ASPECTS  PHYSICO- CHIMIQUES DU CIMENT BLANC

                                                         

Par   A.CHAREF

Ingénieur -Expert en matériaux de construction

1.       INTRODUCTION:

Le ciment blanc est un ciment Portland, il est fabriqué à partir des matières premières brutes particulièrement choisies qui sont généralement la craie pure et l'argile blanc (kaolin) contenant de très petites quantités d'oxydes de fer et d'oxydes de manganèse.  Le ciment blanc est fréquemment choisi par les architectes pour son utilisation dans  la fabrication du béton blanc,  blanc cassé ou coloré, qui sera exposé, à l’intérieur ou à l’extérieur  des édifices, au regard du public.

Il est bien connu que la fabrication du ciment blanc exige un contrôle rigoureux et précis durant l’ensemble des étapes du processus technologique afin d'empêcher la contamination du produit avec du fer, le manganèse, et le titane.  Le ciment blanc se caractérise par une teneur extrêmement basse de C4AF (moins de 1,5%) et une teneur élevée de C3S et de C2S.  La composition chimique du clinker de ciment Portland  blanc en comparaison à celle du clinker du ciment gris est donnée dans le tableau 1.

TABLEAU N°1.COMPOSITION CHIMIQUE DU CLINKER DU CIMENTPORTLAND BLANC ET GRIS 

Clinker ciment portland ........................................ Gris ......................................... blanc (Normal) .........................................  blanc(Minéralisé)

SiO2    Al2O3   Fe2O3  CaO   MgO     F      K2O    Na2O    SO3   L.O.I ..................................................................................................... 20.8    5.5      3.61      65.6   2.13      -       0.91     0.19     0.87   0.24 ..................................................................................................... 23.1    6.2      0.28      67.8   0.83    0.24    0.14     0.05     0.89   0.50 ..................................................................................................... 23.8    2.3      0.27      68.0   0.48    0.85    0.12     0.04     0.65   0.90

Le processus de fabrication du ciment blanc est tout à fait semblable à celui du ciment portland gris. Le processus inclut le choix des matières premières, la préparation du mélange cru, la cuisson du clinker, le blanchiment et le refroidissement et le broyage. La production se fait selon des conditions précises, qui sont contrôlées à toutes les étapes, afin d'éviter les contaminations possibles et les changements peu désirés. Cependant, la principale différence technologique réside dans la combinaison du refroidissement et du blanchiment, nécessaires pour améliorer la blancheur du ciment et garantir l’homogénéité de la couleur. 

Le ciment Portland blanc a  donc essentiellement les mêmes propriétés que le ciment gris, excepté la couleur. La blancheur du ciment blanc est une des caractéristiques  les plus importantes.  Les spécifications de la blancheur font ressortir les grades suivants : 

• 1 er    Grade : blancheur        > 80%

• 2 eme Grade : blancheur de  75à 80%

• 3 eme Grade : blancheur de  68à 75%

2. CHOIX DES MATIÈRES PREMIÈRES:

Puisque la composition chimique du ciment blanc exige l’absence de C4AF, la pureté des sources d’approvisionnement de Si -, Ca – et d'Al est une exigence essentielle pour fabriquer du  ciment blanc de haute qualité.  Pour le grade élevé du ciment blanc, le calcaire  doit contenir moins de 0,15% de Fe2O3 et moins de 0,015% de MnO;  l'argile (kaolin) doit contenir 65-80% de SiO2, pas plus de 1,0% Fe2O3, moins de 0,8% de TiO2 et seulement des traces de MnO.  Généralement, le kaolin approprié contient 70-73% de SiO2, 18-20% de l'Al2O3, 0,4-1% de Fe2O3, et 0 0,8% de TiO2 et sans aucune trace de  MnO. Le sable de quartz doit contenir au moins 96% de SiO2, et au plus 0,2% de Fe2O3.  La proportion de chacun de ces composants doit également répondre aux exigences du processus de cuisson,  en tenant compte du fait que même les minéraux purs (tels que C3S et C2S), synthétisés et contrôlés dans des conditions précises du  laboratoire, pourraient avoir une couleur différente du blanc. La composition du mélange du cru visée  fait ressortir (en poids) 20% de SiO2, jusqu'à 5% de l'Al2O3 et 75 - 85% de CaCO3. D’une façon générale, la composition du mélange cru est conçue pour fournir un coefficient de saturation de 0,85- 0,88 et un module silicique de 3,2- 4,0.

