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La production des chaux aériennes,
des liants hydrauliques et des ciments


Article paru dans la revue Maisons Paysannes de France n°170

"Les liants destinés à la construction se composent de deux grandes familles distinctes par leur mode de prise : les produits aériens et hydrauliques. 

  • Les premiers réalisent leur prise en présence de gaz carbonique : il s'agit d'une prise aérienne.
  • Alors que la prise des seconds se fait en présence d'eau. 

La famille des liants hydrauliques se subdivise en deux sous familles :

  • les ciments et
  • les chaux hydrauliques.

La fabrication de ces trois types de liants diffère grandement ; voyons quels en sont les grandes lignes. Nous verrons, dans un premier temps la préparation des matières premières, leur choix, leur extraction et leur conditionnement. Dans un second temps nous aborderons leur cuisson, puis dans un troisième nous détaillerons leur traitement final.

Les matières premières : La fabrication de ces trois types de produits se différencie dès le choix des matières premières.

Les chaux aériennes : Les chaux aériennes sont issues de pierres calcaires très pures de l'ordre de 95 à 99.5 % de carbonate de calcium (calcaire). Les carrières permettant d'obtenir les carbonates les plus purs sont très recherchées. En effet de la matière première dépend entièrement la qualité et la pureté du produit final.
Les nombreuses applications de la chaux aérienne imposent au chaufournier de sélectionner le gisement le plus pur et le plus constant. En effet de nombreuses impuretés peuvent en perturber leur utilisation que ce soit, par exemple, la présence de soufre et de phosphore pour les applications sidérurgiques. En ce qui concerne les applications bâtiment, les impuretés suivies concernent essentiellement la présence de fer sous forme d'oxyde dont la présence conditionne fortement la couleur de la chaux obtenue. D'autre part, la structure cristalline de la roche doit être, elle aussi, la plus constante possible. En effet, il est clair que si la roche se trouve sous la forme de calcite très dense ou de craie, la qualité de la chaux aérienne obtenue en sera totalement différente. C'est pourquoi il est indispensable pour un chaufournier d'analyser très minutieusement la géologie de ses carrières et de bien choisir, lors de son exploitation, la matière première utilisée.
L'extraction de la matière première est réalisée par tir à l'explosif afin d'obtenir des blocs qui seront par la suite concassés.

Une fois cette matière première sélectionnée puis extraite, il est nécessaire de la débarrasser de ses impuretés, c'est à dire d'éliminer le mieux possible les fines particules chargées d'impuretés. Suivant la géologie des carrières, il est parfois même nécessaire de laver les pierres.

Suivant le type de four utilisé, les pierres doivent être calibrées en différentes granulométries : de façon générale, de 30 à 120 mm pour les fours droits et de 05 à 40 mm pour les fours rotatifs.
Le challenge du chaufournier consiste à optimiser au mieux le rendement de sa carrière ce qui se réalise par le choix du mode d'extraction, de concassage, de calibrage et de fonctionnement de ses fours.

 

 

Synopsis de la fabrication de la chaux aérienne. ©BCB

Les liants hydrauliques  La matière première destinée aux liants hydrauliques est elle aussi déterminante pour les caractéristiques des produits finis. 
Dans ce cas, la matière première est constituée de roches calcaires dont les impuretés doivent permettre, lors de la cuisson de créer les composés hydrauliques. Les impuretés sont essentiellement des argiles qui réagiront avec le calcaire pour composer les matériaux à prise hydraulique.
Il est donc essentiel, si l'on veut, et c'est bien le but, obtenir des produits aux caractéristiques constantes alimenter les fours avec des matières premières constantes. C'est pourquoi un important travail consiste à sélectionner minutieusement, dans le gisement, les matières premières et surtout à les homogénéiser.
A contrario des chaufourneries, les cimenteries doivent broyer la pierre avant leur introduction dans les fours. Cette étape permet d'optimiser l'homogénéité et de permettre une meilleure réaction entre les composants. C'est pourquoi, à de très rares exceptions près, les cimenteries possèdent des fours rotatifs seuls capables de cuire des poudres.

Pour garantir l'homogénéité de la matière première, il est indispensable, après broyage, de prévoir des silos d'homogénéisation des matières premières. Suivant la capacité de production de l'usine, ces silos peuvent atteindre des tailles très conséquentes.
Dans certains cas, la préparation peut aussi se faire par voie liquide, pour un broyage plus efficace mais aussi plus énergivore.
Le cas de la fabrication de la chaux hydraulique est un intermédiaire entre la production de chaux aérienne et de ciment.
En effet, la matière première doit contenir, comme dans le cas des ciments, des impuretés pour permettre d'obtenir, lors de la cuisson, des composés hydrauliques. Mais le mode de cuisson en four droit nécessite que la matière première soit sous forme de blocs permettant l'évacuation des fumées (« respiration du four »). Il n'est donc pas possible de passer par l'étape de broyage pour garantir l'homogénéité de la matière première et donc la constance des caractéristiques finales de la chaux hydraulique. Il faut ajouter à cela que, suivant les caractéristiques du produit final désiré (NHL 2.5, NHL 3.5 ou NHL 5), les matières premières ne contiennent pas les mêmes quantités d'impuretés. Ces deux difficultés liées font qu'il devient extrêmement délicat de produire un produit parfaitement constant.

