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Département des Sciences Chimiques
Filière d’Ingénieur : « Génie des Matériaux »
Stage effectué à Ciment du Maroc
Période de stage : du 05/08/2013 au 13/09/2013
Rapport de stage
Réalisé par : Encadré par :
Soukaina Ajouguim M. DAKHTARI (Responsable du service qualité)
M. EL MAMOUN (Chef du laboratoire)
Optimisation du taux de cendres volantes
dans le ciment
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 2
Sommaire Pages
Remerciement ……………………………………………………………………..
Introduction ……………………………………………………………………….
I. Présentation de l’usine (Ciments du Maroc Marrakech)…………………….
I.1. Italcementi Group………………………………………………..
I.2. L’usine de Marrakech (Ciments du Maroc)…………………….
I.2.1. Organisation de l’usine……………………………...
I.2.2. Les produits de l’usine………………………………
II. Etude bibliographique…………………………………………………………
II.1. L’histoire du ciment……………………………………………...
II.2. Les matières premières…………………………………………..
III.3. Les principaux ajouts…………………………………………...
II.3.1. Le gypse……………………………………………...
II.3.2. La pouzzolane naturelle……………………………
II.3.3. Les cendres volantes………………………………..
II.4. Processus de fabrication du ciment (à l’usine de Marrakech)...
II.4.1. Abattage en carrière………………………………..
II.4.2. Concassage usine …………………………………...
II.4.3. Stockage et préhomogénéisation…………………...
II.4.4. Reprise du tas……………………………………….
II.4.5. Broyage de la matière crue…………………………
II.4.6. Homogénéisation……………………………………
II.4.7. La cuisson……………………………………………
II.4.8. Refroidissement et dépoussiérage…………………
II.4.9. Broyage de la matière cuite………………………...
II.4.10. L’expédition………………………………………..
III. Partie expérimentale…………………………………………………………..
III.1 Dosage de la chaux libre dans le clinker..……………………..
III.1.1 Principe……………………………………………..
III.1.2 Mode opératoire……………………………………
III.2 Préparation des échantillons …………………………………...
III.3 Analyse chimique par fluorescence X des différents ciments
préparés………………………………………………………………..
III.3.1 Principe……………………………………………...
III.3.2 Mode opératoire…………………………………...
III.4 Essais mécaniques …………………………………..
III.4.1 Préparation du mortier…………………………….
III.4.2 Confection des éprouvettes (Norme EN 196-1) …
III.4.3 Essai de flexion……………………………………...
III.4.4 Essai de compression………………………………
IV. Résultats et interprétation : …………………………………………………
IV.1 Dosage de la chaux libre dans le clinker ……………..
IV.2 Analyse chimique par fluorescence X…………………
IV.3 Résistance à la compression……………………………
IV.4 Interprétation…………………………………………
Conclusion …………………………………………………………………
Référence …………………………………………………………………..
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Soukaina Ajouguim 3
Remerciement
Il serait injuste de ma part de commencer la rédaction
de mon présent rapport sans exprimer mes vifs
remerciements témoignage de mes profondes affections pour
ceux qui de près ou de loin m’a adressé l’expression de leur
avis et opinions.
Mes gratitudes, et mes remerciements s’adressent tout
d’abord à mes encadrants Mr. DAKHTARI et Mr. EL
MAMOUN, ainsi pour Mlle Badiaa Neggaz, Mr abdelhak
zagriri, Mr Abdefettah, Mr Rachid Belgamra, pour tous leurs
conseils et de m’avoir incité à travailler en mettant à ma
disposition ces expériences et ces compétences qu’elles m’ont
procurés afin de réussir ce travail.
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 4
Introduction :
Actuellement la concurrence exige à l’entreprises d’accroitre sa compétitivité pour
améliorer sa position dans le marché, cette amélioration peut prédominer soit la production,
soit le prix, soit la qualité du produit.
La production du ciment est de plus en plus complexe, parce qu'elle n'est plus
seulement aujourd'hui du clinker, ce résultat de la cuisson à 1450°C d'un mélange composé de
calcaire et d'argile. La demande s'est affinée et les produits se sont par conséquent diversifiés.
Et pour faire face à ces évolutions, les dirigeants de l’entreprise ont toujours un
besoin d’amélioration de la production et d’optimisation de ses procédés de fabrication avec
un engagement absolu pour assurer la sécurité des personnes et le respect de l’environnement.
C’est la raison pour laquelle CIMENTS DU MAROC cherche de plus en plus à réduire
l’utilisation du clinker dans les ciments ainsi qu’à augmenter la consommation des déchets
industriels (CV, pneus…), en restant sur la limite de la résistance favorable, et en contribuant
de manière simple et économique à résoudre les problèmes liés à l'environnement.
Comme on sait les cendres volantes peuvent être utilisées comme des ajouts qui
peuvent améliorer les propriétés du ciment, pour cela ce présent rapport a pour but de faire
une optimisation sur le taux des cendres volantes possible à mettre dans la composition du
ciment.
Dans une première partie du présent rapport, on commencera par une présentation
générale de l’Italcementi Group et de l’usine de Marrakech (Ciments du Maroc) où j’ai
effectué mon stage. Une étude bibliographique sur le ciment fera l’essentiel d’une deuxième
partie, puis elle sera suivie par la partie expérimentale et les résultats expérimentaux obtenus.
Sur une avant-dernière partie, on s’étalera sur les différentes interprétations et conclusions
faites à la base des résultats expérimentaux. Et la dernière partie sera, par ailleurs, consacrée à
une conclusion exposant les principaux résultats dégagés.
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 5
I. Présentation de l’usine (Ciments du Maroc Marrakech) [1]
I.1. Italcementi Group
Un des tout premiers acteurs mondiaux dans les matériaux de construction, Italcementi
Group est né du rapprochement de deux sociétés dont l’expérience cimenterie remonte à plus
d’un siècle : Italcementi fondé en 1864 et Ciment Français en 1881.
Le Groupe est aujourd’hui présent dans 19 pays à travers le monde incluant Italie,
France, Belgique, Maroc, Espagne, Turquie, Canada, Etats-Unis, Grèce, Bulgarie,
Kazakhstan, Thaïlande, Inde, Egypte, Sri Lanka, Mauritanie, Albanie, Chypre et Gambie.
Le dispositif industriel de groupe Italcementi comporte :
 60 cimenteries et 14 centres de broyage ;
 154 carrières de granulats ;
 547 centrales de Béton Prêt à l’Emploi.
Ci-dessous, une présentation d’ITALCEMENTI GROUP au Maroc :
Figure 1: ITALCEMENTI GROUP au Maroc
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 6
I.2. L’usine de Marrakech (Ciments du Maroc)
Ciments du Maroc-Marrakech est une société opérant dans le marché national du
ciment, se situant à 46 km de la ville de Marrakech, près du village M’zoudia.
L’usine dispose d’une carrière dont les réserves sont suffisantes pour alimenter la
cimenterie pendant 40 ans à une cadence annuelle de production dépassant 1.000.000 tonnes
par an.
I.2.1. Organisation de l’usine
L’effectif du personnel atteint actuellement plus de 270 personnes dont 21 cadres
organisés dans les trois départements :
 Département administratif ;
 Département maintenance ;
 Département production.
En plus, l’usine possède un laboratoire et un service de qualité en liaison directe avec
la direction.
Ci-après est illustré l’organigramme de l’usine de Marrakech :
Figure 2 : Organigramme de l’usine de Marrakech (Ciments du Maroc)
Directeur de l’usine
M. BOUKIOUD
Département
Administratif
Comptabilité Personnel
Social CDG
Département
Production
Fabrication Carrière
Expédition Gestion
Département
Maintenance
Méthodes Réalisation
Magasin
Responsable
commercial
Responsable
qualité
Responsable achat
Responsable
sécurité et env
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 7
I.2.2. Les produits de l’usine
L’usine fournie trois catégories de ciments :
 Le Ciment portland CPJ 35 :
Le CPJ 35 est un ciment portland composé, résultant de la mouture de Clinker (à
65%), avec complément un ou plusieurs constituants secondaires tels que les fillers,
pouzzolane ou les cendres définis par la NM 10.1.004. Le CPJ 35 est destiné à être utilisé
pour réaliser des bétons non armé ou faiblement armé, comme mortier ou comme béton de
résistance mécanique moyenne ou peu élevée.
 Le Ciment portland CPJ 45 :
Le CPJ 45 est un ciment portland composé, résultant de la mouture de Clinker (à
70%), avec en complément un ou plusieurs constituants secondaires tels que les fillers,
pouzzolane ou les cendres définis par la NM 10.1.004. Le CPJ 45 est destiné à être utilisé
pour réaliser un béton fortement sollicité (pour les structures porteuses et les fondations), pour
réaliser un béton armé courant, pour réaliser des éléments préfabriqués en béton armé ou non
armé (poutres, poutrelles, éléments de grande surface, buses, hourdis) ou pour réaliser des
travaux spéciaux tels que les barrages ou des ouvrages de génie civil industriel.