Une solution intéressante pour améliorer la blancheur du ciment consiste à  minéraliser les clinkers.  De tels clinkers minéralisés sont produits grâce à l’utilisation d’adjuvants ou de minéralisateurs dans des proportions relativement faibles (2 - 3 %, et 0,1% s’est  avéré efficace dans certains cas).  Il est  bien connu que les minéralisateurs  sont des fondants  comme F, SiF (NaSiF), CaS,  les résidus phosphoriques et les chlorures sous   différentes formes. L’utilisation des chlorures est très efficace dans le cas de proportion élevée de Fe dans le mélange cru, mais elle doit être  limitée en raison de la corrosion des aciers.  L'application du gypse comme composant du clinker s’est avérée également efficace puisqu’elle permet de réduire la consommation d'énergie et d’augmenter les résistances.  Lorsqu’ils sont utilisés dans la composition du clinker, les minéralisateurs fournissent non seulement l'agglomération à de basses températures, mais permettent de changer également  et de manière significative les caractéristiques optiques du ciment en tant que produit fini. 

3. PRÉPARATION ET TRAITEMENT DU MÉLANGE CRU: 

Dans le processus de broyage du mélange cru, une attention particulière doit être consentie au choix des équipements de concassage et  de broyage (l'acier Cr-Ni est recommandé), afin d'éviter la contamination du mélange cru avec du fer.  L’utilisation des équipements traditionnels de broyage ajoute environ 0,1% de fer au mélange cru, ce qui  conduit à une augmentation de 0,2% de la teneur de fer après cuisson.  Aussi bien que l’emploi des aciers spéciaux dans la fabrication des parties essentielles des équipements, les solutions possibles pour améliorer la blancheur incluent le contrôle de l'humidité du mélange cru et la réduction du temps de broyage en utilisant des agents de mouture (la facilité de broyage dépend de la qualité effective des produis commercialisés ) .Dans certains cas, l’installation des équipements de granulation est recommandée dans la  préparation du mélange de cru et plus particulièrement lorsque le four à lit fluidisé est utilisé pour la cuisson. 

4. CUISSON  ET  CLINKERISATION:

Pour offrir les meilleures conditions pour la formation de clinker, la température de cuisson du mélange cru préalablement préparé doit être précise et maintenue entre 1873 et 1973 K selon la composition du mélange cru et la composition désirée du produit fini.  L'utilisation de minéralisateurs permet la réduction de la température à 1553K.  À ce stade le choix de carburants sans cendres et de réfractaires à base de  talc-magnésite (ou autre magnésite -base) avec un liant spinelle est indispensable pour éviter la contamination de clinker.  L'injection du carburant additionnel au préchauffeur ou avant la décharge semble être efficace pour entretenir les conditions nécessaires à la clinkérisation dans un four rotatif. L’installation d'équipement spécial tel que celle d’un four à lit fluidisé est vivement recommandé pour l’obtention d’un clinker de haute qualité permettant  la production du ciment blanc. 

