Plan: Fabrication & chimie du ciment / Ecologie (bilan CO2, Energie) / Plus&Divers (Durabilité, recyclage, Histoire, Sources)
Sources: http://lebeton.free.fr/ciment.html + voir /www.ciments-calcia.fr (fabrication), wiki
* La base
calcaire + argiles =/broyage/=> poudre ("cru") =/cuisson 1450°C/=> "clinker" =/ajout d'eau/=> ciment durci
*Chimiquement
-Le clinker se forme à partir de carbonate de Ca (env.80%) (apportés par du calcaire broyé) qui sont decarbonatés + d'oxides de Si (env.10%) Al (5%) et Fe (env.2.5%) (apportés par des argiles broyées) qui sont déshydratés puis fondues:
A partir de 650°C, CaCO3 → CaO + CO2 : formation de chaux vive, qui à partir de 1300-1900°C* se lie à la Silice (SiO2 + CaO → silicate bicalcique Ca2SiO4, et s'il reste du CaO, → silicate tricalcique (Ca3SiO5).
Il y a déshydratation des argiles puis réactions similaires pour les Al2O3, Fe2O3:
Oxyde de fer (Fe2O3) + alumine (Al2O3) + oxyde de calcium (CaO) → aluminoferrite tétracalcique (Ca4Al2Fe2O10).
Ces aluminates fondant plus rapidement, dès 1300°C, se lient aussi à la lsilice, et favorisent celle des carbonates qui en phase liquide opèrent bien à 1450°C (sinon, cas de la clinkerisation à sec, il faudrait atteindre la fusion de la silice cad 1900°C).
Le clinker contient alors 45-80% & 6-30% de Silicates tri & bi-calciques, 1-15% & 2-16% d'aluminate tri & bi-calciques, et 0.6-2.8% de Chaux vive libre.
-on ajoute au clinker refroidi 3 à 5% de gypse (CaSO4, 2(H2O)) afin d’apporter des sulfates qui ralentiront la prise du ciment , et on broie finement.
-le durcissement s.l.: réaction avec l'eau
.phase dormante (pendant le gâchage, 1-4H): l'eau se charge en ions, jusqu'à saturer: alors, c'est la
.prise: Ca3AlxOx +H2O +SO4 => ettringite: les aluminates tricalciques, très réactifs avec l'eau, mais calmés par le sulfate du gypse, font une réaction exothermique qui précipite des aiguilles d'ettringite, augmentant brutalement la viscosité. l'ettringite re-réagira...
puis Ca2SiO4 et Ca3SiO5 + H2O => SiO2-4 + Ca(OH)2 : réaction lente produisant des cristaux hexagonaux de Portlandite (ou chaux eteinte)
et Silice + Chaux vive + eau => CSH: Silicates de Calcium Hydratés: (CaO)x(SiO4)y(H2O)z avec 0.6 < x/y (ex1.7) < 2 et 1 < z (ex 4) < 4 +/- amorphes
au final: il se forme majoritairement des cristaux de Portlandite (et un peu d'ettringite), noyés dans un gel de CSH.
.le durcissement se poursuit +s mois (tout le gypse et l’ettringite finissent par disparaître et le CSH comble peu à peu toutes les porosités du ciment)
La moyenne européenne de consommation de ciment était en 2004 de 528 kg par habitant, avec des disparités importantes: 1 221 kg pour le Luxembourg, 192kg en Suède.
*Bilan énergétique: un matériau énergivore, à la fabrication, au transport
-il faut 3 200 et 4 200 kJ de chauffage par tonne de clinker, et ? KJ pour les broyage (rdt déplorable, dixit wiki; il faut même refroidir) (ou encore plus pour le broyage très fin ECM -Energetically Modified Cement- qui permet d'ajouter divers minéraux et donc réduire de 50% la qté nécessaire de ciment)
Au total, 60 à 130 kg de fioul, ou une moyenne de 110 kWh par tonne de ciment.
-investissement pour la fabrication (four): 150 millions d’euros investi pour une tonne de ciment (équivaut à trois ans de chiffre d’affaire).
-couts de démolition: usuellement non comptés... aux frais de la nature (dégradation en >1000ans?). Pour les bétons techniques, il est compté sur une durée de vie pas si longue! 75ans pour des ponts en béton, 50ans pour des centrales nucléaires... les couts de démantèlement intègrent éventuellement la déconstruction du bâti, partielle, mais bien sur pas la déstructuration du ciment ...
Le coût du transport est important pour ce produit pondéreux: le coût du produit équivaut au cout de transport par route sur 300 km (25 t de charge utile par camion), ou au cout de transport bateau transatlantique.