 Le Ciment portland CPJ 55 :
Le CPJ 55 est un ciment portland composé, résultant de la mouture de Clinker avec en
complément un ou plusieurs constituants secondaires tels que les fillers, pouzzolane ou les
cendres définis par la NM 10.1.004. Sa haute résistance le destine aux utilisations en béton
armé pour les grands ouvrages ou le génie civil.
II. Etude bibliographique
II.1. L’histoire du ciment [2]
Les débuts du ciment remontent aux Egyptiens qui avaient utilisé la chaux grasse,
obtenue par cuisson de roches de calcaire à une température avoisinant les 1000 °C, suivie
d’une extinction du produit obtenu (la chaux vive), avec de l’eau, pour obtenir l’hydroxyde de
chaux.
Son durcissement se faisait par carbonatation à l’air suivant les réactions :
CaCO3 CaO + CO2
CaO + H2O Ca(OH)2
Ca(OH)2 + CO2 CaCO3
Cependant ce sont les Romains qui ont fait véritablement du ciment en y ajoutant une
matière volcanique : la pouzzolane. Ils ont ainsi mis au point un matériau qui, à température
normale est mélangé avec de l’eau, durcissait par hydratation et devenait, après sa prise,
insoluble dans l’eau. C’est ce matériau qui est le premier liant hydraulique, c’était l’ancêtre du
ciment. Il est resté, cependant, peu utilisé durant de longs siècles, concurrencé par deux
matériaux bien connus : la chaux et la brique. Le premier est à base de calcaire, le deuxième
est à base d’argile.
En 1759, John SMEATON effectua plusieurs essais sur le ciment et reconstruit le
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 8
phare d’Eddystone en Cornouailles qui dura 126 ans avant son remplacement. D’autres
personnes firent des expériences sur le ciment dans la période entre 1756-1830 comme Vicat,
Lesage en France et Parker Frost en Angleterre.
En 1824, Joseph ASPDIN, maçon à Leeds en Angleterre, prit un brevet sur un ciment
hydraulique qu’il appela Ciment Portland, car il ressemblait beaucoup à la pierre provenant de
l’Ile Portland au large de la côte britannique. Sa méthode consistait en un dosage précis des
proportions d’argile et du calcaire, à pulvériser, ensuite à cuir le mélange pour obtenir le
clinker qui était alors broyé pour devenir du ciment.
II.2. Les matières premières
Bien que les ciments sont fabriqués à partir de matières premières différentes et
parfois par des procédés différents, tous les clinkers, à partir desquels sont obtenus ces
ciments, contiennent les composés essentiels suivants : silicate tricalcique, silicate bicalcique,
aluminate tricalcique et alumino-ferrite tétra-calcique, respectivement notés C3S, C2S, C3A
et C4AF, cette notation est utilisée uniquement dans le secteur cimentier, le tableau suivant en
donne l’illustration : (tableau 1)
Nomenclature Symbole chimique Symbole cimentier
Oxyde de calcium CaO C
Oxyde de silice SiO2 S
Oxyde d’aluminium Al2O3 A
Oxyde de fer Fe2O3 F
Tableau 1 : Tableau illustratif des symboles cimentiers
III.3. Les principaux ajouts
Les matières d’additions ajoutées avec le clinker au niveau du broyage dans l’usine de
Marrakech sont : le gypse, la pouzzolane et les cendres volantes.
II.3.1. Le gypse
Une fois le clinker est sorti du four, il faut ensuite le broyer très finement et très
régulièrement avec environ 5 % de gypse CaSO4 dont le rôle est de « régulariser » la prise.
II.3.2. La pouzzolane naturelle
La pouzzolane naturelle est un produit généralement d’origine volcanique, ou des
roches sédimentaires, présentant des propriétés pouzzolaniques. Elle est essentiellement
composée de silice réactive (dans des proportions supérieures à 25%), et d’alumine et d’oxyde
de fer. L’ajout de la pouzzolane avec le clinker à l’étape du broyage (de 0 à 10%), permet
d’augmenter et fixer l'hydroxyde de calcium en présence d'eau.
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 9
II.3.3. Les cendres volantes
La cendre volante est obtenue à partir de charbon. Elle se forme quand le charbon
broyé en une fine poussière est calciné dans une centrale thermique à plus de 1 200 °C. Dans
ce processus fusionnent principalement les grains de poussière minérale de la gangue du
charbon. Ils sont véhiculés dans le flux de gaz brûlé et sont séparés dans les électro-filtres de
la centrale thermique en vue d'une utilisation ultérieure en tant que matériau de construction.
Les cendres volantes se composent pour l'essentiel de silicium, d'aluminium et d'oxyde de fer.
La substitution d’une partie du ciment Portland par de la cendre volante, résulte en un
impressionnant éventail de retombées bénéfiques :
 Un béton plus durable : le béton, constitué d’un mélange de granulats (sable, pierre),
de ciment et d’eau tire sa résistance de la réaction du ciment avec l’eau, pour la formation
d’une matrice rigide qui lie les diverses composantes. Or la réaction du ciment Portland avec
l’eau génère de la chaux; si le béton est poreux et qu’il est exposé à des environnements
agressifs, la chaux pourra réagir avec les agents agresseurs et altérer l’intégrité du béton.
La cendre volante a la capacité de réagir avec la chaux libérée lors de l’hydratation du
ciment Portland et d’incorporer cette chaux dans des produits d’hydratation qui deviennent
partie intégrale de la matrice cimentaire. Cette dernière est alors moins sensible aux agents
agressifs.
 Une réduction de gaz à effet de serre : le ciment Portland est issu de la cuisson (~1450
°C) d’un mélange de minéraux broyés, principalement du calcaire, de la silice, de l’argile et
de l’oxyde de fer. Dans le four, le calcaire est converti en chaux et en CO2 qui est libéré dans
l’atmosphère. Si on tient compte du CO2 généré par les combustibles utilisés pour la cuisson,
la production de 1,0 tonne de ciment conduit à la génération de ~0,8 tonne de CO2. Ainsi,
chaque tonne de ciment que l’on remplace par la cendre volante réduit de 0,8 tonne nos
émissions de GES.
 Une économie d’énergie : la production du ciment Portland nécessite d’importantes
quantités d’énergie, notamment pour l’extraction et le traitement des matières premières, la
cuisson de ces matières, et le broyage des minéraux issus de la cuisson (clinker) et du gypse.
Au total, la production d’une tonne de ciment nécessite près de 5 milliards de Joules (5 GJ),
ce qui correspond à 1,4 mégawatt/heure (MWh).
L’utilisation de cendre volante en remplacement du ciment diminue l’énergie
consommée en proportion directe du degré de substitution.
 Ouvrabilité améliorée : la forme sphérique de la cendre volante donne à la pâte une
grande plasticité et permet de réduire la teneur en eau du mélange.
 Réduction du ressuage : le béton aux cendres volantes n’a besoin que d’une faible
quantité d’eau pour assurer son ouvrabilité. Par conséquent, il en résulte moins de ressuage.
 Pompabilité accrue : grâce à ses particules sphériques, la cendre volante agit comme
un minuscule roulement à billes, diminue la friction interne et rend le mélange plus facile à
pomper.
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 10
II.4. Processus de fabrication du ciment (à l’usine de Marrakech) [3]
Plusieurs voies de fabrication du ciment existent, notamment la voie humide et la voie
sèche. Et c’est ce dernier qui est le plus dominant aujourd’hui et celui que nous retenons ici.
Les principales étapes de la fabrication du ciment sont la préparation du cru
(composition et mélange des matières premières), la transformation de celui-ci en clinker par
procédé de cuisson, et finalement la transformation du clinker en ciment.
II.4.1. Abattage en carrière
Pour réduire le coût du transport des matières premières, les cimenteries sont
construites à proximité des carrières de calcaire et d’argile ou de marne argileuse. L’usine de
Marrakech est alimentée par deux carrières : La carrière de M’zoudia et d’Ighoud.
La carrière se compose de plusieurs zones et chaque zone se compose de plusieurs
gradins à exploiter à ciel ouvert. Les minerais sont récoltés suite à des explosions maîtrisées et
acheminés par dumper vers le hall de concassage pour réduire les blocs de matière première.
Figure 3 : Photo d’abattage en carrière (M’zoudia) du calcaire par les explosifs
II.4.2. Concassage usine
Après l’extraction de la matière, cette dernière passe par un concasseur principal B de
type « Giratoir » entraîné par un moteur électrique et muni d’une trémie de réception puis la
matière passe par un crible, qui sélectionne les grains dont le diamètre est supérieur à 45mm
pour les recycler en les passant par deux concasseurs secondaires, L et M qui ont le même
rôle que le principal, en vue d’un concassage plus fin.