5. BLANCHIMENT ET  REFROIDISSEMENT:

La majorité des documents bibliographique traitant du ciment blanc soulignent l'importance du refroidissement pour l’obtention d’un niveau satisfaisant de blancheur du clinker. Une atmosphère non oxydante ( absence d'oxygène ) dans la première étape du blanchiment et le refroidissement rapide par jet d'eau ont été utilisés pour l'amélioration de la qualité de clinker.  Un mélange gazeux  destiné pour blanchir doit contenir moins de 0,2% d'O2 et plus de 5% de CO.  Le processus de blanchiment est conduit à une température de 1373-1473K permettant la réduction de FeO3 jusqu'en FeO et la réduction de MnO.  Une température inférieure à 200°C doit être maintenue dans la sortie de l'appareil de refroidissement. 

Une autre possibilité consiste au refroidissement préliminaire du clinker en utilisant un gaz de convertisseur (pendant 1-2 minutes à 1000-1400°C et davantage de refroidissement dans un bassin d'eau.  Le gaz de convertisseur peut être produit par une combinaison de gaz naturel et de vapeur d'eau à 1173-1273K selon la réaction suivante:

CH4 +H2O = CO+3H2

Le CO et le H2  résultants sont très actifs  dans la conversion des oxydes de Fe et de manganèse.  Le refroidissement rapide (extinction) du clinker dans l'eau (contenant un peu de HCl, de H2SO4 ou d'autres acides) fournit une amélioration significative de la blancheur. 

6. BROYAGE OU MOUTURE:

Le broyage final est une des étapes les plus essentielles dans le processus de fabrication du ciment blanc. Le choix  approprié de gypse ayant une grande pureté est également important à ce stade.  Les précautions traditionnelles concernant  les moyens de broyages doivent être observées.  L'utilisation d'un agent de mouture approprié (jusqu'à 0,1%) peut être recommandée pour augmenter la finesse et pour diminuer le temps de broyage;  ce qui entraînerait une augmentation 5-7% de la blancheur.  Puisque la blancheur représente seulement les caractéristiques optiques de la poudre de ciment, et il n'y a aucune mesure de la couleur à l’état durci, une possibilité additionnelle pour améliorer les paramètres optiques à l'étape du broyage peut être réalisée.

Par exemple, les micro-fillers finement broyés comme le marbre blanc ou le quartz, le gel de silice pur, le mica ou le talc, le kaolin (ou le méta-kaolin), les poudres avec des traces de TiO2, peuvent être utilisés dans des proportions relativement faibles (jusqu'à 5 - 10 % ou spécification exigée par norme).Si les paramètres optiques désirés sont fournis par des particules superfines, une certaine quantité (autour 10% et jusqu'à 30%) de composant superfin (composé micronisé existant) pourrait être recommandé. Le composant superfin peut être fabriqué séparément, en utilisant un agent de mouture de haute qualité et un système micronisation. L'approche permettant l’obtention de performances élevées de ciment. est la manière à suivre pour améliorer la blancheur et d'autres propriétés du ciment blanc.

7. MAÎTRISE  DE  LA COULEUR:

La couleur des minéraux naturels dépend de la présence des éléments chromophores colorants.  Le Fe, Co, Ni, Mn, Cr, Ti et le Cu sont des chromophores bien connus  et responsables de la couleur minérale. Parmi eux le Fe3+ est le chromophore le plus puissant:  il fournit une forte intensité de coloration caractérisant les nuances de rouge, de pourpre, et jaune.  Le Fe2+ fournit des nuances de vert et de bleu  et le Cr3+ offre des nuances de rouge au vert. 

L’utilisation des chromophores dans une proportion relativement faible (0,05-1%) pour colorer le clinker est une alternative aux colorants inorganiques, qui sont traditionnellement employés dans la fabrication de la couleur  des ciments et du  béton dans des proportions relativement élevées (2-12%).  Il a été constaté que le clinker contenant de C2S élevé peut être affecté facilement  par des chromophores comme le Mn, le Cr, Ni ; Le C3S du clinker pourrait être  coloré par l'addition de Co.  La poudre de la brique réfractaire de magnésite de chrome a été employée comme composant chromophore qui vise l’obtention  de 1,19% Cr2O3 et de 0,75 % FeO3 dans le clinker.

