1.1 Ciments


1.1.1 Introduction

Le ciment est un liant hydraulique. On entend par là une substance qui, mélangée à l’eau dite de gâchage, est capable de durcir aussi bien à l’air que sous l’eau. La pâte de ciment durcie présente une résistance mécanique élevée et ne se dissout pas dans l’eau.

Depuis l’introduction de la norme européenne sur le ciment en Suisse, l’assortiment des ciments de l’industrie cimentière suisse s’est déplacé des ciments Portland purs CEM I vers les ciments Portland composés CEM II, c.-à-d. des ciments qui contiennent, mis à part le clinker, d’autres constituants minéraux. Le recours plus fréquent à d’autres constituants principaux comme le calcaire, le schiste calciné, la cendre volante ou le laitier pour la fabrication du ciment comporte divers avantages: la diminution de la part du clinker réduit d’une part les émissions de gaz carbonique et permet d’autre part de préserver les réserves de matières premières. Par ailleurs, le développement de ciments des types CEM II et CEM III permet aux utilisateurs d’optimiser les propriétés du béton en termes d’ouvrabilité, de chaleur d’hydratation, de durabilité, etc.
Historique

Dans l’Antiquité déjà, les Romains utilisaient un mortier hydraulique composé d’une chaux siliceuse additionnée de pouzzolane ou de brique pilée. En y ajoutant des granulats appropriés, ils obtenaient l’Opus Caementitium ou «ciment romain» considéré comme le précurseur de notre béton et qui est à l’origine du mot «ciment». En 1824, l’Anglais J. Aspdin élabora et breveta un produit proche du ciment obtenu par cuisson d’un mélange finement broyé de calcaire et d’argile. Ce liant permettait de confectionner un béton comparable à la pierre de Portland, une pierre calcaire très résistante extraite des carrières de la péninsule de Portland qui est couramment utilisée dans la construction en Angleterre. C’est pour cette raison qu’on l’appelle «ciment Portland».
 
1.1.2 Fabrication

De manière schématique, la fabrication du ciment Portland consiste à préparer un mélange de calcaire, marnes ou argiles de granulométrie et de composition chimique définies, puis à le cuire jusqu’au seuil de fusion à 1450° C et enfin, à broyer le produit de cette cuisson en une poudre de ciment fine, miscible et réactive. En principe, on distingue trois étapes dans la fabrication du ciment (fig. 1.1.1).

1ère étape de production: extraction des matières premières

Pour produire une tonne de clinker de ciment Portland, il faut compter une tonne et demie de matières premières – calcaire et marne ou argile – qui libéreront à la cuisson de l’eau et du gaz carbonique. La marne ou l’argile fournissent les composants à silicium (Si), aluminium (Al) et fer (Fe) (fig. 1.1.2). La roche est exploitée dans la carrière de manière à ce que les quatre composants les plus importants que sont le calcium, le silicium, l’aluminium et le fer soient obtenus selon des proportions massiques définies 9 : 3 : 1 : 0.5. Lorsque certains composants ne sont pas présents en quantité suffisante dans la carrière, des produits de correction doivent être ajoutés.

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Fig. 1.1.2: Chargeuse en action dans une carrière.



2ème étape de production: homogénéisation et cuisson

Les différents composants du matériau brut (calcaire + marne/argiles + éventuels produits de correction) sont stockés, soit disposés par couches en un mélange homogène, soit séparément et mélangés immédiatement avant le moulin de farine crue (fig.1.1.3). Dans ce moulin le mélange des matériaux bruts est non seulement moulu en une fine farine crue, mais également séché en même temps. Pour le séchage les gaz chauds issus du four sont récupérés. La farine crue sèche est stockée sous brassage continu dans de grands silos d’homogénéisation.
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Fig. 1.1.3 Moulin à meules pour la réduction en farine du mélange de matières premières pré-homogénéisées.
Le processus de cuisson à 1450° C est l’opération principale de la fabrication du ciment. La farine crue est introduite dans le four rotatif (fig. 1.1.4) en passant par la tour échangeur (préchauffage). Elle est préchauffée dans les cyclones des échangeurs puis entre à une température d’environ 1000° C dans le four rotatif. A partir d’environ 550° C, les constituants silicatés commencent à se décomposer. Entre 600 et 900° C a lieu la décarbonatation de la farine crue par le dégagement du dioxyde de carbone des carbonates de calcium contenus dans les calcaires et les marnes. Ce processus s’appelle aussi calcination. Lorsque les températures atteignent 1300° C, les produits de décomposition et des phases de transition des carbonates et des argiles forment de nouveaux composés chimiques appelés minéraux du clinker ou phases du clinker. Ce processus culmine à une température maximale de 1450° C dans le four rotatif par la formation du principal minéral du clinker, le silicate tricalcique (fig. 1.1.6). Pour produire la chaleur nécessaire au processus de fabrication, on utilise des combustibles fossiles naturels (charbon, huile) et de plus en plus de combustibles de substitution issus des filières de la récupération tels que les pneus et huiles usagés, des matières plastiques ou des boues d’épuration séchées.


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Fig. 1.1.4: Le four rotatif, coeur de la cimenterie.