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 11
Figure 4 : Processus de concassage des matières premières
II.4.3. Stockage et préhomogénéisation
Les carrières travaillent de manière discontinue, il est donc nécessaire de constituer
des stocks de la matière provenant des concasseurs garantissant ainsi le besoin du circuit de
matière. Un appareil mécanique permet de construire un tas de sections trapézoïdales dans un
hangar autour d’une colonne centrale sous forme de couches circulaires superposées de
calcaire et de marne.
Figure 5 : Processus de stockage et préhomogénéisation
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 12
II.4.4. Reprise du tas
Elle est assurée par un système comprenant des herses et une chaîne à raclettes. La
reprise se fait en nombreuses tranches transversales, perpendiculairement au sens de la
dépose, de façon à recouper toutes les couches. Chaque tranche représente ainsi un échantillon
moyen de l’ensemble du tas de mélange.
Figure 6 : Système de reprise du tas
II.4.5. Broyage de la matière crue
Les broyeurs crus ont pour fonction de réduire les matières provenant de la pré-
homogénéisation à la finesse requise pour la cuisson. Le broyeur mélange aussi initialement
les différents minéraux et les ajouts. Á la fin du processus de broyage, la matière quitte le
broyeur, d’une part par un organe de décharge, d’autre part par l’air afin de la diriger vers un
séparateur qui sélectionne les particules selon leurs grosseurs, les fines sont orientées vers les
silos d’homogénéisation tandis que celles insuffisamment broyées sont recyclées dans le
broyeur.
c
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 13
Figure 7 : Processus de broyage de la matière crue
II.4.6. Homogénéisation
Un grand silo reçoit de la farine produite par le broyeur, celle-ci est déversée par le
haut et distribuée par un réseau de transfert en pattes d’araignée sur le périphérique du silo
jusqu’au deux tiers de sa hauteur. La farine passe ensuite, par le fond du silo, dans une
chambre de mélange où se passe une homogénéisation instantanée par air choc.
Figure 8 : Processus d’homogénéisation
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 14
II.4.7. La cuisson
La farine homogénéisée entre dans un four rotatif où s’effectue l’étape la plus
importante de sa transformation. L’alimentation en farine se situe à l’extrémité opposée du
brûleur, la rotation et l’inclinaison du four font progresser la matière. Autrement, on peut
commenter le processus de cuisson de la manière suivante : L’entrée du four, la
décarbonatation de la farine se poursuit et s’achève au fur et à mesure que la farine avance
dans le four, elle monte en température ce qui permet la formation du clinker (la matière de
base pour la fabrication du ciment).
Figure 9 : Etape de la cuisson
II.4.8. Refroidissement et dépoussiérage
Une fois que le clinker sort du four à une température très élevée (de l’ordre de
1000°C), deux opérations doivent être effectuées :
- Une première opération de nature économique qui consiste à récupérer la chaleur après
refroidissement par soufflage d’air et la renvoyer à la tour échangeur. A la fin du
refroidissement, le clinker obtenu se présente sous forme de nodules gris foncés de
température de l’ordre de 60°C plus la température ambiante.
- Une seconde opération de dépoussiérage pour éviter l’envolement des poussières
formées lors du concassage du clinker après son refroidissement. En effet, CIMENTS DU
MAROC adopte des systèmes d’aspiration de haute puissance placés aux points d’émission et
qui se trouvent entre le refroidissement et le stockage du clinker.
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 15
II.4.9. Broyage de la matière cuite
Le broyage du clinker avec des ajouts s’effectue dans des broyeurs horizontaux, de
petites quantités de produits chimiques peuvent être ajoutées pour éviter l’agglomération et
pour faciliter le broyage et l’écoulement de la matière fine. Ce sont des aides au broyage ou
agents de mouture, qui en tous cas ne doivent ni modifier ni influencer sur la qualité du
produit fini : le ciment. Le résultat du broyage cuit est le produit fini à expédier.
Figure 10 : Processus de broyage de la matière cuite (ciment)
II.4.10. L’expédition
Après le broyage cuit le ciment est acheminé vers des silos de stockage. Le ciment est
livré soit en vrac soit en sacs suivant les exigences des clients.
Dans le cas de la livraison en vrac : les véhicules à citerne sont placées sur un pont
bascule sous une tête de chargement télescopique adaptée à l’ouverture de la citerne pour le
chargement. Alors que dans le cas de la livraison en sac : des sacs de poids net égale à 50 Kg
sont mis vides dans des ensacheuses permettant leur remplissage par le ciment.
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 16
Figure 11 : Processus d’expédition du ciment
Pour conclure, le schéma suivant permet de donner une vision globale des étapes de la
chaîne de production du ciment au sein de l’usine « Ciments du Maroc » de Marrakech.
Figure 12 : Procédé global de fabrication du ciment
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 17
III. Partie expérimentale [4]
III.1 Dosage de la chaux libre dans le clinker :
III.1.1 Principe
La chaux libre est périlleuse pour le ciment car son hydratation est accompagnée d’un
gonflement, c’est la raison pour laquelle on veille à ce que la quantité de CaO libre reste
inférieure à une certaine valeur (CaO libre < 2,5%).
Dans des conditions opératoires déterminées, l’éthyle glycol permet d’extraire la
chaux libre, des matières (clinker, ciment), sans altérer d’une façon les silicates et l’aluminate
de calcium, la combinaison soluble formée est dosée, après filtration, au moyen d’un acide
fort titré.
Réactifs utilisés
 Ethylène glycol
 Acide chlorhydrique 0.1N
 Bleu de bromothymol : solution à 1% dans l’alcool absolu pour analyser.
Réactifs utilisés
 Ethylène glycol
 Acide chlorhydrique 0.1N
 Bleu de bromothymol : solution à 1% dans l’alcool absolu pour analyser.
III.1.2 Mode opératoire (figure 13)
Peser 1 g de la matière disposée, la prise dans une fiole conique de 150 CC propre et
séché, ajouter 50 CC d’éthylène glycol et chauffer pendant 30 min à 75 °C plus au moins 5°C,
tout en agitant. Filtrer sur un creuset à bande rouge. Recueillir le filtrat dans une fiole conique
de 250 CC. Rincer la fiole d’attaque avec 3 fois 15 CC d’éthylène glycol. Ajouter 3 gouttes de
bleu de bromothymol et titrer aussitôt par HCl 0.1N jusqu’au virage Bleu de bromothymol,
est bleu en solution basique et jaune en solution acide en passant par le vert. Le tableau 2
montre la variation de la coloration de la solution en fonction de pH.
Calcul de la chaux libre
 Soit la prise d’essai en mg
 Le nombre de CC de HCl 0.1N
 La chaux libre est calculée par la relation suivante :
CaO libre(%)= (2.8×n×100)/P = volume HCl (ml) ×0.29
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 18
Figure 13:Dosage de la chaux libre.
III.2 Préparation des échantillons
Après avoir reçus la matière première sur son état initial, il faut établir un concassage et
un broyage sur chaque élément à part, je voulais dire par les éléments (clinker, gypse,
calcaire, pouzzolane, cendre volante).
Le tableau ci-dessous présente la composition de chaque échantillon (les valeurs sont
en pourcentage).
Tableau 2: Tableau des échantillons
A l’aide d’un malaxeur à poudre, on peut avoir une homogénéisation parfaite entre les
éléments, par la suite on obtient les différents échantillons du ciment avec des pourcentages
différents de cendre volante.
Ech Clinker
(%)
Gypse
(%)
Calcaire
(%)
Pouzzolane
(%)
Cendre
Volante (%)
F0 75 5 10 10 0
F1 75 5 9 10 1
F2 75 5 7 10 2
F3 75 5 5 10 5
F4 75 5 5 8 7
F5 75 5 5 6 9
F6 75 5 5 4 11
F7 75 4 4 4 13
F8 75 5 3 2 15
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 19
III.3 Analyse chimique par fluorescence X des différents ciments préparés
III.3.1 Principe [5]
La méthode de fluorescence X constitue le moyen le plus précis pour les analyses
qualitatives et quantitatives des éléments chimiques habituellement présents dans les ciments.
Le principe consiste à irradier une pastille par un faisceau de rayons X de forte
intensité. Ce dernier déstabilise les couches électroniques les plus profondes de l’atome en
émettant des photons. Caractérisés par leur niveau d’énergie et par leur longueur d’onde, ces
rayonnements secondaires rendent la détection des concentrations des éléments faisable en
moyennant un détecteur. Un programme initialisé permet de rapporter les teneurs en éléments
simples à leurs oxydes.
III.3.2 Mode opératoire
On prélève 10 g de chaque échantillon, on la fait broyer à l’aide d’un broyeur
vibratoire et on la presse afin d’obtenir une pastille .Enfin cette dernière est portée à l’attaque
par les rayons X (FX).
Figure 23:Appareillage utilisé pour la fluorescence X.
III.4 Essais mécaniques [6]
Les matières de départ sont :
- Ciment préparé
- Eau de gâchage (eau potable).