Une fois la matière première préparée, et nous en avons compris l'importance, la seconde étape consiste à lui faire subir un traitement thermique.

La cuisson : Lors de cette étape, la fabrication de la chaux aérienne est relativement semblable à celle de la chaux hydraulique du fait que la matière première ne se trouve pas sous forme de poudre mais de blocs calibrés. Le type de four utilisé est en général, pour des questions d'économie d'énergie, vertical. La consommation énergétique d'un four vertical peut être d'au moins 40 % inférieure à celle d'un four rotatif. Le choix d'un four rotatif peut s'expliquer par un besoin de capacité de production supérieur ou par l'utilisation de pierre plus fine ce qui permet d'améliorer le rendement de la carrière.

La différence entre la fabrication de chaux aérienne et celle de chaux hydraulique se situe au niveau de la température de cuisson. En effet, la cuisson de la chaux aérienne consiste simplement en une décarbonatation et se fait à plus basse température que celle de la chaux hydraulique. La cuisson de cette dernière consiste en une décarbonatation partielle ajoutée d'une réaction chimique permettant la constitution des composés hydrauliques. 
D'une façon générale, une chaux aérienne est cuite aux alentours de 900°C et une chaux hydraulique aux alentours de 1250 à 1350° C, suivant les caractéristiques finales recherchées des produits. Plus les caractéristiques de la chaux hydraulique doivent être élevées (ex. NHL 5) et plus il est nécessaire de cuire à plus haute température. La cuisson de la chaux hydraulique est donc pour le producteur une difficulté supplémentaire pour garantir la constance du produit fini.

Dans le cas du ciment, la cuisson est une étape cruciale certes mais relativement simple à contrôler.
La cuisson de la poudre impose l'utilisation d'un four rotatif. Le challenge consiste à optimiser les consommations d'énergie et donc d'utiliser des préchauffeurs permettant d'abaisser la température des fumées par le préchauffage de la poudre avant son introduction dans le four. Les températures de cuisson sont alors plus généralement de l'ordre de 1400° C à 1450° C.

Le conditionnement : Une fois le produit cuit, un dernier traitement est nécessaire pour obtenir le produit fini.
La production du ciment et de la chaux aérienne est fondamentalement différente, celui de la chaux hydraulique cette fois encore intermédiaire.

 

Exemple de synopsis de la fabrication du ciment

Dans une cimenterie, le clinker issu du four doit impérativement être broyé être réactif à l'eau. De la finesse du broyage dépendra la réactivité du produit fini. Il s'agit donc d'une étape très importante. C'est lors de cette étape de broyage que sont ajoutés les produits donnant les caractéristiques particulières et donc le classement du ciment en CEM I (ciment portland) ou en fonction des différents additifs, en CEM II à V. Les ajouts peuvent être soit du carbonate de calcium (filler), du laitier de hauts fourneaux, des cendres volantes, de la fumée de silice, de la pouzzolane, etc.

La production de chaux aérienne issue du four est appelée chaux vive. Elle peut être utilisée telle quelle en blocs ou broyée. C'était le cas de nos ancêtres. Cependant, pour des raisons pratiques et de sécurité, aujourd'hui les chaufourniers font subir à cette chaux vive une étape d'extinction. Cette étape consiste à ajouter la quantité nécessaire et suffisante à la chaux vive pour obtenir une poudre sèche dans laquelle il n'y a plus de chaux vive. Cette extinction produit beaucoup de chaleur et permet de diviser les blocs de chaux vive en poudre fine sans broyage. Lors de cette étape, les chaufourniers réalisent une sélection granulométrique de la chaux ce qui lui permet de garantir un produit parfaitement constant au fur et mesure des cycles de fabrication par élimination des incuits et des surcuits.

Dans le cas de la chaux hydraulique, une étape d'extinction est nécessaire : elle permettra à la chaux vive présente de réduire les blocs sous forme de poudre. Il est bien évident qu'un excès d'eau lors de l'extinction est à proscrire pour éviter le démarrage des réactions hydrauliques. Cette étape est très délicate. Elle est, pour des raisons évidentes de production, très souvent suivie d'une étape de broyage pour permettre la réaction hydraulique lors de l'utilisation.

En résumé, nous avons suivi les process de production des ciments, des chaux hydrauliques et des chaux aériennes. Comme nous avons pu le constater les fabrications du ciment et de la chaux aérienne autorisent à partir du procédé de fabrication, si l'on s'en donne les moyens, de réaliser des liants parfaitement constants au fur et mesure des années de production. Dans le cas de la chaux hydraulique, le choix des matières premières, du mode de cuisson et d'extinction conditionnent très fortement les caractéristiques du produit final. Ceci implique que le type de produit fini peut être très variable. Ce dernier point explique qu'il y a plusieurs types de chaux plus ou moins hydrauliques et que le choix soit plutôt effectué a posteriori lors des contrôles de produits finis (de NHL 2 à 5). Il est donc bien évident qu'au sein même d'une classe, les caractéristiques sont variables. Il s'agit là de la principale difficulté du producteur de chaux hydraulique.

Texte :
Daniel DAVILLER. Directeur Général Délégué de BCB

 

 

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