La vraie couleur d'un ciment  n’apparaît seulement  qu’après durcissement.  Les états du processus d'hydratation affectent de manière significative la couleur et particulièrement l'aspect du produit fini surtout lorsque le traitement à l’autoclave est utilisé. Les ciments blancs produisent des couleurs nettes et éclatantes,  notamment pour les pastels légers.

8.  PERFORMANCES ET CARACTERISTIQUES NORMALISEES:

Le ciment blanc  est généralement  conditionné en sacs mais il peut être livré en vrac. La blancheur du ciment blanc est due aux éléments naturels qui le composent. La pureté des matières premières doit être préservée tout au long du processus de fabrication du ciment blanc. Les caractéristiques du ciment blanc sont les mêmes que celles du ciment gris à l’exception de la teinte, mais les spécifications normatives diffèrent d’un pays à l’autre  et tiennent compte  des technologies existantes. Nous donnons  ci-après à titre d’illustration, les types, classes et certaines caractéristiques du ciment blanc pour montrer l’intérêt de la normalisation et du contrôle qui sont seuls capables  d’offrir un ciment blanc  de qualité et une régularité de  sa production.

• Types, classes et domaines d’application

Ciment Portland blanc au calcaire : CEM II/A-LL 42,5 N	Constitué de clinker Portland et de calcaire blancs, le CEM II/A-LL 42,5 N couvre tous les usages courants.
Ciment Portland blanc : CEM I 42,5 N LA CEM I 52,5 N LA CEM I 52,5 R LA	Le ciment Portland blanc peut être obtenu en diverses classes de résistance, permettant de couvrir tous les cas particuliers d’application.

• Propriétés physiques et mécaniques :

Les ciments blancs doivent répondent à toutes les performances physiques et mécaniques exigées par la norme EN 197 “Ciments”.Au lieu de reproduire les spécifications de cette norme, nous donnons ci-après, les caractéristiques moyennes de classes de ciment blanc  fabriquées par une usine certifiée en europe.

1.       Résistances à la compression en MPa

à 2 jours                           à 7 jours                                à 28 jours    CEM II/ A-LL 42,5 N                               28                                      41                                              52    CEM I 42,5 N LA                                     25                                      42                                              57    CEM I 52,5 N LA                                     32                                      50                                              64    CEM I 52,5 R LA                                     40                                        -                                               66

(moyennes de l’autocontrôle d’une usine)

2.       Temps de prise en min.

Début de prise                                 Fin de prise   CEM II/ A-LL 42,5 N                                                       150                                                   200   CEM I 42,5 N LA                                                             180                                                   220   CEM I 52,5 N LA                                                             160                                                   200   CEM I 52,5 R LA                                                             150                                                   180

3.      Teinte blanche

La caractéristique essentielle du ciment blanc, sa teinte blanche et  régulière, doit être rigoureusement  contrôlée en laboratoire au moyen d’un spectrophotomètre. Par ce procédé, la clarté du ciment mesurée avec la source lumineuse D65 est comparée à l’étalon de blancheur sulfate de baryum.

CEM II/ A-LL 42,5 N    ..........................                                                                      CEM I 42,5 N LA    ..............................                                                                                                CEM I 52,5 N LA  ...................  ..........                                                                           CEM I 52,5 R LA ......................... .......	Luminosité moyenne (en %) ......................85........................... ......................82.......................... ......................84........................... ......................86...........................	Norme Égyptienne (1031-6/2000) 82   +/-    5%
A titre indicatif, la luminosité moyenne d’un ciment gris CEM I 42,5 R est inférieure à 35%.

