (les réactions d’hydratation sont exothermiques). Les pores créés par le départ de l’eau diminuent la résistance mécanique du béton.

Les bétons de hautes performances utilisent moins d’eau lors de leur mise en œuvre, avec un rapport E/C de 0,35. Des adjuvants (naphtalènes sulfonates ou dérivés mélaminés), ajoutés au béton frais, jouent le rôle de plastifiants. Ces adjuvants peuvent représenter de 2 à 4 % de la masse de ciment.

Des ajouts de fumée de silice qui ont également un effet rhéologique, permettent de fixer, en partie, la chaux libérée par l’hydratation du ciment, en donnant des silicates de calcium qui font également prise par hydratation.

La résistance à la compression à 28 jours peut ainsi passer de 30 – 50 MPa pour un béton courant à 100 – 120 MPa pour un béton d’ultra hautes performances. Outre la résistance, les bétons de hautes performances présentent divers autres avantages : leur fluidité à la mise en œuvre et leur durabilité.

Bibliographie

 

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