Ciments courants

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 :

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 jusqu’à 20 000 t/jour de ciment.

Consommations

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

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 1^er 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 2022, en France :

Ciment blanc : il est produit à partir de matières premières les plus pauvres possible en oxyde ou sulfate de fer. En effet, ce sont principalement ces derniers qui donnent 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 2023. Monde : 4 100 millions de t, Union européenne, en 2022 : 183 millions de t.

Production de clinker dans l’Union européenne : en 2022, sur un total de 108,598 millions de t.

Source : Eurostat

Commerce international :

Principaux pays exportateurs de ciment Portland normal, en 2022, sur un total de 107,3 millions de t, en 2019 :

Les exportations turques sont destinées principalement aux États-Unis à 51 %, à Israël à 18 %, à la Syrie à 8 %.

Principaux pays exportateurs de clinker, en 2022, sur un total de 102,160 millions de t, en 2019.

Source : ITC

Les exportations turques sont destinée à la Côte d’Ivoire à 16 %, à la Belgique à 8 %, à la République Dominicaine à 8 %, à l’Espagne à 7 %, au Ghana à 7 %.

Principaux pays importateurs de ciment Portland normal, en 2022 :

Les importations des États-Unis proviennent principalement de Turquie à 35 %, du Canada à 16 %, de Grèce à 11 %, du Mexique à 10 %.

Principaux pays importateurs de clinker, en 2022.

Source : ITC

Les importations chinoises proviennent principalement du Vietnam à 87 %, de Corée du Sud à 6 %, du Japon à 5 %.

Principaux producteurs mondiaux : en 2021.

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 2022, avec un effectif de 4 300 personnes.

Production : 16,791 millions de t. Le plus haut niveau de production a été atteint en 1974 : 33,3 millions de t. La production de clinker est de 12,074 millions de t.

Production dans 45 sites industriels (cimenteries et centres de broyage). Les acteurs implantés en France sont des leaders mondiaux de l’industrie cimentière : LafargeHolcim (16), Ciments Calcia (10), Vicat (8), Eqiom (8), Imerys (3).

1 928 centrales de béton prêt à l’emploi et 900 usines de produits en béton.

Évolution de la production française :

Commerce extérieur : en 2023.

Exportations :

• Clinker : 148 031 t vers les États-Unis à 73 %, le Royaume Uni à 24 %.
• Ciment : 204 003 t vers les États-Unis à 51 %, le Royaume Uni à 24 %, la Belgique à 19 %, l’Allemagne à 3 %.

Importations :

• Clinker : 2 074 080 t d’Algérie à 35 %, d’Irlande à 21 %, du Maroc à 16 %, de Turquie à 11 %, d’Espagne à 6 %, d’Arabie Saoudite à 5 %.
• Ciment : 2 448 305 t de Belgique à 34 %, d’Espagne à 24 %, du Luxembourg à 10 %, du Vietnam à 7 %, d’Italie à 6 %.

Consommation : en 2022, 19,147 millions de t, soit 292 kg/habitant/an.

Producteurs :

• Holcim : 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/an avec 5 cimenteries et 2 usines de broyage et des ventes, en 2021, de 3,202 millions de t de ciment, exploite 45 carrières avec des ventes de 10,861 millions de t de granulats et 151 centrales à béton avec des ventes de 3,517 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 12 pays, avec au total 16 cimenteries et 5 centres de broyages, une capacité de production de 35 millions de t/an de ciment et une production, en 2021, de 28,141 millions de t, 72 carrières et une production de 24,0 millions de t de granulats et 267 centrales à béton et une production de 10,5 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, 52 carrières et 121 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 2017. Monde : 3 967 millions de t, en 2018, Union européenne : 154 millions de t.

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.
• En 2022, il est utilisé à 62 % sous forme de béton prêt à l’emploi, 13 % dans les bétons industriels, 12 % par les négociants, 4 % en vrac par les entreprises, 4 % par les mortiéristes, 2 % par les grandes surfaces de bricolage.
• La production de béton prêt à l’emploi en 2021 est de 40,2 millions de m³, avec 1850 unités de fabrication.

Le béton prêt à l’emploi : en 2021, la production mondiale est de 9,42 milliards de m³, celle de l’Union européenne de 260 millions de m³.

Source : Global Cement Magazine

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.

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