Les ciments sulfo-alumineux

Les CSA trouvent des applications dans l’industrie du béton. [©ACPresse]

Notations cimentières générales :
• C = CaO ;
• S = SiO₂ ;
• $ = SO₃ ;
• A = Al₂O_{3 ;}
• H = H₂O.

1 – Qu’est-ce qu’un ciment sulfo-alumineux ? En existe-t-il différentes sortes ?

Les ciments sulfo-alumineux sont constitués d’un mélange de clinker sulfo-alumineux et de sulfate de calcium hydraté (gypse) ou non hydraté (anhydrite). Dans le cas de ces ciments spéciaux, le sulfate de calcium est introduit en quantité plus importante que pour le ciment Portland qui n’en contient que 5 % et qui agit comme régulateur de prise. Dans le cas des ciments sulfo-alumineux, cette teneur peut atteindre 20 à 25 %.

Un clinker sulfo-alumineux est caractérisé par la présence en quantité plus ou moins grande de C₄A₃$ (ou yeelimite), qui est produit à partir de la cuisson à une température comprise entre 1 200 °C et 1 300 °C d’un cru composé d’une source d’alumine (bauxite, sous-produit alumineux), de calcaire et d’une source de sulfate calcium (gypse naturel ou chimique, anhydrite).

 2 – Quelles sont les caractéristiques physico-chimiques des ciments sulfo-alumineux ? Qu’est-ce qui les distingue des ciments “classiques” ?

Mortiers de réparation,
chapes, scellements sont autant d’exemples où les CSA peuvent être utilisés. [©ACPresse]

En comparaison au clinker Portland, le clinker sulfo-alumineux contient moins de chaux et de silice. En ce sens, il se distingue par une réduction d’environ 40 % des émissions de gaz carbonique lors de sa fabrication, liée à l’utilisation d’un cru moins riche en calcaire et à une température de clinkérisation plus basse.

L’hydratation des ciments sulfo-alumineux conduit à la formation d’ettringite, responsable du développement rapide des résistances mécaniques à court terme. Par la formation de silicates de calcium hydraté C-S-H, la bélite contribue au développement des résistances mécaniques à long terme. En présence de chaux (qui peut être apportée par le ciment Portland), l’hydratation peut alors conduire à la formation d’ettringite expansive. Cette propriété peut être utilisée pour compenser le retrait ou créer une précontrainte.

3 – Quelles sont les applications possibles pour ce type de ciment ? Peut-on réaliser tous les types de bétons avec (dont des Bap) ? Pourquoi ?

Il faut distinguer l’utilisation de ciment sulfo-alumineux seul de celle comme ajout ou en mélange au ciment Portland, afin d’en améliorer certaines propriétés (ce dernier cas est de loin le plus rencontré dans les diverses applications possibles).

Les propriétés spécifiques concernent les vitesses de prise qui peuvent être contrôlées à loisir, de quelques secondes (ciment de type prompt) à plusieurs heures (à l’aide d’adjuvants retardateurs). Elles peuvent aussi agir sur les variations dimensionnelles qui peuvent être limitées. Les vitesses de durcissement sont plus élevées que celles des ciments Portland et peuvent encore être accrues par l’utilisation d’accélérateurs de durcissement. Cette propriété est souvent exploitée pour des matériaux devant faire prise et durcir par temps froid (< 5 °C).

Le retrait inhérent à l’utilisation de ciment Portland peut être compensé. Il est aussi possible, moyennant l’ajustement de la composition des liants, de fabriquer des ciments sulfo-alumineux expansifs.

Les ciments sulfo-alumineux apportent des solutions techniques innovantes.

Les ciments sulfo-alumineux permettent d’immobiliser les métaux lourds (inertage des déchets de type Réfiom). Ils présentent une certaine insensibilité à de nombreux inhibiteurs de prise, tels que le plomb ou le zinc, ainsi qu’une faible perméabilité. Il faut souligner leur bonne capacité d’immobilisation des sulfates que l’on cherche souvent à stabiliser dans le cas de terres polluées. Enfin, par leur capacité à former de l’ettringite, ils peuvent permettre de rendre réexcavables des sols ou des matériaux gorgés d’eau comme, par exemple, les sédiments de dragage des ports.

