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Clinker de ciment Portland : le calcul de Bogue

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Le calcul de Bogue est utilisé pour calculer les proportions approximatives des quatre principaux minéraux dans le clinker de ciment Portland.
Le calcul standard de Bogue fait référence au clinker de ciment, plutôt qu’au ciment, mais il peut être ajusté pour être utilisé avec du ciment. Bien que le résultat ne soit qu’approximatif, ce calcul est extrêmement utile et largement utilisé dans l’industrie du ciment.

Le calcul suppose que les quatre principaux minéraux du clinker sont des minéraux purs avec des compositions :

Alite : C3S, ou silicate tricalcique

Bélite : C2S, ou silicate dicalcique

Phase aluminate : C3A, ou aluminate tricalcique

Phase ferrite : C4AF, ou aluminoferrite tétracalcique

Il est important de se rappeler que ces compositions supposées ne sont que des approximations des compositions réelles des minéraux.

Le clinker est fabriqué en combinant de la chaux et de la silice, mais aussi de la chaux avec de l’alumine et du fer. Si une partie de la chaux reste non combinée, (ce qui sera presque certainement le cas), nous devons la soustraire de la teneur totale en chaux avant de faire le calcul afin d’obtenir la meilleure estimation des proportions des quatre principaux minéraux du clinker présents. Pour cette raison, une analyse de clinker donne normalement un chiffre pour la chaux libre non combinée.
(NB : Si l’on souhaite uniquement calculer les proportions minérales potentielles dans un clinker, la correction pour la chaux libre non combinée peut être ignorée ; le calcul donnera alors les proportions minérales du clinker en supposant que toute la chaux s’est combinée).
Le calcul est simple en principe :

Premièrement, selon les compositions minérales supposées, la phase ferrite est le seul minéral à contenir du fer. La teneur en fer du clinker fixe donc la teneur en ferrite.

Deuxièmement, la teneur en aluminates est fixée par la teneur totale en alumine du clinker, moins l’alumine de la phase ferrite. Cela peut maintenant être calculé, puisque la quantité de phase ferrite a été calculée.

Troisièmement, on suppose que toute la silice est présente sous forme de bélite et le calcul suivant détermine la quantité de chaux nécessaire pour former de la bélite à partir de la teneur totale en silice du clinker. Il y aura un surplus de chaux.

Quatrièmement, le surplus de chaux est alloué à la bélite, en convertissant une partie de celle-ci en alite.

En pratique, le processus ci-dessus d’allocation des oxydes peut être réduit aux équations suivantes, dans lesquelles les oxydes représentent les pourcentages en poids des oxydes dans le clinker :

CALCUL DU BOGUE

C3S=4.0710CaO-7.6024SiO2-1.4297Fe2O3-6.7187Al2O3

C2S=8.6024SiO2+1.0785Fe2O3+5.0683Al2O3-3.0710CaO

C3A=2.6504Al2O3-1.6920Fe2O3

C4AF=3.0432Fe2O3

Clinkeranalysis
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O SO3 LOI IR Total
21.5 5.2 2.8 66.6 1.0 0.6 0.2 1.0 1.5 0.5 98.9
Freelime = 1.0% CaO

Worked example of a Bogue calculation:

Using the above analysis, the calculation is as follows:

Combined CaO = (66.6% – 1.0% free lime) = 65.6%

This is the figure we use for CaO in the calculation.

From the analysis, we have:

CaO=65.6%; SiO2=21.5%; Al2O3=5.2% and Fe2O3=2.8%

The Bogue calculation is therefore:

C3S=4.0710CaO-7.6024SiO2-1.4297Fe2O3-6.7187Al2O3

C2S=8.6024SiO2+1.1Fe2O3+5.0683Al2O3-3.0710CaO

C3A=2.6504Al2O3-1.6920Fe2O3

C4AF=3.0432Fe2O3

Therefore:

C3S=(4.0710 x 65.6)-(7.6024 x 21.5)-(1.4297 x 2.8)-(6.718 x 5.2)

C2S=(8.6024 x 21.5)+(1.0785 x 2.8)+(5.0683 x 5.2)-(3.0710 x 65.6)

C3A=(2.6504 x 5.2)-(1.6920 x 2.8)

C4AF=3.0432 x 2.8

So:

C3S=64,7%

C2S=12,9%

C3A=9,0%

C4AF=8,5%

Il convient de souligner que le calcul de Bogue ne donne pas les quantités « réelles » des quatre principales phases de clinker présentes, bien que cela soit parfois oublié. Les résultats du calcul de Bogue diffèrent des quantités « réelles » (souvent appelées proportions de phase) principalement parce que les compositions minérales réelles diffèrent – souvent seulement légèrement, mais parfois plus et en particulier dans le cas de la phase ferrite, des compositions de phase pure supposées dans le calcul.

Pour ajuster le calcul en vue d’une utilisation avec du ciment Portland, il est nécessaire de considérer d’abord quels autres matériaux peuvent être présents dans le ciment. Si le ciment est un mélange de clinker et de gypse uniquement, le calcium lié au gypse peut être pris en compte approximativement en déduisant (0,7 x SO3) du CaO total. Notez que cela ne tient pas compte de tout sulfate de clinker présent sous forme de sulfate de potassium ou de sodium et une petite erreur sera donc introduite.

Un ajustement similaire peut être effectué pour le calcaire ; la teneur en calcaire peut être estimée en déterminant la teneur en CO2 du ciment et en calculant le CaO correspondant. Si du laitier ou des cendres volantes sont présents, en principe, la formule pourrait être ajustée pour en tenir compte, mais la composition du laitier ou des cendres devrait être connue avec précision et, en pratique, ce n’est pas un ajustement normalement effectué.

Mieux comprendre le ciment

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The following pages have more details on clinker composition, reactions in the kiln and cement milling:

Cement notation/Clinker compositional parameters/Combinability/Reactions in the kiln/Cement milling

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