L’Élémentarium
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.
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.
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.
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 :
Les capacités de production peuvent atteindre jusqu’à 20 000 t/jour de ciment.
En produits d’addition, en 2016, en France.
| Laitier de hauts fourneaux | 1 498 | Gypse | 641 | |
| Calcaire | 1 089 | Cendres volantes | 220 |
Source : Infociments
En 2018, la consommation mondiale de gypse par l’industrie cimentière est de 160,8 millions de t, à 55,8 % naturel et 44,2 % synthétique.
La consommation énergétique est importante (environ 1/3 du prix de revient) pour alimenter les broyeurs et chauffer les fours. En 2018, en France, l’énergie provient du coke de pétrole pour 40,0 %, du charbon pour 13,7 %, du fuel lourd pour 0,3 %, du gaz pour 1,4 %, d’autres produits (brais et divers) pour 3,1 % et des combustibles de substitution pour 41,8 % ainsi que, en 2016, 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 % |
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.
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 :
Les lettres A, B et C précisent la teneur en clinker des ciments courants.
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 2018, en France :
| CEM I | 22,1 % | Ciments spéciaux (blanc, alumineux, prompt) | 4,0 % | |
| CEM II | 57,5 % | Ciments divers (à maçonner…) | 0,5 % | |
| CEM III et V | 12,7 % | Liants géotechniques | 3,1 % |
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.
En 2019. Monde : 4 100 millions de t, Union européenne, en 2017 : 175,1 millions de t.
| Chine | 2 200 | Iran | 60 | |
| Inde | 320 | Russie | 57 | |
| Vietnam | 95 | Brésil | 55 | |
| États-Unis | 89 | Corée du Sud | 55 | |
| Égypte | 76 | Japon | 54 | |
| Indonésie | 74 | Turquie | 51 |
Commerce international :
Principaux pays exportateurs de ciment Portland normal, en 2019, sur un total de 107,6 millions de t :
| Vietnam | 10,135 | Pakistan | 3,944 | |
| Turquie | 9,868 | Trinidad et Tobago | 3,928 | |
| Japon | 5,835 | Canada | 3,911 | |
| Thaïlande | 5,149 | Allemagne | 3,600 | |
| Chine | 4,971 | Grèce | 3,170 |
Les exportations vietnamiennes sont destinées principalement aux Philippines à 41 %, à la Chine à 20 %, à l’Afrique du Sud à 7 %.
Principaux pays exportateurs de clinker, en 2019, sur un total de 94,158 millions de t.
| Vietnam | 21,446 | Émirats Arabes Unis | 5,337 | |
| Turquie | 11,617 | Arabie Saoudite | 5,054 | |
| Thaïlande | 8,566 | Japon | 4,472 | |
| Indonésie | 5,807 | Iran | 3,352 | |
| Corée du Sud | 5,440 | Espagne | 2,757 |
Source : ITC
Les exportations vietnamiennes sont destinée à la Chine à 68 %, au Bangladesh à 16 %, à Taipei chinois à 7 %.
Principaux pays importateurs de ciment Portland normal, en 2019 :
| États-Unis | 12,733 | Hong Kong | 2,984 | |
| Philippines | 4,869 | Sri Lanka | 2,898 | |
| Singapour | 4,477 | France | 2,518 | |
| Surinam | 3,902 | Libye | 2,345 | |
| Ouzbékistan | 3,236 | Chine | 1,977 |
Les importations des États-Unis proviennent principalement du Canada à 31 %, de Turquie à 24 %, de Grèce à 14 %, de Chine à 9 %.
Principaux pays importateurs de clinker, en 2019.
| Chine | 22,743 | Comores | 3,585 | |
| Bangladesh | 17,407 | Côte d’Ivoire | 3,071 | |
| Ghana | 5,221 | Cameroun | 2,137 | |
| Philippines | 3,961 | Koweït | 2,118 | |
| Australie | 3,940 | Taipei chinois | 1,914 |
Source : ITC
Les importations chinoises proviennent principalement du Vietnam à 67 %, de Corée du Sud à 10 %, de Thaïlande à 8 %.
Principaux producteurs mondiaux : en 2019.
| CNBM (Chine) | 521 | China Resources (Chine) | 104,5 | |
| LafargeHolcim (Suisse) | 356 | Cemex (Mexique) | 93,1 | |
| Anhui Conch (Chine) | 335 | Taiwan Cement (Taipei chinois) | 74,7 | |
| Heidelberger (Allemagne) | 187,8 | CRH (Irlande) | 63,3 | |
| Ultra Tech Cement (Inde) | 114,8 | Votorantim (Brésil) | 52,8 |
Sources : Global Cement et rapports annuels des sociétés
On a assisté, en 2015, à la fusion de Holcim avec Lafarge, en 2016, à l’achat d’Italcementi par Heidelberger et en 2018, à la fusion des groupes chinois CNBM et Sinoma.
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.
En 2018, avec un effectif de 4 525 personnes.
Production : 16,537 millions de t. Le plus haut niveau de production a été atteint en 1974 : 33,3 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).
1 881 centrales de béton prêt à l’emploi et 900 usines de produits en béton.
Évolution de la production française :
| 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 | 2018 | 16 537 000 t |
Source : Infociments
Commerce extérieur : en 2019.
Exportations :
Importations :
Consommation : en 2018, 18,580 millions de t, soit 298 kg/habitant/an.
Producteurs : en 2018.
Consommations, en 2017. Monde : 3 967 millions de t, en 2018, Union européenne : 154 millions de t.
| Chine | 2 386 | Vietnam | 60 | |
| Inde | 284 | Corée du Sud | 57 | |
| États-Unis | 97 | Russie | 55 | |
| Turquie | 75 | Égypte | 54 | |
| Indonésie | 66 | Brésil | 54 |
Un seul débouché du ciment : la construction.
En France :
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.