- Sable normalisé CEN
III.4.1 Préparation du mortier
On pèse 450 g de chaque échantillon préparé (Ciment CPJ 55+% Pouzzolane) et 225 g d’eau
de gâchage (eau potable dépourvue de matières sucrées, organiques, d’acides et de sels), puis
on met l’ensemble dans un malaxeur de mortier en ajoutant au mélange un sac de sable
normalisé (1350 g ±5 g) (sable naturel siliceux à grains arrondis et dont la teneur en silice est
au moins égale à 98%).
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 20
III.4.2 Confection des éprouvettes (Norme EN 196-1)
Les essais mécaniques se réalisent sur des éprouvettes prismatiques de dimensions 4x4x16 cm
selon la norme EN 196-1. Les mortiers préparés sont compactés mécaniquement à l’aide
d’une table à choc. Les éprouvettes sont au nombre de trois par moule (figure 5). Elles sont
stockées dans leurs moules pendant 24 heures dans une pièce de 20°C±2°C et une humidité de
50%. Ensuite elles sont démoulées.
Avant d'effectuer les essais, les éprouvettes sont exposées à l'air libre pendant 20 minutes
pour qu'elles acquièrent l'état normal d'humidité. Les essais mécaniques ont lieu sur 3
éprouvettes et sont testées en compression à 2, 7, 28 jours.
Figure 14:Appareillage utilisé pour la préparation des éprouvettes
III.4.3 Essai de flexion
L'équipement utilisé est une presse hydraulique décrite par la norme EN 196-1. Les demis
éprouvettes obtenues après ruptures en flexion sont rompues en compression (figure 15).
Figure 15:Presse hydraulique.
III.4.4 Essai de compression
L'essai de compression centrée est effectué sur une machine de compression qui peut
appliquer des charges jusqu'à 10 KN avec une vitesse de 50N/s ± 10 N/s, sollicitant
l'éprouvette. Pendant les essais les valeurs sont lues directement sur l'appareil d'essai
(figure16).
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 21
Figure 16:Appareil de compression.
IV. Résultats et interprétation :
IV.1 Dosage de la chaux libre dans le clinker
Le tableau ci-dessous présent le taux de chaux libre de 3 échantillons prise à partir du même
clinker
Moy = 0.928
On remarque que le clinker contient une faible quantité de chaux. La chose qui peut
influencer d’une manière positive sur la qualité du ciment qu’on va produire.
IV.2 Analyse chimique par fluorescence X
Le tableau ci-dessous présente les résultats obtenu par l’appareil florescence X des
différents échantillons du ciment.
% en
cendres
volantes
Eléments
0% 1 % 3% 5% 7% 9% 11% 13% 15%
SiO2 21.99 22.49 22.97 23.53 23.23 22.34 22.75 20,06 23.12
Al2O3 4.14 4.42 4,60 4.88 5.13 5,48 5.71 5,6 6.48
fe2O3 2.56 2,63 2,68 2,80 2,86 2,94 3.01 2,91 3.16
CaO 56.75 56.53 55.36 54.35 54.27 54.44 53.98 56,85 53.26
MgO 3.62 3,70 3,68 3,72 3,63 3,44 3,45 3,45 3,31
Figure 3:Teneur en chaux libre dans le clinker
Echantillon Ech 1 Ech 2 Ech 3
% de chaux libre 0.812 1.044 0.928
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 22
SO3 2.51 2.51 2.60 2.53 2.52 2.58 2,46 2,89 2,16
K2O 0 ,66 0,66 0,66 0,68 0.69 0,72 0,73 0,75 0,77
Na2O 0,05 0,06 0,07 0,07 0,07 0,06 0,07 0,03 0,07
Cl 0,0363 0,0351 0,0376 0,0375 0,0318 0,0217 0,0227 0,0093 0,0147
TiO2 0,186 0,208 0,223 0,249 0,277 0,299 0,318 0,337 0,373
MnO 0,106 0,105 0,104 0,104 0,104 0,106 0,106 0,115 0,106
P2O5 0,077 0,087 0,098 0,114 0,109 0,098 0,104 0,088 0,113
BaO 0,160 0,159 0,161 0,157 0,161 0,157 0,157 0,144 0,160
Pb 0 0 0 0 0 0 0 0,0438 0
Cr 0,0019 0,0029 0,003 0,0029 0,0032 0,0021 0,0034 0,0023 0,0028
Tableau 4 : résultats de l'analyse par FX des différents échantillons du ciment
On porte la variation du pourcentage massique de SiO2 et de CaO en fonction de
pourcentage des cendres volantes ajouté sur le graphe ci-dessous
On remarque que le pourcentage en SiO2 croit avec le pourcentage des CV alors que le
pourcentage en CaO diminue.
0
10
20
30
40
50
60
0 1 3 5 7 9 11 13 15
%
massisues
des
élements
% des CV
"variation du CaO et de Sio2 en fonction de %
des cendres volantes ajouté dans le ciment "
Sio2
Cao
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 23
IV.3 Résistance à la compression
Le tableau ci-dessous présente les résultats de l’essai de compression, appliqué sur les
cylindres préparés auparavant :
Quantité des
cendres
volantes en
(%)
Essai de compression
2 jours 7 jours 28 jours
0 14.175 23.375 34.275
1 14.05 23.95 35.375
3 14.5 24.35 35.35
5 14.675 24.55 35.70
7 14.525 25.525 36.825
9 14.7 25.525 36.75
11 14.125 24.35 35.35
13 15.075 26.1 36.9
15 14.325 24.675 36.75
Tableau 5: Résultat de l'essai de compression sur le mortier
Les valeurs citées au tableau ci-dessous sont présentés dans le graphe qui suit :
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 24
IV.4 Interprétation
Apres l’évaluation des résistances des mortiers, on a tracé des courbes représentatives de
la résistance à la compression en fonction des cendres volantes ajoutées, les courbes
représentent les essais à 2 jr, 7 jr et 28 jr.
D’après le graphe ci-dessus, j’ai remarqué que la résistance reste quasiment constante
jusqu’à qu’elle atteint un optimum de 13 % après elle retourne à l’état initial à 15 %.
Donc on peut ajouter jusqu’à 15% des cendres volantes sans perturber la résistance des
mortiers, cela nous permet de diminuer la quantité de calcaire et de pouzzolane et de les
remplacer avec des cendres volantes, tout en gardant la même résistance.
L’utilisation d’un taux plus élevé des cendres volantes permet à l’entreprise d’obtenir un
gain soit :
 Au côté énergétique, est cela pourra se présenter dans l’énergie fournis pour le broyage
des matières première, plus qu’on utilise des cendres volantes plus on diminue la
quantité utiliser de calcaire et de pouzzolane, donc l’énergie qu’il faut fournir pour les
broyer sera plus faible.
 Au côté environnement, est cela pourra se présenter dans la diminution des cendres
volantes dans l’environnement et de les utiliser dans le ciment.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 1 3 5 7 9 11 13 15
%
massiques
des
élements
% des CV
Essai de compression
7jr
2jr
28 jr
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 25
Conclusion :
Ce stage effectué au sein de la société Ciments du Maroc a été une expérience
importante et enrichissante dans ma vie estudiantine. Il m’a permis de prendre contact avec le
monde du travail et mettre en pratique mes connaissances scientifiques acquises tout au long
de ma formation.
Durant cette courte expérience, j’ai pu approcher de près les différents services et les
différentes carrières dont l’usine de Marrakech dispose et apprendre à bien manier les outils
techniques qui ont été très utile pour la fabrication et la préparation et l’analyse des
échantillons.
Ce projet a concerné d’étudier l’influence des cendres volantes sur la résistance à la
compression sur le mortier, et de faire une optimisation sur le taux des cendres volantes qu’il
est possible ajouter aux autres éléments constituant le ciment toute en gardant le même
niveau de résistance.
En considérant les résultats obtenus, après les essais effectués au laboratoire, j’ai pu
constater que le taux maximal des cendres volantes à ajouter en remplacement du calcaire et
pouzzolane est au moins égale à 15% avec le même niveau des résistances ciment.
Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment
Soukaina Ajouguim 26
Références
[1] Rapport de stage « Valorisation et optimisation de l’ajout des cendres volantes chez
les cimentiers » 2011/2012
[2] Documentation interne de l’usine Ciment du Maroc, Marrakech.
[3] « Norme marocaine sur le ciment : NM 10.1.004», Norme Marocaine Ciment du
Maroc.
[4] « Norme marocaine sur le ciment : NM 10.1.004», Norme Marocaine Ciment du
Maroc.
[5] « Norme marocaine sur le ciment : NM 10.1.004», Norme Marocaine Ciment du
Maroc.