*Bilan carbone: la fabrication mondiale du ciment est responsable de 5-10% du CO2 émis sur terre...
due pour 40 % au carburant pour chauffer la roche calcaire, et 60 % à la décarbonatation de cette roche lors du chauffage. Ces 60% ne sont pas compensés par, la prise du ciment, qui se fait à l'eau, donc ne refixe pas de CO2 contrairement à la prise de la chaux aérienne qui fixe la même quantité de CO2 que celle émise lors de la décarbonatation. L'empreinte carbone du ciment est plus forte dans des pays plus fabricants de ciments que constructeurs mais exportateurs (?France), et au détriment des pays peu constructeurs en ciment (sous développés, Suéde (bois), ...)
La lutte contre la pollution ne passerait elle pas par le remplacement du ciment par le bois ou la pierre quand c'est adapté?
Durabilité du ciment/béton/infrastructures
*Durée de vie des ouvrages en béton
Les ouvrages en béton paraissent résister des centaines d'années... néanmoins ils sont prévus techniquement pour être exploités des dizaines d'années, car ils accusent en effet un vieillissement naturel non visible pour le néophyte, et des points de fragilité, très variables selon les exigences techniques, les conditions d'exposition et usage (sels, chlorures, alcalinité; décarbonatation,.. ) et la notion de risque. Exemples
- le pont de Millau est prévu pour durer 120 ans, mais seulement 78ans d'exploitation, en raison des contraintes mécaniques importantes
- les centrales nucléaires sont prévues pour 30-40ans seulement, notamment en raison des risques de fuite radioactive du aux microfissures, mais aussi de résistance en cas d'attaque aérienne
- les immeubles d'habitation peuvent durer des 10n à des plus de 100ans, mais le plus souvent sont consolidés, ou détruits avant pour obsolescence. Combien d'habitation restent debout et fonctionnels depuis premiers bétons modernes, à comparer aux maisons en bois (de 30 à 400ans selon la construction, le climat, le risque termites - depuis le 17/18em pour les maisons a colombage)
http://www.cement.ca/fr/Structures-en-beton.html Association of cement Canada: ++ pour usages, infrastructure: indique comme moyenne 75ans de durée de vie.
Article sur l'obsolescence du bâtiment
Recyclage du béton/ciment
On recycle les produits de démolition : béton, enrobés, bordures de trottoir, etc. Pour le béton, on obtient ce que l'on appelle des GR (graves de recyclage), des gravillons voire du sable. Ces matériaux sont principalement utilisés en remblais et en couche d'assise des nouvelles routes (pour les graves). Autres usages: ?pour fabriquer des enrobés.
Au final, il ne s'agit pas d'un recyclage de béton, mais d'une valorisation des sous produits sous forme de matériaux récupérés.
Traiter le béton de démolition a un coût (évacuation, déferraillage, enlèvement du plâtre éventuel, etc.) sans compter le désamiantage (souvent) et la démolition elle-même. Pour prendre un exemple, concernant les prix de matériaux en carrière, une GNT 0/31,5 (matériau commun pour le remblai de tranchée ou pour l'assise d'une chaussée) "naturelle" coûtera environ 12 € / tonne + la TGAP (taxe générale sur les activités polluantes, 0,20 € / tonne en 2010) alors que le même matériau recyclé coûte 9 € / tonne en moyenne et sans la taxe. Ce sont des prix pratiqués autour de Nice, ça peut varier mais c'est dans cet ordre de grandeur. L'économie est donc importante (un m3 de GNT pèse déjà 1,7 tonnes) !! A moduler avec le bilan global de l'opération, entre les coûts supplémentaires de traitement, les économies réalisées ensuite lors du rachat des recyclés, et le bilan environnemental. Mais au final c'est la filière Travaux Publics qui récupère les matériaux de la filière Bâtiment.
Pas mal d'infos dans ce pdf (datant de 2003) : http://www.ile-de-france.equipement.gou … 0e6a79.pdf
Histoire du ciment: cf wiki
Le ciment aurait été inventé par les Egyptiens (chaux + argile), puis les Grec d'Italie qui y ont ajouté de la pouzzolane, l'anglais qui invente le ciment prompt "romain", le francais Vicat 1817 qui a compris décrit et amélioré la chose mais pas breveté, les anglais qui ont breveté ca, Vicat 1840 qui fixe la cuisson actuelle a 1450°C des ciments modernes, puis Lafarge qui lui pique le marché...
Divers, et sources
Un article de S&A 2010 - on arrive à faire un ciment qui devient aussi résistant que l'acier.
http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/60443.htm
dit que la structure en désordre du CSH fait la résistance du ciment; Analogie ou projet d'un ciment qui deviendrait une "pierre liquide"
http://iramis.cea.fr/ComScience/Phases/phases_15/p15article1.html
un article de 1996 qui décrit bien la réaction du C3S avec l'eau en CSH
L'article sur wikipedia est bien aussi pour la structure, mais surtout pour l'histoire depuis les égyptiens, puis les romains (ont mélangé avec de la pozzolane). Le francais Vicat qui affiné la cuisson, puis les anglais qui l'ont breveté (ciment Portland), les francais qui l'ont récupéré...