La famille des superplastifiants utilisés avec le ciment Portland fonctionne bien avec les ciments sulfo-alumineux. En particulier les superplastifiants de type polycarboxylate greffés par des chaînons de polyoxyde d’éthylène permettent d’obtenir des bétons auto-plaçants (Bap) à condition de contrôler les problèmes d’incompatibilité qui peuvent se produire en présence de certains retardateurs de prise.

 4 – Quelles sont les limites d’emploi pour ce type de ciment ?

Les limites d’emploi des ciments sulfo-alumineux sont liées aux conditions de formation ou de dégradation des hydrates formés pendant l’hydratation, l’ettringite C₆A$₃H₃₂ et l’hydroxyde d’aluminium AH₃.

• La morphologie de l’ettringite joue un rôle primordial dans le phénomène d’expansion. Une ettringite formée tardivement et de façon non contrôlée peut nuire à la durabilité du matériau, en créant de l’expansion destructive. C’est le cas dans des bétons sulfo-alumineux, mis en œuvre avec un rapport eau/ciment trop bas qui ne permet pas la formation complète d’ettringite primaire, qu’un apport ultérieur d’eau externe ou de sulfates peut rendre fragile vis-à-vis de cette pathologie.

• La limite d’emploi de ce type de ciment se situe à 65 °C en atmosphère sèche et à 100 °C en environnement humide. La possibilité de fabriquer des bétons réfractaires semble donc à proscrire.

• La mise en œuvre de ce type de béton à des températures supérieures à 65°C conduit à la formation d’un autre hydrate que l’ettringite, le mono-sulfo-aluminate de calcium (MSA) plutôt métastable qui peut nuire aux performances de durabilité du matériau.

• Comme tout matériau cimentaire, en environnement très acide (pH < 3), les ciments sulfo-alumineux ne sont pas garants d’une bonne durabilité. En dessous de pH de 3, l’hydroxyde d’aluminium AH₃ se dissout.

Le pH bas des solutions interstitielles de ciments sulfo-alumineux (de l’ordre de 10/10,5) peut être à l’origine d’une dépassivation des armatures et de l’amorçage d’un phénomène de corrosion dans les bétons armés ou précontraints. Mais les ciments sulfo-alumineux sont utilisés comme ajouts du ciment Portland et des valeurs de pH aussi basses ne sont pas obtenues dans la réalité. Peu d’utilisations du ciment sulfo-alumineux en béton armé ou précontraint sont, pour le moment, recensées et le sujet reste à étudier…

 5 – Pourquoi les ciments sulfo-alumineux sont-ils si peu usités ?

Les bétons projetés tout comme ceux dédiés à la construction ou à la réparation des pistes aéroportuaires acceptent l’emploi de CSA. [©ACPresse]

L’amalgame a aussi été fait avec les ciments alumineux, dont l’utilisation dans des bétons de structure a conduit à l’écroulement de plusieurs ouvrages avant que des règles de formulation n’aient été imposées pour éviter le phénomène de conversion des hydrates à l’origine d’une dégradation des performances mécaniques dans le temps. Or, ce phénomène de conversion n’existe pas avec les ciments sulfo-alumineux.

Tout comme le ciment alumineux, le ciment sulfo-alumineux peut être utilisé de façon fiable et conduire à la formation de matrices ettringitiques stables et durables à condition de maîtriser certaines règles de formulation. Utilisé comme ajout au ciment Portland, le ciment sulfo-alumineux doit encore faire l’objet d’études de compatibilité, de façon à améliorer la robustesse des propriétés d’usage des liants binaires (ciment sulfo-alumineux/ciment Portland) vis-à-vis de la composition chimique variable du ciment Portland (teneur en chaux libre, taux et nature du gypsage, teneur en alcalins).

Dans beaucoup d’applications auxquelles le ciment Portland ne peut pas répondre, même en utilisant des adjuvants accélérateurs, le ciment sulfo-alumineux devrait trouver sa place, compte tenu d’une diminution significative du coût énergétique et des émissions de gaz carbonique lors de sa production. Ses spécificités et ses avantages ne doivent cependant pas faire oublier un coût matières premières plus élevé que pour la production de ciment Portland dû à l’utilisation dans le cru d’un matériau noble : l’alumine généralement introduite sous forme de bauxite.

Bruno Le Rolland, Ratana Soth, André Roux

Laboratoire Adjuvants et Produits Spéciaux du CTG (Italcementi Group)