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De Realtà Mapei n° 39 - 2025-04-11

Les défis du ciment à faible teneur en clinker

Solutions novatrices pour la neutralité carbone du ciment au béton

Au cours des dernières années, l’industrie du ciment a été confrontée à de nouveaux défis liés, avant tout, à la nécessité de réduire ses missions pour atteindre la neutralité carbone. La production de ciment représente environ 8 % des émissions de carbone dans le monde,

principalement causée par la décarbonation des minéraux calcaires utilisés pour produire du clinker et par la grande quantité de combustibles nécessaires pour atteindre les températures de combustion élevées. Pour chaque tonne de clinker produite, environ 0,85 tonne de CO₂ est émise dans l’atmosphère.

Pour réduire son empreinte carbone, l’industrie du ciment met en oeuvre diverses nouvelles stratégies. Parmi celles-ci figurent la réduction du ratio clinker-ciment (facteur clinker), l’utilisation de combustibles plus propres (p. ex., gaz naturel et hydrogène), le recours à des matières premières de remplacement, le captage, l’utilisation et le stockage du carbone, les énergies renouvelables, l’approvisionnement local et les transports écologiques. La mesure la plus efficace d’entre elles consiste à réduire le facteur clinker. À l’heure actuelle, en Amérique du Nord, le facteur clinker moyen est d’environ 0,85. Pour contribuer de façon significative à la neutralité carbone, on estime que ce facteur devra être abaissé à au moins 0,75.

ASTM C595 pour les ciments composés

L’ASTM C595 définit quatre types de ciments composés avec un facteur de clinker inférieur intégrant du calcaire, du laitier, de la pouzzolane ou diverses combinaisons de ces éléments. Il s’agit des ciments de type IL, IS, IP et IT, respectivement. Le ciment de type IS n’entre pas dans le cadre de cette discussion, car le laitier est coûteux et rarement utilisé dans la production de ciment. Dans le cas du ciment de type IL, le facteur clinker ne peut être réduit que dans une certaine mesure, majoritairement de 8 à 12 %, et d’au plus 15 % selon la norme. Par ailleurs, les ciments de type IP et IT permettent de remplacer beaucoup plus de clinker, ce qui permet de réduire davantage le facteur clinker grâce aux réactions pouzzolaniques qui contribuent à la construction d’un béton plus solide et plus durable à long terme. Par conséquent, ces deux types de ciments présentent le plus grand potentiel d’exploration pour l’industrie du ciment en vue d’une production durable.

Défis posés par les ciments de type IP et IT

Les pouzzolanes peuvent être classées comme « artificielles » ou naturelles. La première se réfère principalement aux cendres volantes et aux fumées de silice, tandis que la pouzzolane naturelle courante comprend les pumices, le basalte et la terre de diatomée, entre autres. La réaction pozzolanique est beaucoup plus lente que l’hydratation du ciment à un jeune âge. Pour compenser la perte de force causée, le ciment ayant une quantité décente de pouzzolane doit être meulé jusqu’à atteindre une plus grande pureté. Entre-temps, les pouzzolanes naturelles ont habituellement une microstructure poreuse ou en couches qui a tendance à absorber une grande quantité de liquides pendant le mélange. En raison de ces caractéristiques intrinsèques des pouzzolanes, le béton contenant des ciments de type IP ou IT rencontre fréquemment une demande plus élevée en eau, une perte de fonctionnalité et une perte d’efficacité des superplastifiants.

Additifs pour ciment novateurs MCH C-C

Pour atténuer ces problèmes liés aux ciments mélangés, MAPEI a mis au point une nouvelle gamme d’additifs pour ciment appelée MCH C-C (du ciment au béton). Ces additifs ont la particularité, en plus d’améliorer la meulabilité et le rendement mécanique du ciment, d’améliorer la capacité de travail dans les applications de mortier et de béton. Voici deux exemples prouvant son efficacité :

**Fig. 1:** Résistance du mortier standard avec ciments de type IT à un rapport E/C de 0,485

Ciment de type IT avec MCH C-C 1001
Le premier exemple est un ciment de type IT provenant d’un essai en cimenterie. Deux échantillons de ciment ont été prélevés, l’un avec l’outil de meulage actuel (référence) et l’autre avec le MCH C-C 1001 de MAPEI. Les deux échantillons présentent un grade de Blaine similaire, à environ 6 300 g/cm², et une consistance normale de 27,7 et 26,6, respectivement, ce qui correspond à une réduction de 4 % avec le MCH C-C 1001. Les temps de prise initiaux et finaux sont semblables entre les deux ciments.