• Propriétés chimiques

Une autre conséquence de la pureté de leurs matières premières est que les ciments blancs présentent une teneur particulièrement faible en alcalis. Cette propriété permet de les utiliser en combinaison avec tous les granulats traditionnels, sans risque de réaction entre les alcalis du ciment et des granulats. La particule “LA” témoigne de la teneur limitée en alcalis des ciments Portland blancs, selon la norme NBN B 12-109. Bien que cette même norme ne prévoie pas les ciments Portland au calcaire dans la liste des ciments LA, la teneur en alcalis du CEM II/ A-LL 42,5 N blanc est bien inférieure à la limite 0,6%.

Composants	Norme Egyptienne Es.1031-6/2000	En197-1:2000 CEM1 52-5
MgO	3.5% maximum.	4.5% maximum.
Cl		0,10% Maximum
Résidus Insolubles	1,5% Maximum .	5% maximum.
Perte au Feu	4% maximum	5% maximum.
Facteur de Saturation de Chaux	0,66-1,02

Une teneur élevée en C3S et une finesse appréciable (4000-4500 cm²/g) fournissent d’importantes résistances  mécaniques du ciment blanc à tous les âges. En raison de la teneur relativement élevée de C3A (jusqu'à 15%), les mortiers et le béton au ciment blanc sont très susceptibles aux déformations de retrait. L’utilisation des agrégats de haute qualité et la formulation des mélanges de  mortier et de béton à faible rapport E/C et à faible dosage en ciment est recommandé pour surmonter ce problème. 

La carbonatation de la solution de Ca(OH)2 qui migre à travers les pores et les capillaires de la pâte durcie du ciment vers la surface  des éléments et les parements  s'est avérée une des raisons principales de la formation des efflorescences.  Afin d’éviter les efflorescences, il a été proposé l’addition de  diatomite à haute  teneur en SiO2 ou de la fumée de silice blanche. Comme alternative, l’utilisation d’adjuvant hydrophobe lors du broyage de ciment  s’est avérée très efficace dans l'élimination des efflorescences.

9. APPLICATIONS :

Le béton de ciment blanc offre la réponse esthétique et économique aux exigences des  constructions. Il se prête à toutes les formes et couleurs de l’expression artistique en accord avec l’environnement. Il est synonyme d’entretien aisé. Un léger lavage à l’eau claire et périodique est suffisant. Il rend inutile tout autre type de finition. Il garde sa clarté sous la pluie. Cette clarté en fait d’ailleurs un élément apprécié de la sécurité routière et aérienne.

Par ailleurs, différentes couleurs peuvent être créées en ajoutant des colorants au béton fabriqué avec le ciment Portland blanc. Deux colorants ou plus peuvent être combinés pour réaliser un éventail de couleurs. Le ciment blanc (ou un mélange du ciment blanc et gris) peut être indiqué pour fournir une couleur cohérente de choix. Une grande variété d’applications décoratives peut être réalisée en employant des agrégats colorés et en modifiant le traitement ou la texture extérieur de finition. 

Le ciment blanc s’utilise généralement dans les domaines de la  finition et  de  la décoration et  dans la fabrication des éléments qui contribuent à la sécurité routière. Les utilisations possibles et non exhaustives du ciment blanc sont les suivantes:

• Planchers de décoration, revêtements de sol  et tuiles;

• Panneaux en béton  architectural:  pièces préfabriquées ou coulées en place;

• Ciment colle, plâtres, coulis, peintures, produits  de réparation; 

• Sécurité routière: barrières, bordures de trottoir;

• Art du béton:  statuts et formes architecturales.

Les applications du ciment blanc font appel à la blancheur ou  d’autres couleurs nécessitant une grande pureté et une homogénéité.  Afin de fournir la couleur désirée du béton, les facteurs suivants doivent être pris en considération.

• Type et couleur du ciment; 

• Type et dosage de colorant;

• L’état de surface (uni, planéité etc)

• Type de coffrage et d’agent de démoulage;

• Type, classe, couleur et propreté d'agrégat;

• E/C et proportions du mélange de béton;

• Type et dosage des adjuvants.