[6] « Norme marocaine sur le ciment : NM 10.1.004», Norme Marocaine Ciment du
Maroc.
 http://www.cimentsdumaroc.com/FR
 http://www.italcementigroup.com/ENG
 http://www.mtpnet.gov.ma/NR/rdonlyres/17F48F90-02BB-4DA2-B42A-
2213394AF72B/892/405Utilisationdescendresvolantesdansledomainerouti.pdf
 http://acces.ens-lyon.fr/eedd/climat/pedagogie/hors_classe/ciment.pdf
http://energie.edf.com/fichiers/fckeditor/Commun/En_Direct_Centrales/Thermique/Ce
ntres/Cordemais/publications/EDF_cordemais_valorisation_co-produits_072010.pdf

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Optimisation du taux des cendres volantes dans le ciment

  • 1. Département des Sciences Chimiques Filière d’Ingénieur : « Génie des Matériaux » Stage effectué à Ciment du Maroc Période de stage : du 05/08/2013 au 13/09/2013 Rapport de stage Réalisé par : Encadré par : Soukaina Ajouguim M. DAKHTARI (Responsable du service qualité) M. EL MAMOUN (Chef du laboratoire) Optimisation du taux de cendres volantes dans le ciment
  • 2. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 2 Sommaire Pages Remerciement …………………………………………………………………….. Introduction ………………………………………………………………………. I. Présentation de l’usine (Ciments du Maroc Marrakech)……………………. I.1. Italcementi Group……………………………………………….. I.2. L’usine de Marrakech (Ciments du Maroc)……………………. I.2.1. Organisation de l’usine……………………………... I.2.2. Les produits de l’usine……………………………… II. Etude bibliographique………………………………………………………… II.1. L’histoire du ciment……………………………………………... II.2. Les matières premières………………………………………….. III.3. Les principaux ajouts…………………………………………... II.3.1. Le gypse……………………………………………... II.3.2. La pouzzolane naturelle…………………………… II.3.3. Les cendres volantes……………………………….. II.4. Processus de fabrication du ciment (à l’usine de Marrakech)... II.4.1. Abattage en carrière……………………………….. II.4.2. Concassage usine …………………………………... II.4.3. Stockage et préhomogénéisation…………………... II.4.4. Reprise du tas………………………………………. II.4.5. Broyage de la matière crue………………………… II.4.6. Homogénéisation…………………………………… II.4.7. La cuisson…………………………………………… II.4.8. Refroidissement et dépoussiérage………………… II.4.9. Broyage de la matière cuite………………………... II.4.10. L’expédition……………………………………….. III. Partie expérimentale………………………………………………………….. III.1 Dosage de la chaux libre dans le clinker..…………………….. III.1.1 Principe…………………………………………….. III.1.2 Mode opératoire…………………………………… III.2 Préparation des échantillons …………………………………... III.3 Analyse chimique par fluorescence X des différents ciments préparés……………………………………………………………….. III.3.1 Principe……………………………………………... III.3.2 Mode opératoire…………………………………... III.4 Essais mécaniques ………………………………….. III.4.1 Préparation du mortier……………………………. III.4.2 Confection des éprouvettes (Norme EN 196-1) … III.4.3 Essai de flexion……………………………………... III.4.4 Essai de compression……………………………… IV. Résultats et interprétation : ………………………………………………… IV.1 Dosage de la chaux libre dans le clinker …………….. IV.2 Analyse chimique par fluorescence X………………… IV.3 Résistance à la compression…………………………… IV.4 Interprétation………………………………………… Conclusion ………………………………………………………………… Référence ………………………………………………………………….. 3 4 5 5 6 6 7 7 7 8 8 8 8 9 10 10 10 11 12 12 13 14 14 15 15 17 17 17 17 18 19 19 19 19 19 19 19 20 20 21 21 21 22 23 25 26
  • 3. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 3 Remerciement Il serait injuste de ma part de commencer la rédaction de mon présent rapport sans exprimer mes vifs remerciements témoignage de mes profondes affections pour ceux qui de près ou de loin m’a adressé l’expression de leur avis et opinions. Mes gratitudes, et mes remerciements s’adressent tout d’abord à mes encadrants Mr. DAKHTARI et Mr. EL MAMOUN, ainsi pour Mlle Badiaa Neggaz, Mr abdelhak zagriri, Mr Abdefettah, Mr Rachid Belgamra, pour tous leurs conseils et de m’avoir incité à travailler en mettant à ma disposition ces expériences et ces compétences qu’elles m’ont procurés afin de réussir ce travail.
  • 4. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 4 Introduction : Actuellement la concurrence exige à l’entreprises d’accroitre sa compétitivité pour améliorer sa position dans le marché, cette amélioration peut prédominer soit la production, soit le prix, soit la qualité du produit. La production du ciment est de plus en plus complexe, parce qu'elle n'est plus seulement aujourd'hui du clinker, ce résultat de la cuisson à 1450°C d'un mélange composé de calcaire et d'argile. La demande s'est affinée et les produits se sont par conséquent diversifiés. Et pour faire face à ces évolutions, les dirigeants de l’entreprise ont toujours un besoin d’amélioration de la production et d’optimisation de ses procédés de fabrication avec un engagement absolu pour assurer la sécurité des personnes et le respect de l’environnement. C’est la raison pour laquelle CIMENTS DU MAROC cherche de plus en plus à réduire l’utilisation du clinker dans les ciments ainsi qu’à augmenter la consommation des déchets industriels (CV, pneus…), en restant sur la limite de la résistance favorable, et en contribuant de manière simple et économique à résoudre les problèmes liés à l'environnement. Comme on sait les cendres volantes peuvent être utilisées comme des ajouts qui peuvent améliorer les propriétés du ciment, pour cela ce présent rapport a pour but de faire une optimisation sur le taux des cendres volantes possible à mettre dans la composition du ciment. Dans une première partie du présent rapport, on commencera par une présentation générale de l’Italcementi Group et de l’usine de Marrakech (Ciments du Maroc) où j’ai effectué mon stage. Une étude bibliographique sur le ciment fera l’essentiel d’une deuxième partie, puis elle sera suivie par la partie expérimentale et les résultats expérimentaux obtenus. Sur une avant-dernière partie, on s’étalera sur les différentes interprétations et conclusions faites à la base des résultats expérimentaux. Et la dernière partie sera, par ailleurs, consacrée à une conclusion exposant les principaux résultats dégagés.
  • 5. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 5 I. Présentation de l’usine (Ciments du Maroc Marrakech) [1] I.1. Italcementi Group Un des tout premiers acteurs mondiaux dans les matériaux de construction, Italcementi Group est né du rapprochement de deux sociétés dont l’expérience cimenterie remonte à plus d’un siècle : Italcementi fondé en 1864 et Ciment Français en 1881. Le Groupe est aujourd’hui présent dans 19 pays à travers le monde incluant Italie, France, Belgique, Maroc, Espagne, Turquie, Canada, Etats-Unis, Grèce, Bulgarie, Kazakhstan, Thaïlande, Inde, Egypte, Sri Lanka, Mauritanie, Albanie, Chypre et Gambie. Le dispositif industriel de groupe Italcementi comporte :  60 cimenteries et 14 centres de broyage ;  154 carrières de granulats ;  547 centrales de Béton Prêt à l’Emploi. Ci-dessous, une présentation d’ITALCEMENTI GROUP au Maroc : Figure 1: ITALCEMENTI GROUP au Maroc
  • 6. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 6 I.2. L’usine de Marrakech (Ciments du Maroc) Ciments du Maroc-Marrakech est une société opérant dans le marché national du ciment, se situant à 46 km de la ville de Marrakech, près du village M’zoudia. L’usine dispose d’une carrière dont les réserves sont suffisantes pour alimenter la cimenterie pendant 40 ans à une cadence annuelle de production dépassant 1.000.000 tonnes par an. I.2.1. Organisation de l’usine L’effectif du personnel atteint actuellement plus de 270 personnes dont 21 cadres organisés dans les trois départements :  Département administratif ;  Département maintenance ;  Département production. En plus, l’usine possède un laboratoire et un service de qualité en liaison directe avec la direction. Ci-après est illustré l’organigramme de l’usine de Marrakech : Figure 2 : Organigramme de l’usine de Marrakech (Ciments du Maroc) Directeur de l’usine M. BOUKIOUD Département Administratif Comptabilité Personnel Social CDG Département Production Fabrication Carrière Expédition Gestion Département Maintenance Méthodes Réalisation Magasin Responsable commercial Responsable qualité Responsable achat Responsable sécurité et env