La figure 1 montre la résistance du mortier standard selon la norme ASTM C109 testée à un rapport fixe E/C de 0,485. À partir de la figure, la résistance du cube a augmenté de 10 à 15 % à tous les âges. Avec ce même rapport E/C, le débit du mortier est passé de 101 à 117 en utilisant le MCH C-C 1001. Si le ciment est testé à un débit similaire (110±5), une augmentation plus importante de la résistance est attendue. Tous ces essais de ciment et de mortier ont été effectués sur place par le laboratoire de l’usine.

**Fig. 2:** Résistance du béton avec les deux ciments de type IT

Les performances du béton sont parfois différentes de celles obtenues avec les mortiers. Pour cette raison, les deux échantillons de ciment ont également été mis à l’essai dans le béton, d’après le mélange couramment utilisé de 600 lb/yd³ de ciment. Avec la même quantité de superplastifiant, le rapport E/C a été réduit de 0,445 pour le béton avec ciment de base à 0,429 pour celui avec sol de ciment avec MCH C-C 1001, tout en maintenant l’affaissement des deux mélanges dans la plage de 10,16 à 12,7 cm (4 à 5"). Encore une fois, il n’y a pas de différence significative dans le temps de pose du béton, et la résistance a été considérablement augmentée, de 10 à 15 %, comme le montre la figure 2. Pour la recette de ciment, les résultats des essais de mortier et de béton correspondent bien les uns aux autres.

Compte tenu de tous les résultats des essais ci-dessus, l’ajout de MCH C-C a permis l’améliorer la performance du ciment dans le mortier et le béton. On peut profiter de ces améliorations pour réduire le facteur clinker ou réduire la finesse pour obtenir un meulage plus performant tout au long du processus.

**Fig. 3:** Résistance du béton avec les deux ciments de type IP

Ciment de type IP(35) avec MCH C-C 1001
Le deuxième exemple est un ciment de type IP(35) provenant lui aussi d’un essai en cimenterie. Il s’agissait d’un ciment pionnier avec une intégration de 35 % d’argile calcinée, approchant la limite de 40 % établie par la norme ASTM C595 pour le type IP. L’essai avait pour but d’explorer la faisabilité de l’argile calcinée dans la production de ciment. De façon similaire, deux échantillons de ciment ont été prélevés, l’un avec du glycol pur comme aide au broyage, et l’autre avec du MCH C-C 1001 à 2 000 ppm en poids de ciment. Le grade Blaine des deux ciments était d’environ 7 200 g/cm³, ce qui a donné une consistance normale plus élevée que d’habitude, soit 32,0 et 31,4 pour le ciment de référence et le ciment avec MCH C-C 1001, respectivement. La demande en eau n’est réduite que de 2 % à la suite de ces essais. Mais dans le béton, la réduction de l’eau était beaucoup plus élevée, soit d’environ 10 % par rapport au rapport E/C de 0,64 à 0,57, tout en maintenant l’affaissement des deux mélanges à 7,62 cm (3"). La conception du mélange de béton était fondée sur 517 lb/yd³ de ciment (ASTM C465) avec un volume absolu de granulat fin de 45 % dans l’agrégat total. La résistance à la compression (figure 3) du béton est faible sur tous les plans, mais l’amélioration de la résistance avec le MCH C-C 1001 est encore clairement visible à tous les âges, de 200 à 300 lb/po² après 1 jour à 800 à 900 lb/po² après 7 et 28 jours.