Le béton blanc ou coloré est formulé en se basant sur l'effet de chacun de ses ingrédients sur la couleur  finale du béton. Pour chaque projet architectural, une fois une la composition de mélange est développée, des panneaux témoin devraient être construits sur chantier. Ces maquettes serviront de références à la couleur et à l'aspect extérieur global, moyennant la réalisation des essais nécessaires.

10. CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS:

L'amélioration de la qualité du ciment  blanc peut être réalisée par:

1.      L’analyse et le contrôle précis du processus technologique de fabrication :  préparation des matières premières et du broyage;

2.      L’amélioration du broyage du mélange  cru et de l'utilisation des agents de mouture  et des  additifs correctifs; 

3.      Le contrôle des conditions de clinkérisation et de l'utilisation des minéralisateurs appropriés du clinker;

4.      L’utilisation du processus technologique du blanchiment;

5.      L’utilisation  de micro-fillers qui pourraient contribuer à la blancheur et à l'amélioration des performances. 

6.      La spécification d’un  niveau de performances élevé en ce qui concerne les résistances, le retrait, la durabilité et l'alcali- silice.

Compte tenu de la complexité de la relation entre la blancheur du ciment et de celle du béton et des préoccupations à satisfaire la demande esthétique, de nouveaux produits décoratifs de ciment ont pu être fabriqués en tenant compte des caractéristiques exigées tels que la couleur, les résistances, le retrait, le bullage, le lissage, etc.  il suffit donc  de traduire les besoins en paramètres techniques mesurables permettant de guider les fournisseurs à offrir le grade de  ciment blanc le plus approprié ou les  produits préfabriqués  colorés qui répondent aux normes et aux cahiers des charges qu’il faudrait élaborer et mettre en place. Sans normalisation et certifications responsables, la blancheur du ciment blanc virera au gris avant même la sortie des usines.

Par ailleurs, Il est nécessaire de préciser  les rôles et responsabilités des acteurs au lieu de continuer à culpabiliser injustement  la pollution atmosphérique pour ce qui est de l’altération  entre autres de la couleur  du béton architectural ou des éléments nécessitant la blancheur empruntée par celle du ciment dit blanc qui est censé être à un niveau de blancheur préalablement défini.

La couleur, la brillance comme les autres caractéristiques mécaniques, physique et chimiques  des matériaux et produits  de construction sont des caractéristiques mesurables aussi bien sur chantier qu’au laboratoire et  leur qualification doit être perçue comme  un argument scientifique et technique capable de contrôler le respect des exigences contractuelles. Sinon la confusion du rouge et du vert chez les daltoniens pourrait continuer d’atteindre les sujets sains et portera sur d’autres couleurs et plus particulièrement sur  le gris et le blanc. Toutefois, la même approche est à engager pour les peintures et les revêtements de sols et de murs pour ne citer que les produits en rapport avec l’esthétique de nos constructions et de nos villes.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES :

• What is white cement ?portland association cement 1999

• Rapports de recherche sur la technologie blanche de ciment, 1999 par Sobolev K. 

• Caractéristiques  du ciment blanc de Portland,  No.12 Concret, Chicago, 1999.

• Effets de Super-plastifiants  sur l'hydratation du ciment blanc minéralisé,  le 10eme congrès international sur la chimie de Cement, Vol.3, 1997. 

• Mélanges crus de ciment à 1400 °C:  l'effet de la composition chimique,  Ciment et Research, Vol.9 concret, 1979

• Specifying concrete to BS EN 206–1/BS 8500 Coloured concrete October 2000

• White cement problems of production and quality  par Sobolev K

• Fiches techniques des Ciments blancs du fabricant CBR

• Guide pratique de béton de ciment blanc, CBR édition 2002

Fig. 1. This white precast concrete building houses the ASTM

International Headquarters in West Conshohocken,

Pennsylvania. Architect: Diseroad Wolff Kelly Clough Bucher

Inc., Hatfield Pennsylvania. Photographer: Peter Leach,