La composition du ciment silicaté peut être classée en matières premières pour la production de clinker de ciment silicaté, de gypse et de matériaux mixtes.
(1) Composition des matières premières du clinker de ciment silicaté
Le clinker de ciment silicaté comprend des matières premières de chaux, des matières premières d’argile et de la poudre de minerai de fer.
Les matières premières de la chaux sont le calcaire naturel, le tuf et les coquillages, qui fournissent principalement du CaO dans le ciment ; les matières premières de l’argile sont principalement de l’argile (ou du schiste, du mudstone, du siltstone et de la boue de rivière), dont le composant principal est SiO₂, suivi d’Al₂O₃ et d’une petite quantité de FezO₃ ; la poudre de minerai de fer est de l’hématite, dont la composition chimique est Fe₂O₃, qui compense principalement le manque de fer dans l’argile. Dans les matières premières du ciment, la teneur des différents composants doit répondre aux exigences suivantes.
CaO 62%～67%
SiO₂ 20%～24%
Al₂O₃ 4%～7%
Fe₂O₃ 2.5%～6.0%
(2) Gypse
Lors de la fabrication du ciment, il faut ajouter une quantité appropriée de gypse pour retarder la prise du ciment. Dans le ciment au silicate et le ciment au silicate ordinaire, le gypse joue principalement un rôle de retardateur. Dans le ciment contenant une grande quantité de matériaux mélangés, le gypse joue également un rôle dans la stimulation de l’activité des matériaux mélangés. Le gypse ajouté au ciment est principalement du sulfate de calcium anhydre naturel.
(3) Matériaux mélangés
Afin d’améliorer les performances du ciment, d’ajuster la résistance du ciment, d’augmenter la production de ciment et d’élargir la variété de ciment, les différentes matières minérales qui doivent être ajoutées lors de la production de ciment sont appelées matériaux mixtes. Les matériaux mélangés peuvent être divisés en deux catégories : les matériaux mélangés actifs et les matériaux mélangés inactifs.
Les matériaux mixtes actifs se réfèrent aux matériaux minéraux ayant des propriétés hydrauliques ou de cendres volcaniques potentielles ou à la fois des propriétés de cendres volcaniques et des propriétés hydrauliques. Les propriétés des cendres volcaniques font référence à la propriété d’un matériau qui, après avoir été réduit en poudre fine, n’a pas de propriétés hydrauliques seules, mais peut former un composé hydraulique après avoir été mélangé avec de la chaux et de l’eau à température ambiante. Les types courants de matériaux mixtes actifs comprennent le laitier granulé de haut fourneau, les matériaux mixtes de cendres volcaniques et les cendres volantes. Le laitier granulé de haut fourneau est un produit fondu dont les principaux composants sont le silicate et l’aluminate de calcium. Après trempe dans l’eau et granulation, sa composition chimique est principalement composée de CaO, Al2O2 et SiO2, représentant plus de 90 % de la masse totale. Il contient également une petite quantité de MgO, de Fe2O2 et quelques sulfures. Lorsqu’il est trempé et granulé, le laitier forme un corps vitreux instable et possède des propriétés hydrauliques potentielles. Les scories refroidies lentement ne sont pas hydrauliques.
Les matériaux mixtes à base de cendres volcaniques désignent les matériaux minéraux naturels ou artificiels présentant les caractéristiques des cendres volcaniques. Ils peuvent être divisés en trois catégories :
·hydrous matériaux silicatés (terre de diatomée, diatomite)
·burnt matériaux argileux (argile brûlée, scories de charbon, cendres volantes)
·volcanic matériaux à base de cendres (cendres volcaniques, tuf).
Les cendres volantes sont des déchets industriels provenant des centrales thermiques. Il s’agit d’un résidu à grains fins provenant des chaudières à charbon. Elles sont principalement composées de SiO₂ et d’Al₂O₃, contiennent une petite quantité de CaO et présentent les caractéristiques des cendres volcaniques.
Les matériaux mixtes inactifs sont des matériaux mixtes qui n’ont pas de dureté hydraulique potentielle ou dont l’indice d’activité de la qualité ne répond pas aux exigences spécifiées. Les variétés les plus courantes sont le laitier lentement refroidi, le sable de quartz broyé et la poudre de calcaire. Ce type de matériau mélangé est ajouté au ciment principalement pour jouer un rôle de remplissage, ce qui peut augmenter la production de ciment, réduire la chaleur d’hydratation et la résistance, et avoir peu d’effet sur les autres propriétés du ciment.
(4) Composition minérale et exigences de performance du clinker de ciment silicaté
Le clinker de silicate est un matériau cimentaire hydraulique dont le principal composant minéral est le silicate de calcium. Il est obtenu en broyant des matières premières contenant principalement du CaO, SiO₂, Al₂O₃ et Fe₂O₃ en poudre fine selon des proportions appropriées et en les brûlant jusqu’à ce qu’elles soient partiellement fondues.
En fonction de ses principales caractéristiques et utilisations, le clinker de ciment silicaté peut être divisé en trois catégories : usage général, résistance moyenne au sulfate, chaleur d’hydratation moyenne et résistance élevée au sulfate.