  • 7. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 7 I.2.2. Les produits de l’usine L’usine fournie trois catégories de ciments :  Le Ciment portland CPJ 35 : Le CPJ 35 est un ciment portland composé, résultant de la mouture de Clinker (à 65%), avec complément un ou plusieurs constituants secondaires tels que les fillers, pouzzolane ou les cendres définis par la NM 10.1.004. Le CPJ 35 est destiné à être utilisé pour réaliser des bétons non armé ou faiblement armé, comme mortier ou comme béton de résistance mécanique moyenne ou peu élevée.  Le Ciment portland CPJ 45 : Le CPJ 45 est un ciment portland composé, résultant de la mouture de Clinker (à 70%), avec en complément un ou plusieurs constituants secondaires tels que les fillers, pouzzolane ou les cendres définis par la NM 10.1.004. Le CPJ 45 est destiné à être utilisé pour réaliser un béton fortement sollicité (pour les structures porteuses et les fondations), pour réaliser un béton armé courant, pour réaliser des éléments préfabriqués en béton armé ou non armé (poutres, poutrelles, éléments de grande surface, buses, hourdis) ou pour réaliser des travaux spéciaux tels que les barrages ou des ouvrages de génie civil industriel.  Le Ciment portland CPJ 55 : Le CPJ 55 est un ciment portland composé, résultant de la mouture de Clinker avec en complément un ou plusieurs constituants secondaires tels que les fillers, pouzzolane ou les cendres définis par la NM 10.1.004. Sa haute résistance le destine aux utilisations en béton armé pour les grands ouvrages ou le génie civil. II. Etude bibliographique II.1. L’histoire du ciment [2] Les débuts du ciment remontent aux Egyptiens qui avaient utilisé la chaux grasse, obtenue par cuisson de roches de calcaire à une température avoisinant les 1000 °C, suivie d’une extinction du produit obtenu (la chaux vive), avec de l’eau, pour obtenir l’hydroxyde de chaux. Son durcissement se faisait par carbonatation à l’air suivant les réactions : CaCO3 CaO + CO2 CaO + H2O Ca(OH)2 Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 Cependant ce sont les Romains qui ont fait véritablement du ciment en y ajoutant une matière volcanique : la pouzzolane. Ils ont ainsi mis au point un matériau qui, à température normale est mélangé avec de l’eau, durcissait par hydratation et devenait, après sa prise, insoluble dans l’eau. C’est ce matériau qui est le premier liant hydraulique, c’était l’ancêtre du ciment. Il est resté, cependant, peu utilisé durant de longs siècles, concurrencé par deux matériaux bien connus : la chaux et la brique. Le premier est à base de calcaire, le deuxième est à base d’argile. En 1759, John SMEATON effectua plusieurs essais sur le ciment et reconstruit le
  • 8. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 8 phare d’Eddystone en Cornouailles qui dura 126 ans avant son remplacement. D’autres personnes firent des expériences sur le ciment dans la période entre 1756-1830 comme Vicat, Lesage en France et Parker Frost en Angleterre. En 1824, Joseph ASPDIN, maçon à Leeds en Angleterre, prit un brevet sur un ciment hydraulique qu’il appela Ciment Portland, car il ressemblait beaucoup à la pierre provenant de l’Ile Portland au large de la côte britannique. Sa méthode consistait en un dosage précis des proportions d’argile et du calcaire, à pulvériser, ensuite à cuir le mélange pour obtenir le clinker qui était alors broyé pour devenir du ciment. II.2. Les matières premières Bien que les ciments sont fabriqués à partir de matières premières différentes et parfois par des procédés différents, tous les clinkers, à partir desquels sont obtenus ces ciments, contiennent les composés essentiels suivants : silicate tricalcique, silicate bicalcique, aluminate tricalcique et alumino-ferrite tétra-calcique, respectivement notés C3S, C2S, C3A et C4AF, cette notation est utilisée uniquement dans le secteur cimentier, le tableau suivant en donne l’illustration : (tableau 1) Nomenclature Symbole chimique Symbole cimentier Oxyde de calcium CaO C Oxyde de silice SiO2 S Oxyde d’aluminium Al2O3 A Oxyde de fer Fe2O3 F Tableau 1 : Tableau illustratif des symboles cimentiers III.3. Les principaux ajouts Les matières d’additions ajoutées avec le clinker au niveau du broyage dans l’usine de Marrakech sont : le gypse, la pouzzolane et les cendres volantes. II.3.1. Le gypse Une fois le clinker est sorti du four, il faut ensuite le broyer très finement et très régulièrement avec environ 5 % de gypse CaSO4 dont le rôle est de « régulariser » la prise. II.3.2. La pouzzolane naturelle La pouzzolane naturelle est un produit généralement d’origine volcanique, ou des roches sédimentaires, présentant des propriétés pouzzolaniques. Elle est essentiellement composée de silice réactive (dans des proportions supérieures à 25%), et d’alumine et d’oxyde de fer. L’ajout de la pouzzolane avec le clinker à l’étape du broyage (de 0 à 10%), permet d’augmenter et fixer l'hydroxyde de calcium en présence d'eau.
  • 9. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 9 II.3.3. Les cendres volantes La cendre volante est obtenue à partir de charbon. Elle se forme quand le charbon broyé en une fine poussière est calciné dans une centrale thermique à plus de 1 200 °C. Dans ce processus fusionnent principalement les grains de poussière minérale de la gangue du charbon. Ils sont véhiculés dans le flux de gaz brûlé et sont séparés dans les électro-filtres de la centrale thermique en vue d'une utilisation ultérieure en tant que matériau de construction. Les cendres volantes se composent pour l'essentiel de silicium, d'aluminium et d'oxyde de fer. La substitution d’une partie du ciment Portland par de la cendre volante, résulte en un impressionnant éventail de retombées bénéfiques :  Un béton plus durable : le béton, constitué d’un mélange de granulats (sable, pierre), de ciment et d’eau tire sa résistance de la réaction du ciment avec l’eau, pour la formation d’une matrice rigide qui lie les diverses composantes. Or la réaction du ciment Portland avec l’eau génère de la chaux; si le béton est poreux et qu’il est exposé à des environnements agressifs, la chaux pourra réagir avec les agents agresseurs et altérer l’intégrité du béton. La cendre volante a la capacité de réagir avec la chaux libérée lors de l’hydratation du ciment Portland et d’incorporer cette chaux dans des produits d’hydratation qui deviennent partie intégrale de la matrice cimentaire. Cette dernière est alors moins sensible aux agents agressifs.  Une réduction de gaz à effet de serre : le ciment Portland est issu de la cuisson (~1450 °C) d’un mélange de minéraux broyés, principalement du calcaire, de la silice, de l’argile et de l’oxyde de fer. Dans le four, le calcaire est converti en chaux et en CO2 qui est libéré dans l’atmosphère. Si on tient compte du CO2 généré par les combustibles utilisés pour la cuisson, la production de 1,0 tonne de ciment conduit à la génération de ~0,8 tonne de CO2. Ainsi, chaque tonne de ciment que l’on remplace par la cendre volante réduit de 0,8 tonne nos émissions de GES.  Une économie d’énergie : la production du ciment Portland nécessite d’importantes quantités d’énergie, notamment pour l’extraction et le traitement des matières premières, la cuisson de ces matières, et le broyage des minéraux issus de la cuisson (clinker) et du gypse. Au total, la production d’une tonne de ciment nécessite près de 5 milliards de Joules (5 GJ), ce qui correspond à 1,4 mégawatt/heure (MWh). L’utilisation de cendre volante en remplacement du ciment diminue l’énergie consommée en proportion directe du degré de substitution.  Ouvrabilité améliorée : la forme sphérique de la cendre volante donne à la pâte une grande plasticité et permet de réduire la teneur en eau du mélange.  Réduction du ressuage : le béton aux cendres volantes n’a besoin que d’une faible quantité d’eau pour assurer son ouvrabilité. Par conséquent, il en résulte moins de ressuage.  Pompabilité accrue : grâce à ses particules sphériques, la cendre volante agit comme un minuscule roulement à billes, diminue la friction interne et rend le mélange plus facile à pomper.
  • 10. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 10 II.4. Processus de fabrication du ciment (à l’usine de Marrakech) [3] Plusieurs voies de fabrication du ciment existent, notamment la voie humide et la voie sèche. Et c’est ce dernier qui est le plus dominant aujourd’hui et celui que nous retenons ici. Les principales étapes de la fabrication du ciment sont la préparation du cru (composition et mélange des matières premières), la transformation de celui-ci en clinker par procédé de cuisson, et finalement la transformation du clinker en ciment. II.4.1. Abattage en carrière Pour réduire le coût du transport des matières premières, les cimenteries sont construites à proximité des carrières de calcaire et d’argile ou de marne argileuse. L’usine de Marrakech est alimentée par deux carrières : La carrière de M’zoudia et d’Ighoud. La carrière se compose de plusieurs zones et chaque zone se compose de plusieurs gradins à exploiter à ciel ouvert. Les minerais sont récoltés suite à des explosions maîtrisées et acheminés par dumper vers le hall de concassage pour réduire les blocs de matière première. Figure 3 : Photo d’abattage en carrière (M’zoudia) du calcaire par les explosifs II.4.2. Concassage usine Après l’extraction de la matière, cette dernière passe par un concasseur principal B de type « Giratoir » entraîné par un moteur électrique et muni d’une trémie de réception puis la matière passe par un crible, qui sélectionne les grains dont le diamètre est supérieur à 45mm pour les recycler en les passant par deux concasseurs secondaires, L et M qui ont le même rôle que le principal, en vue d’un concassage plus fin.
