Le ciment dans le béton armé

Bruno Caillard

Provenance du ciment

Pour le béton armé, le ciment CPA est actuellement le produit le plus répondu sur le marché.
Le CPA c’est le produit de calcination d’un mélange approprié de calcaire et d’argile. On les appelle ciment portland artificiel parce que en durcissant ils prennent l’aspect d’une roche naturelle existant sur l’île appelée Portland en Angleterre.

Fabrication du ciment CPA

Les CPA sont obtenus à partir d’un mélange soigneusement dosé de calcaire et d’argile, dans les cimenteries qui sont par définition des usines de transformation de roche naturelle en roche artificielle.

Le principe général

  • on procède à une préparation de matières premières : celles-ci sont fournies par les carrières en gros morceau et avec leur humidité naturelle ;
  • on concasse ces matières premières à l’aide de concasseurs dont la grosseur du produit est d’environ 40 à 60 mm ;
  • ces matières premières sont séchées puis broyées dans des appareils jusqu’à être réduit à l’état de farine avec une grosseur de grain de l’ordre de 90 µ ;
  • ces farines sont ensuite emmagasinées dans des silos car :
    • il importe de posséder une certaine réserve. Les fours peuvent fonctionner sans arrêt alors que les broyeurs ne fonctionnent que par intermittence,
    • dans les silos il y a des mélangeurs spéciaux assurant l’homogénéisation,
  • les farines sont ensuite envoyées dans les fours, la cuisson se fait à partir de mélange convenable de cette farine incombustible et de l’eau en utilisant un combustible par exemple le coke. La température de cuisson du ciment est d’environ 1350 à 1400°C.
  • le coke est un combustible obtenu par distillation de charbon ayant les propriétés suivantes : pouvoir calorifique élevé, le coke ne donne pas de cendre.
  • le produit de cuisson est appelé clinker et se présente sous la forme de nodules très dur de densité élevée et de couleur grisâtre. Le clinker est stocké pendant un certain temps, il est ensuite broyé après addition de gypse à hauteur de 2% qui sert de retardataire de prise. {(Gypse : CaSO_{3}-2H_O)}


Schéma d’une usine de cimenterie
Usine de cimenterie


Formation du ciment

  1. Début de cuisson, température 100 à 500°C : il y a déshydratation, l’argile perd toute son eau.
  2. La température augmente jusqu’à 1000°C : le calcaire perd son acide carbonique et se transforme en chaux selon la réaction :

    CaCO3 \mapsto CaO + \nearrow{CO_{2}}

  3. Clinkerisation, température à 1100°C et plus : la chaux vive va entrer en réaction chimique avec les constituants de l’argile.
  4. Trempe : Il faut refroidir, la celite est ce qui donne la résistance à court terme au clinker et s’hydrate rapidement et provoque le début de prise. Le {C_{3}S} (Alite) est ce qui améliore la résistance à moyen et à long terme au clinker car il s’hydrate plus lentement. Le {C_{4}AF} (Ferrite) intervient très peu dans les phénomènes de prise et de durcissement c’est ce qui donne au clinker la couleur grise.

Les constituants de l’argile :

  • Silice : {SiO_{2}-S}
  • Ferrique : {Fe_{2}O_{3}-F}
  • Alumine : {Al_2O_{3}-A}
  • Calcite : CaO-C}

Voici les combinaisons :

  • {SiO_{2}-3CaO = C_{3}S} : Silicate tricalcique : Alite
  • {SiO_{2}-2CaO = C_{2}S} : Sicalite bicaltique : Belite
  • {Al_{2}O_{3}-3CaO = C_{3}A} : Aluminate tricalcique : Celite
  • {Al_{2}O_{3}-Fe_{2}O_{3}-4CaO = C_{4}AF} : Alumino ferrite tetracalcique : Ferrite}

On montre que :

{C_{2}S + C \rightleftharpoons C_{3}S}

Une mauvaise trempe entraine une diminution d’obtention du ciment (cause : réaction réversible C_{3}S\longrightarrowC_{2}S + C (Chaux vive))

Normes

Il existe des normes relatives à tous les ciments susceptibles de recevoir à prendre le nom de CPA.
Ces normes entres autres sont :

  • la classe de résistance en fonction de la résistance à 28 jours,
  • la catégorie avec constituant secondaire ou sans constituant secondaire.

La classe de résistance
Concernant la classe de résistance du CPA, on définit 4 types de ciments :

A durcissement normal

  • CPA 250
  • CPA 325

A durcissement rapide

  • CPA 400
  • CPA 500


Les CPA 400 et CPA 500 sont des ciments portland artificiel, toutefois, les conditions de cuisson et de refroidissement sont modifiées afin d’obtenir des caractéristiques particulières.

Le CPA 400 contient une proportion plus importante d’aluminate tricalcique, il contient un peu de chlorure de calcium qui accélère leur durcissement. Il a une grande finesse de mouture.

Le CPA 500 a une teneur en chaux très élevé de l’ordre de 68%. Il faut une cuisson plus élevée au moins égales à 1500°C et comme pour le CPA 400 une grande finesse de mouture.

Finesse de mouture : la finesse de mouture intervient sur la résistance du ciment. On montre que plus la finesse de mouture est grande, plus la résistance mécanique du ciment est améliorée. Cette finesse de mouture a aussi un grand inconvénient pour la mise en œuvre car il faut beaucoup d’eau qui vont entrainer un grand retrait du béton.

Caractéristiques mécaniques des ciments

Ceux-ci sont déterminés par rapport à la résistance à la compression du ciment à 2, 7, et 28 jours conformément à la norme. Ces résistances doivent être au moins égales aux valeurs indiquées ci-après.

Résistance à la compression et à la traction par flexion (bar)
Désignation Compression à 2 jours Traction à 2 jours Compression à 7 jours Traction à 7 jours Compression à 28 jours Traction à 28 jours
CPA 250--1603525050
CPA 325--2104032555
CPA 400160353155540065
CPA 500200403556050070

Le ciment de loin le plus utilisé en béton armé est le ciment 325. Actuellement aussi appelé CPA 42.5.