Les normes de qualité du clinker de ciment silicaté sont strictes, ce qui garantit sa fiabilité et ses performances. Le temps de prise ne doit pas être inférieur à 45 minutes et la prise finale ne doit pas être supérieure à 6,5 heures. La stabilité est testée et qualifiée à l’aide de la méthode d’ébullition. La résistance à la compression doit satisfaire ou dépasser les exigences du tableau 2-11. Il est important de noter qu’il est strictement interdit à tous les types de clinker de silicate-ciment de contenir des matières étrangères, ce qui garantit sa pureté et sa consistance.
Coagulation et durcissement du ciment silicaté
Après l’ajout d’une quantité appropriée d’eau à la pâte de ciment, celle-ci, sous l’effet de ses propres modifications physiques et chimiques, devient progressivement plus épaisse et perd de sa plasticité, mais n’a pas encore de résistance. Ce processus est appelé “coagulation” du ciment. Au fil du temps, sa résistance continue de se développer et d’augmenter, se transformant progressivement en une substance dure semblable à de la pierre, la pierre de ciment. Ce processus est appelé “durcissement” du ciment. La coagulation et le durcissement du ciment sont des processus de changement physique et chimique continus et complexes qui ne peuvent être séparés.
(1) Hydratation du ciment silicaté
L’ajout d’eau au ciment entraîne une réaction dynamique. Les minéraux du clinker contenus dans le ciment réagissent rapidement avec l’eau, un processus connu sous le nom d’hydratation et d’hydrolyse. Cette réaction n’est pas seulement transformatrice, elle est aussi dynamique, générant une série de nouveaux composés et dégageant une quantité importante de chaleur. La réaction se déroule comme suit :
2(3CaO-SiO₂)+6H₂O=-3CaO-2SiO₂-3H₂O+3Ca(OH)₂
2(2CaO-SiO₂)+4H₂O=3CaO-2SiO₂ -3H₂O+Ca(OH)₂
3CaO-Al₂O₃+6H₂O==3CaO-Al₂O₃-6H₂O
4CaO-Al₂O₃-Fe₂O₃+7H₂O
3CaO-Al₂O₃-6H₂O+CaO-Fe₂O₃-H₂O
3CaO-Al₂O₃-6H₂O+3(CaSO₄-2H₂O)+19H₂O
3CaO-Al₂O₃-3CaSO₄-31H₂O
En résumé, après la réaction du silicate-ciment avec l’eau, les principaux hydrates sont le silicate hydraté, le gel de ferrite de calcium hydraté, l’hydroxyde de calcium, l’aluminate de calcium hydraté et les cristaux de sulfoaluminate de calcium hydraté. Ces produits d’hydratation déterminent une série de propriétés de la pâte de ciment.
(2) Processus de prise et de durcissement du ciment silicaté
Lorsque le ciment est mélangé à l’eau, une réaction d’hydratation se produit immédiatement à la surface des particules de ciment. Cette réaction est cruciale car elle initie le processus. Les produits d’hydratation se dissolvent dans l’eau, un milieu essentiel pour la réaction. Les particules de ciment exposent alors une nouvelle couche de surface et continuent de réagir avec l’eau, de sorte que la solution autour des particules de ciment devient rapidement une solution saturée en produits d’hydratation. Cette saturation est un point important du processus. Lorsque la solution a atteint la saturation, les produits générés par l’hydratation continue du ciment ne peuvent plus se dissoudre et de nombreuses particules fines dispersées précipitent pour former un gel. Cette formation de gel est une étape critique. Au fur et à mesure que la réaction d’hydratation se poursuit, les nouvelles particules colloïdales continuent d’augmenter et l’eau libre continue de diminuer, ce qui rend le gel progressivement plus épais et la pâte de ciment perd peu à peu sa plasticité, c’est-à-dire qu’il y a coagulation. Cette coagulation est un changement majeur dans le processus. Ensuite, l’hydroxyde de calcium et l’aluminate de calcium hydraté présents dans le gel se transforment progressivement en cristaux, traversent le gel et se combinent étroitement pour former une pâte de ciment présentant une certaine résistance. Cette formation de cristaux est un développement important. Au fur et à mesure que le temps de durcissement se prolonge, la partie non hydratée à l’intérieur des particules de ciment continue à s’hydrater, de sorte que les cristaux augmentent progressivement, le gel devient progressivement dense et la pâte de ciment a un pouvoir d’adhérence et une résistance de plus en plus élevés. Cette augmentation de la résistance est un résultat clé. En outre, lorsque le ciment se solidifie et durcit à l’air, l’hydroxyde de calcium formé par l’hydratation de sa surface réagit avec le dioxyde de carbone présent dans l’air pour former une fine couche de carbonate de calcium (CaCO₃), appelée carbonatation.
Le processus ci-dessus montre que la réaction d’hydratation du ciment pénètre progressivement de la surface des particules vers la couche interne. Elle commence plus rapidement. Par la suite, en raison de la formation d’un film de gel à la surface des particules de ciment, l’eau a de plus en plus de mal à pénétrer et l’hydratation devient de plus en plus lente. La pratique a prouvé qu’il faut plusieurs années, voire des décennies, pour achever l’ensemble du processus d’hydratation et d’hydrolyse du ciment. Il s’agit d’un délai important. En général, le ciment s’hydrate et s’hydrolyse rapidement au cours des 3 à 7 premiers jours, de sorte que sa résistance augmente plus rapidement. Il s’agit de la phase initiale rapide. La partie fondamentale de ce processus peut être achevée dans les 28 jours. C’est le premier mois. Ensuite, le processus ralentit considérablement et l’augmentation de la résistance est également extrêmement lente. C’est le stade lent à long terme.