  • 11. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 11 Figure 4 : Processus de concassage des matières premières II.4.3. Stockage et préhomogénéisation Les carrières travaillent de manière discontinue, il est donc nécessaire de constituer des stocks de la matière provenant des concasseurs garantissant ainsi le besoin du circuit de matière. Un appareil mécanique permet de construire un tas de sections trapézoïdales dans un hangar autour d’une colonne centrale sous forme de couches circulaires superposées de calcaire et de marne. Figure 5 : Processus de stockage et préhomogénéisation
  • 12. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 12 II.4.4. Reprise du tas Elle est assurée par un système comprenant des herses et une chaîne à raclettes. La reprise se fait en nombreuses tranches transversales, perpendiculairement au sens de la dépose, de façon à recouper toutes les couches. Chaque tranche représente ainsi un échantillon moyen de l’ensemble du tas de mélange. Figure 6 : Système de reprise du tas II.4.5. Broyage de la matière crue Les broyeurs crus ont pour fonction de réduire les matières provenant de la pré- homogénéisation à la finesse requise pour la cuisson. Le broyeur mélange aussi initialement les différents minéraux et les ajouts. Á la fin du processus de broyage, la matière quitte le broyeur, d’une part par un organe de décharge, d’autre part par l’air afin de la diriger vers un séparateur qui sélectionne les particules selon leurs grosseurs, les fines sont orientées vers les silos d’homogénéisation tandis que celles insuffisamment broyées sont recyclées dans le broyeur. c
  • 13. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 13 Figure 7 : Processus de broyage de la matière crue II.4.6. Homogénéisation Un grand silo reçoit de la farine produite par le broyeur, celle-ci est déversée par le haut et distribuée par un réseau de transfert en pattes d’araignée sur le périphérique du silo jusqu’au deux tiers de sa hauteur. La farine passe ensuite, par le fond du silo, dans une chambre de mélange où se passe une homogénéisation instantanée par air choc. Figure 8 : Processus d’homogénéisation
  • 14. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 14 II.4.7. La cuisson La farine homogénéisée entre dans un four rotatif où s’effectue l’étape la plus importante de sa transformation. L’alimentation en farine se situe à l’extrémité opposée du brûleur, la rotation et l’inclinaison du four font progresser la matière. Autrement, on peut commenter le processus de cuisson de la manière suivante : L’entrée du four, la décarbonatation de la farine se poursuit et s’achève au fur et à mesure que la farine avance dans le four, elle monte en température ce qui permet la formation du clinker (la matière de base pour la fabrication du ciment). Figure 9 : Etape de la cuisson II.4.8. Refroidissement et dépoussiérage Une fois que le clinker sort du four à une température très élevée (de l’ordre de 1000°C), deux opérations doivent être effectuées : - Une première opération de nature économique qui consiste à récupérer la chaleur après refroidissement par soufflage d’air et la renvoyer à la tour échangeur. A la fin du refroidissement, le clinker obtenu se présente sous forme de nodules gris foncés de température de l’ordre de 60°C plus la température ambiante. - Une seconde opération de dépoussiérage pour éviter l’envolement des poussières formées lors du concassage du clinker après son refroidissement. En effet, CIMENTS DU MAROC adopte des systèmes d’aspiration de haute puissance placés aux points d’émission et qui se trouvent entre le refroidissement et le stockage du clinker.
  • 15. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 15 II.4.9. Broyage de la matière cuite Le broyage du clinker avec des ajouts s’effectue dans des broyeurs horizontaux, de petites quantités de produits chimiques peuvent être ajoutées pour éviter l’agglomération et pour faciliter le broyage et l’écoulement de la matière fine. Ce sont des aides au broyage ou agents de mouture, qui en tous cas ne doivent ni modifier ni influencer sur la qualité du produit fini : le ciment. Le résultat du broyage cuit est le produit fini à expédier. Figure 10 : Processus de broyage de la matière cuite (ciment) II.4.10. L’expédition Après le broyage cuit le ciment est acheminé vers des silos de stockage. Le ciment est livré soit en vrac soit en sacs suivant les exigences des clients. Dans le cas de la livraison en vrac : les véhicules à citerne sont placées sur un pont bascule sous une tête de chargement télescopique adaptée à l’ouverture de la citerne pour le chargement. Alors que dans le cas de la livraison en sac : des sacs de poids net égale à 50 Kg sont mis vides dans des ensacheuses permettant leur remplissage par le ciment.
  • 16. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 16 Figure 11 : Processus d’expédition du ciment Pour conclure, le schéma suivant permet de donner une vision globale des étapes de la chaîne de production du ciment au sein de l’usine « Ciments du Maroc » de Marrakech. Figure 12 : Procédé global de fabrication du ciment
  • 17. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 17 III. Partie expérimentale [4] III.1 Dosage de la chaux libre dans le clinker : III.1.1 Principe La chaux libre est périlleuse pour le ciment car son hydratation est accompagnée d’un gonflement, c’est la raison pour laquelle on veille à ce que la quantité de CaO libre reste inférieure à une certaine valeur (CaO libre < 2,5%). Dans des conditions opératoires déterminées, l’éthyle glycol permet d’extraire la chaux libre, des matières (clinker, ciment), sans altérer d’une façon les silicates et l’aluminate de calcium, la combinaison soluble formée est dosée, après filtration, au moyen d’un acide fort titré. Réactifs utilisés  Ethylène glycol  Acide chlorhydrique 0.1N  Bleu de bromothymol : solution à 1% dans l’alcool absolu pour analyser. Réactifs utilisés  Ethylène glycol  Acide chlorhydrique 0.1N  Bleu de bromothymol : solution à 1% dans l’alcool absolu pour analyser. III.1.2 Mode opératoire (figure 13) Peser 1 g de la matière disposée, la prise dans une fiole conique de 150 CC propre et séché, ajouter 50 CC d’éthylène glycol et chauffer pendant 30 min à 75 °C plus au moins 5°C, tout en agitant. Filtrer sur un creuset à bande rouge. Recueillir le filtrat dans une fiole conique de 250 CC. Rincer la fiole d’attaque avec 3 fois 15 CC d’éthylène glycol. Ajouter 3 gouttes de bleu de bromothymol et titrer aussitôt par HCl 0.1N jusqu’au virage Bleu de bromothymol, est bleu en solution basique et jaune en solution acide en passant par le vert. Le tableau 2 montre la variation de la coloration de la solution en fonction de pH. Calcul de la chaux libre  Soit la prise d’essai en mg  Le nombre de CC de HCl 0.1N  La chaux libre est calculée par la relation suivante : CaO libre(%)= (2.8×n×100)/P = volume HCl (ml) ×0.29
  • 18. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 18 Figure 13:Dosage de la chaux libre. III.2 Préparation des échantillons Après avoir reçus la matière première sur son état initial, il faut établir un concassage et un broyage sur chaque élément à part, je voulais dire par les éléments (clinker, gypse, calcaire, pouzzolane, cendre volante). Le tableau ci-dessous présente la composition de chaque échantillon (les valeurs sont en pourcentage). Tableau 2: Tableau des échantillons A l’aide d’un malaxeur à poudre, on peut avoir une homogénéisation parfaite entre les éléments, par la suite on obtient les différents échantillons du ciment avec des pourcentages différents de cendre volante. Ech Clinker (%) Gypse (%) Calcaire (%) Pouzzolane (%) Cendre Volante (%) F0 75 5 10 10 0 F1 75 5 9 10 1 F2 75 5 7 10 2 F3 75 5 5 10 5 F4 75 5 5 8 7 F5 75 5 5 6 9 F6 75 5 5 4 11 F7 75 4 4 4 13 F8 75 5 3 2 15
  • 19. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 19 III.3 Analyse chimique par fluorescence X des différents ciments préparés III.3.1 Principe [5] La méthode de fluorescence X constitue le moyen le plus précis pour les analyses qualitatives et quantitatives des éléments chimiques habituellement présents dans les ciments. Le principe consiste à irradier une pastille par un faisceau de rayons X de forte intensité. Ce dernier déstabilise les couches électroniques les plus profondes de l’atome en émettant des photons. Caractérisés par leur niveau d’énergie et par leur longueur d’onde, ces rayonnements secondaires rendent la détection des concentrations des éléments faisable en moyennant un détecteur. Un programme initialisé permet de rapporter les teneurs en éléments simples à leurs oxydes. III.3.2 Mode opératoire On prélève 10 g de chaque échantillon, on la fait broyer à l’aide d’un broyeur vibratoire et on la presse afin d’obtenir une pastille .Enfin cette dernière est portée à l’attaque par les rayons X (FX). Figure 23:Appareillage utilisé pour la fluorescence X. III.4 Essais mécaniques [6] Les matières de départ sont : - Ciment préparé - Eau de gâchage (eau potable). - Sable normalisé CEN III.4.1 Préparation du mortier On pèse 450 g de chaque échantillon préparé (Ciment CPJ 55+% Pouzzolane) et 225 g d’eau de gâchage (eau potable dépourvue de matières sucrées, organiques, d’acides et de sels), puis on met l’ensemble dans un malaxeur de mortier en ajoutant au mélange un sac de sable normalisé (1350 g ±5 g) (sable naturel siliceux à grains arrondis et dont la teneur en silice est au moins égale à 98%).