Apparemment, l’essai n’était qu’un point de départ pour un ciment commercial de type IP. Beaucoup d’ajustements sont nécessaires pour améliorer la qualité du ciment. Par exemple, le calcaire peut remplacer une partie de l’argile calcinée, ce qui réduit la demande en eau, car le calcaire n’est pas aussi absorbant. Avec les avantages que le MCH C-C peut apporter, tout ajustement effectué sera plus efficace, ce qui permettra au producteur de ciment d’atteindre plus rapidement l’objectif d’un ciment de qualité.

MCH C-C : une solution technique durable

Ces exemples démontrent que le MCH C-C, la nouvelle gamme d’additifs de ciment mis au point par le MAPEI, peut aider les producteurs et les utilisateurs de ciment dans les cas les plus difficiles grâce à un ensemble d’avantages, à savoir une amélioration de l’efficacité du meulage, une plus grande facilité de travail et une plus grande résistance mécanique. En particulier, ils peuvent être utilisés dans le cas d’un taux de substitution élevé de clinker avec des matériaux qui, dans des conditions normales, abaisseraient la qualité des ciments, rendant leur utilisation très difficile.

Les additifs de MCH C-C permettent de résoudre ces problèmes et constituent donc une réponse aux défis auxquels l’industrie du ciment sera confrontée au cours des prochaines décennies. Cette technologie novatrice offre des moyens prometteurs de produire des ciments à plus faible teneur en clinker, à plus faible coût de production, à plus faible émission de carbone et de meilleure qualité, dont les effets seront remarqués dans les applications de mortiers et de béton.

Opinion d'expert

En 2000, MAPEI a lancé la gamme d’Additifs de mouture pour ciment, soit des produits dédiés à la production de ciment dont la vision est d’aider l’industrie de la construction à atteindre la carboneutralité en commençant par sa matière première : le ciment. Ces additifs sont conçus pour être employés pendant le processus de production de ciment, afin de soutenir l’industrie du ciment alors qu’elle vise la production de ciment moderne sans émissions de CO₂. Quand MAPEI a pénétré ce marché, seuls des agents de mouture traditionnels étaient offerts; les additifs étaient principalement formulés pour régler les problèmes d’agglomération dans les broyeurs de ciment et réduire la consommation en électricité. Depuis, un certain nombre d’innovations ont été mises sur le marché par les laboratoires de recherche et de développement de MAPEI. Elles ont évolué depuis les agents de mouture originaux pour former les additifs MAPE C-C les plus avancés, un véritable « pont » entre le ciment et le béton durable.

Au sujet des auteurs :

Fengjuan Liu est une chimiste spécialisée dans les additifs pour ciment chez MAPEI. Elle a obtenu son doctorat sur le mécanisme d’hydratation du ciment et a travaillé comme chercheuse postdoctorale à l’Université de l’Alabama pendant un an et demi, se concentrant sur l’innovation des matériaux multifonctionnels et avancés à base de ciment. Avant de rejoindre MAPEI, elle a travaillé pendant cinq ans comme directrice de la R&D chez Aquafin Inc., où elle était responsable du développement de nouveaux produits et de l’amélioration des produits existants pour la réfection et l’imperméabilisation du béton. Elle est actuellement membre du comité C01 de l’ASTM sur le ciment, étant particulièrement active dans le sous-comité C01.20 pour les ajouts.

Potito D’Arcangelo est le directeur régional de C-ADD (additifs pour ciment) pour les Amériques (Amérique du Nord et Amérique latine) depuis 2015, avec 19 ans d’expérience dans le secteur des additifs pour ciment. Titulaire d’un diplôme en génie chimique, Potito a commencé sa carrière en 2005 dans le département de R&D de MAPEI et, après trois ans, il a intégré le service technique. Alors qu’il travaillait dans ce service, il s’est davantage impliqué dans les ventes internationales, voyageant principalement en Asie-Pacifique pour soutenir les activités techniques et commerciales des équipes locales de MAPEI. C’est ainsi qu’il est devenu directeur du développement commercial pour la région du Moyen-Orient et de l’Afrique de l’Est, poste qu’il a occupé précédemment.