Analyse chimique du ciment : Méthodes et normes EN 197-1

Ce laboratoire propose une étude pratique des analyses chimiques et du contrôle qualité du ciment selon les normes EN 197-1. Il permet de comprendre les différentes étapes de fabrication du ciment, ses constituants, ainsi que les méthodes analytiques utilisées pour évaluer sa composition et ses propriétés. Pour réaliser ce TP, il est nécessaire de disposer d’échantillons de ciment, d’un laboratoire équipé pour la préparation d’échantillons, d’un four à moufle, d’une presse hydraulique, d’un appareil de fluorescence X, et des réactifs chimiques requis.

Objectifs

• Comprendre les étapes de fabrication du ciment et ses constituants principaux.
• Réaliser une analyse chimique du ciment par fluorescence X.
• Déterminer la perte au feu et calculer le pourcentage d’ajout dans un échantillon de ciment.
• Mesurer la chaux libre présente dans le ciment.
• Connaître les modules chimiques essentiels au contrôle qualité du clinker : saturation en chaux, module silicique, module alumino-ferrique.

Prérequis et installation

• Connaissances de base en chimie des matériaux et en minéralogie du ciment.
• Accès à un laboratoire équipé d’un four à moufle pouvant atteindre 950°C.
• Appareil de fluorescence X pour analyse élémentaire.
• Presse hydraulique capable d’exercer une force de 25 tonnes.
• Réactifs : acide borique, éthanol, éthylène glycol, phénolphtaléine, acétate d’ammonium (23 g/l).
• Matériel de pesée précis et dessiccateur.

Étape 1 : Analyse par fluorescence X

Cette étape permet de déterminer la composition élémentaire du ciment en exploitant la fluorescence X, phénomène d’émission secondaire de rayons X par la matière bombardée.

La qualité des résultats dépend de l’étalonnage avec des standards adaptés. La relation entre intensité et concentration est généralement linéaire : c(%) = a + b * i.

Procédure :

1. Peser 2 g d’acide borique.
2. Peser 13 g de ciment.
3. Ajouter quelques gouttes d’éthanol.
4. Broyer le mélange dans un broyeur oscillant pendant 2 minutes.
5. Peser 14 g de la matière sur-broyée.
6. Régler la presse à 25 tonnes et presser pendant 40 secondes pour former une pastille.
7. Nettoyer soigneusement la cassette et le piston avant chaque fabrication.
8. Placer la pastille sur le plateau du magasin XY de l’ARL 9800ASIS pour analyse.

Un résultat correct montre un spectre net et reproductible permettant de calculer les concentrations massiques des éléments constitutifs du ciment.

Étape 2 : Détermination de la perte au feu

La perte au feu mesure la masse perdue par calcination à 950°C, liée à la décomposition des carbonates et à l’élimination de l’eau. Elle est un indicateur de la quantité de CO2 et d’eau dans l’échantillon.

Procédure :

1. Tarer un creuset préalablement calciné (m0).
2. Peser une prise d’essai de ciment dans le creuset (m2 = m0 + m1).
3. Placer le creuset couvert dans un four à moufle à 950°C.
4. Après 5 minutes, retirer le couvercle et poursuivre la calcination 10 minutes supplémentaires.
5. Laisser refroidir dans un dessiccateur à température ambiante.
6. Peser le creuset avec la matière calcinée (m4 = m0 + m3).
7. Répéter des cycles de calcination de 15 minutes suivis de refroidissement et pesée jusqu’à obtenir une masse constante (différence < 0,005 g entre deux pesées successives).

Pour un ciment CEM I 42.5 HRS, la perte au feu attendue est d’environ 2 à 2,5 %.

Étape 3 : Calcul du pourcentage d’ajout

Ce calcul permet d’estimer la proportion de carbonate de calcium ajouté dans le ciment, proportionnel à la perte au feu entre 500°C et 950°C.

Procédure :

• Effectuer la même procédure que pour la perte au feu, mais en mesurant la perte à 500°C et à 950°C.

Expression :

% d’ajout = % CaCO3 = (PF 950°C – PF 500°C) * 2.27

Le coefficient 2,27 correspond au rapport des masses molaires : M(CaCO3)/M(CO2) = 100/44 = 2,27.

Une augmentation du pourcentage d’ajout indique une plus grande quantité de CO2 libérée, ce qui peut diminuer la résistance mécanique du ciment.

Étape 4 : Détermination de la chaux libre

La chaux libre correspond à la quantité de CaO non combinée dans le clinker, pouvant entraîner des problèmes de stabilité dimensionnelle et de résistance.

Procédure :

1. Mettre 1 g de clinker ou ciment dans un erlenmeyer.
2. Ajouter 25 ml d’éthylène glycol.
3. Ajouter quelques gouttes de phénolphtaléine.
4. Porter doucement à ébullition sur une plaque chauffante.
5. Ajouter 50 ml d’éthanol absolu.
6. En présence de CaO libre, la solution prend une coloration rose due à la formation de glycérat de calcium.
7. Titrer avec une solution d’acétate d’ammonium (CH3COONH4) à 23 g/l jusqu’à disparition de la coloration rose.
8. Maintenir une douce ébullition et considérer la fin de réaction lorsque la coloration ne réapparaît plus après 15 minutes.

Expression des résultats :

% CaO libre = n * T * 100

avec T le titre de la solution d’acétate d’ammonium.

Étape 5 : Contrôle des modules chimiques du clinker

Ces modules permettent d’évaluer la qualité chimique du clinker et la cuisson du cru :

• Saturation en chaux (K) : K = 100C / (2.8 + 1.1A + 0.65F)
• où C = % CaO, A = % Al2O3, F = % Fe2O3.
• Si K = 100, toute la chaux est combinée. Si K > 100, excès de chaux libre (risque de dégradation). Si K < 100, insuffisance de chaux, diminution de la résistance.
• Valeur cible pratique : 94 ≤ K ≤ 98.
• Module silicique (MS) : MS = S / (A + F), avec S = % SiO2.
• Un MS élevé rend la cuisson plus difficile.
• Module alumino-ferrique (MAF) : MAF = A / F, généralement entre 1,6 et 2,4.

Résultats attendus

• Spectres de fluorescence X précis permettant d’identifier la composition élémentaire du ciment.
• Perte au feu comprise entre 2 % et 2,5 % pour un ciment CEM I 42.5 HRS.
• Pourcentage d’ajout calculé à partir des pertes au feu entre 500°C et 950°C, reflétant la quantité de carbonate de calcium.
• Chaux libre inférieure à 1 % pour garantir la stabilité du ciment, avec un seuil critique à 2 %.
• Modules chimiques dans les plages recommandées : saturation en chaux entre 94 et 98, module alumino-ferrique entre 1,6 et 2,4.

Pièges courants

• Mauvais étalonnage de l’appareil de fluorescence X, entraînant des résultats erronés.
• Nettoyage insuffisant de la presse ou de la cassette lors de la préparation des pastilles, affectant la qualité des mesures.
• Non atteinte de la masse constante lors de la perte au feu, conduisant à une sous-estimation ou surestimation de la perte réelle.
• Erreur dans la lecture du titre lors du dosage de la chaux libre, notamment si la réaction n’est pas terminée après 15 minutes.
• Confusion dans le calcul des modules chimiques, en particulier dans l’utilisation des bonnes valeurs de concentration des oxydes.
• Ne pas respecter les températures et durées de calcination, ce qui fausse la détermination de la perte au feu et du pourcentage d’ajout.