  • 20. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 20 III.4.2 Confection des éprouvettes (Norme EN 196-1) Les essais mécaniques se réalisent sur des éprouvettes prismatiques de dimensions 4x4x16 cm selon la norme EN 196-1. Les mortiers préparés sont compactés mécaniquement à l’aide d’une table à choc. Les éprouvettes sont au nombre de trois par moule (figure 5). Elles sont stockées dans leurs moules pendant 24 heures dans une pièce de 20°C±2°C et une humidité de 50%. Ensuite elles sont démoulées. Avant d'effectuer les essais, les éprouvettes sont exposées à l'air libre pendant 20 minutes pour qu'elles acquièrent l'état normal d'humidité. Les essais mécaniques ont lieu sur 3 éprouvettes et sont testées en compression à 2, 7, 28 jours. Figure 14:Appareillage utilisé pour la préparation des éprouvettes III.4.3 Essai de flexion L'équipement utilisé est une presse hydraulique décrite par la norme EN 196-1. Les demis éprouvettes obtenues après ruptures en flexion sont rompues en compression (figure 15). Figure 15:Presse hydraulique. III.4.4 Essai de compression L'essai de compression centrée est effectué sur une machine de compression qui peut appliquer des charges jusqu'à 10 KN avec une vitesse de 50N/s ± 10 N/s, sollicitant l'éprouvette. Pendant les essais les valeurs sont lues directement sur l'appareil d'essai (figure16).
  • 21. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 21 Figure 16:Appareil de compression. IV. Résultats et interprétation : IV.1 Dosage de la chaux libre dans le clinker Le tableau ci-dessous présent le taux de chaux libre de 3 échantillons prise à partir du même clinker Moy = 0.928 On remarque que le clinker contient une faible quantité de chaux. La chose qui peut influencer d’une manière positive sur la qualité du ciment qu’on va produire. IV.2 Analyse chimique par fluorescence X Le tableau ci-dessous présente les résultats obtenu par l’appareil florescence X des différents échantillons du ciment. % en cendres volantes Eléments 0% 1 % 3% 5% 7% 9% 11% 13% 15% SiO2 21.99 22.49 22.97 23.53 23.23 22.34 22.75 20,06 23.12 Al2O3 4.14 4.42 4,60 4.88 5.13 5,48 5.71 5,6 6.48 fe2O3 2.56 2,63 2,68 2,80 2,86 2,94 3.01 2,91 3.16 CaO 56.75 56.53 55.36 54.35 54.27 54.44 53.98 56,85 53.26 MgO 3.62 3,70 3,68 3,72 3,63 3,44 3,45 3,45 3,31 Figure 3:Teneur en chaux libre dans le clinker Echantillon Ech 1 Ech 2 Ech 3 % de chaux libre 0.812 1.044 0.928
  • 22. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 22 SO3 2.51 2.51 2.60 2.53 2.52 2.58 2,46 2,89 2,16 K2O 0 ,66 0,66 0,66 0,68 0.69 0,72 0,73 0,75 0,77 Na2O 0,05 0,06 0,07 0,07 0,07 0,06 0,07 0,03 0,07 Cl 0,0363 0,0351 0,0376 0,0375 0,0318 0,0217 0,0227 0,0093 0,0147 TiO2 0,186 0,208 0,223 0,249 0,277 0,299 0,318 0,337 0,373 MnO 0,106 0,105 0,104 0,104 0,104 0,106 0,106 0,115 0,106 P2O5 0,077 0,087 0,098 0,114 0,109 0,098 0,104 0,088 0,113 BaO 0,160 0,159 0,161 0,157 0,161 0,157 0,157 0,144 0,160 Pb 0 0 0 0 0 0 0 0,0438 0 Cr 0,0019 0,0029 0,003 0,0029 0,0032 0,0021 0,0034 0,0023 0,0028 Tableau 4 : résultats de l'analyse par FX des différents échantillons du ciment On porte la variation du pourcentage massique de SiO2 et de CaO en fonction de pourcentage des cendres volantes ajouté sur le graphe ci-dessous On remarque que le pourcentage en SiO2 croit avec le pourcentage des CV alors que le pourcentage en CaO diminue. 0 10 20 30 40 50 60 0 1 3 5 7 9 11 13 15 % massisues des élements % des CV "variation du CaO et de Sio2 en fonction de % des cendres volantes ajouté dans le ciment " Sio2 Cao
  • 23. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 23 IV.3 Résistance à la compression Le tableau ci-dessous présente les résultats de l’essai de compression, appliqué sur les cylindres préparés auparavant : Quantité des cendres volantes en (%) Essai de compression 2 jours 7 jours 28 jours 0 14.175 23.375 34.275 1 14.05 23.95 35.375 3 14.5 24.35 35.35 5 14.675 24.55 35.70 7 14.525 25.525 36.825 9 14.7 25.525 36.75 11 14.125 24.35 35.35 13 15.075 26.1 36.9 15 14.325 24.675 36.75 Tableau 5: Résultat de l'essai de compression sur le mortier Les valeurs citées au tableau ci-dessous sont présentés dans le graphe qui suit :
  • 24. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 24 IV.4 Interprétation Apres l’évaluation des résistances des mortiers, on a tracé des courbes représentatives de la résistance à la compression en fonction des cendres volantes ajoutées, les courbes représentent les essais à 2 jr, 7 jr et 28 jr. D’après le graphe ci-dessus, j’ai remarqué que la résistance reste quasiment constante jusqu’à qu’elle atteint un optimum de 13 % après elle retourne à l’état initial à 15 %. Donc on peut ajouter jusqu’à 15% des cendres volantes sans perturber la résistance des mortiers, cela nous permet de diminuer la quantité de calcaire et de pouzzolane et de les remplacer avec des cendres volantes, tout en gardant la même résistance. L’utilisation d’un taux plus élevé des cendres volantes permet à l’entreprise d’obtenir un gain soit :  Au côté énergétique, est cela pourra se présenter dans l’énergie fournis pour le broyage des matières première, plus qu’on utilise des cendres volantes plus on diminue la quantité utiliser de calcaire et de pouzzolane, donc l’énergie qu’il faut fournir pour les broyer sera plus faible.  Au côté environnement, est cela pourra se présenter dans la diminution des cendres volantes dans l’environnement et de les utiliser dans le ciment. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 1 3 5 7 9 11 13 15 % massiques des élements % des CV Essai de compression 7jr 2jr 28 jr
  • 25. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 25 Conclusion : Ce stage effectué au sein de la société Ciments du Maroc a été une expérience importante et enrichissante dans ma vie estudiantine. Il m’a permis de prendre contact avec le monde du travail et mettre en pratique mes connaissances scientifiques acquises tout au long de ma formation. Durant cette courte expérience, j’ai pu approcher de près les différents services et les différentes carrières dont l’usine de Marrakech dispose et apprendre à bien manier les outils techniques qui ont été très utile pour la fabrication et la préparation et l’analyse des échantillons. Ce projet a concerné d’étudier l’influence des cendres volantes sur la résistance à la compression sur le mortier, et de faire une optimisation sur le taux des cendres volantes qu’il est possible ajouter aux autres éléments constituant le ciment toute en gardant le même niveau de résistance. En considérant les résultats obtenus, après les essais effectués au laboratoire, j’ai pu constater que le taux maximal des cendres volantes à ajouter en remplacement du calcaire et pouzzolane est au moins égale à 15% avec le même niveau des résistances ciment.
  • 26. Optimisation du taux de cendre volante dans le ciment Soukaina Ajouguim 26 Références [1] Rapport de stage « Valorisation et optimisation de l’ajout des cendres volantes chez les cimentiers » 2011/2012 [2] Documentation interne de l’usine Ciment du Maroc, Marrakech. [3] « Norme marocaine sur le ciment : NM 10.1.004», Norme Marocaine Ciment du Maroc. [4] « Norme marocaine sur le ciment : NM 10.1.004», Norme Marocaine Ciment du Maroc. [5] « Norme marocaine sur le ciment : NM 10.1.004», Norme Marocaine Ciment du Maroc. [6] « Norme marocaine sur le ciment : NM 10.1.004», Norme Marocaine Ciment du Maroc.  http://www.cimentsdumaroc.com/FR  http://www.italcementigroup.com/ENG  http://www.mtpnet.gov.ma/NR/rdonlyres/17F48F90-02BB-4DA2-B42A- 2213394AF72B/892/405Utilisationdescendresvolantesdansledomainerouti.pdf  http://acces.ens-lyon.fr/eedd/climat/pedagogie/hors_classe/ciment.pdf http://energie.edf.com/fichiers/fckeditor/Commun/En_Direct_Centrales/Thermique/Ce ntres/Cordemais/publications/EDF_cordemais_valorisation_co-produits_072010.pdf