Le produit cuit quitte le four sous forme de clinker incandescent en passant par le refroidisseur. L’air de refroidissement est utilisé comme air de combustion préchauffé, sa chaleur est également récupérée et introduite dans un éventuel réseau de chauffage à distance. Le refroidissement rapide du clinker provoque sa solidification sous forme de granules gris noirs partiellement fondus, d’environ 1 à 5 cm de diamètre, durs et réactifs (fig. 1.1.5). Le clinker de ciment Portland refroidi à environ 100° C est transporté dans des halles ou silos, où il peut être stocké sur une longue période.

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Fig. 1.1.5: La fabrication du clinker dans le four rotatif.

Les minéraux du clinker influent de manière différente les propriétés du ciment par leur réactivité spécifique avec l’eau. Le tableau 1.1.1 donne un aperçu des minéraux du clinker de ciment Portland et leur influence sur les propriétés du ciment.



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Fig. 1.1.6: Formation des minéraux du clinker en fonction des compTab. 1.1.1: Minéraux du clinker dans un ciment Portland.osants initiaux et du profil des températures dans le four rotatif.

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Tab. 1.1.1: Minéraux du clinker dans un ciment Portland.

3ème étape de production: mouture du ciment et expédition

Afin d’exploiter la réactivité présente dans le clinker, celui-ci est moulu dans une unité de broyage (fig. 1.1.7) avec une petite quantité de gypse (3 % à 7 %) qui fera office de régulateur de prise. Sans régulateur de prise, le clinker finement moulu et mélangé avec de l’eau, durcirait en quelques minutes. La finesse de la mouture influence considérablement la montée en résistance du ciment. Suivant le type de ciment à produire, le clinker est complété par d’autres constituants minéraux principaux (calcaire, schiste calciné, fumée de silice, laitier, cendre volante, voir chapitre 1.5) lors de la mouture conjointe ou par un mélange des constituants moulus séparément au préalable. On obtient ainsi des ciments Portland composés et des ciments de haut-fourneau. La mouture séparée permet une maîtrise ciblée de la finesse du ciment, indépendamment de la dureté du matériau des différents constituants.

La production du ciment consomme beaucoup d’énergie, sous forme d’énergie thermique pour la cuisson du clinker (3000–3500 kJ/kg clinker) et d’énergie électrique principalement pour la mouture de la farine crue et du ciment (80 à 100 kWh/t ciment).

Le ciment prêt est transporté au client principalement par rail ou par camion. Seulement une petite partie est ensachée en sacs de 25 kg et palettisée.

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Fig. 1.1.7: Vue de l’intérieur d’un moulin à boulets où s’opère le broyage du clinker avec le gypse et les autres constituants principaux.



1.1.3 Exigences normatives relatives à la production de ciment

Contrôle de la qualité du ciment et de la conformité à la norme SN EN 197-2

Un triple système de gestion de qualité garantit la qualité des ciments suisses et leur conformité aux normes.
  • système de gestion de la qualité, efficace et certifié
  • autocontrôle par le producteur (contrôle interne de production)
  • surveillance externe.
Système de gestion de la qualité
Toutes les cimenteries de Suisse disposent d’un système de gestion de la qualité certifié selon la norme ISO 9001, de façon à garantir la documentation, la traçabilité et la transparence de tous les processus de travail. Les usines Holcim sont de plus certifiées selon les systèmes de gestion de l’environnement (ISO 14001), de la santé et de la sécurité au travail.

Autocontrôle par le producteur
Des échantillons sont prélevés et analysés tout au long de la chaîne de fabrication du ciment, de l’extraction de la matière première à l’expédition du produit fini. Une surveillance sans faille de la production garantit une qualité élevée et constante du ciment (fig. 1.1.8). Le traitement statistique des résultats des prélèvements de ciment à l’expédition sert à s’assurer que le produit est en permanence conforme aux exigences de la norme SN EN 197-1. La norme SN EN 196 décrit les méthodes d’essai des ciments et la norme SN EN 197-2 l’évaluation de la conformité (système d’évaluation de conformité 1+).

Surveillance externe
Les contrôles par le producteur sont complétés par un contrôle externe régi par la norme SN EN 197-2 et exécuté par un organe de contrôle externe. Pour cela ne sont admis que les laboratoires accrédités pour les essais de ciment.

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Fig. 1.1.8: Robot de laboratoire pour l’autocontrôle automatique de la production du ciment.
Ciment certifié
Les ciments qui satisfont aux critères de conformité selon la norme SN EN 197-2 se voient délivrer un certificat de conformité par un organisme de certification notifié par l’état, sur la base des contrôles annuels – par un organisme d’inspection accrédité – du système de gestion de la qualité et des résultats de la surveillance externe et de l’autocontrôle. Les ciments ainsi certifiés ont le droit de porter la marque de conformité CE. Les déclarations de performance du producteur confirment le respect des exigences de la norme SN EN 197-1.

1.1.4 Exigences normatives

Les propriétés et exigences des ciments appelés ciments courants sont définies dans la norme SN EN 197-1. Les proportions relatives des constituants de chaque type de ciment sont fixées. La norme contient des exigences auxquelles les constituants doivent satisfaire ainsi que des exigences concernant les propriétés mécaniques, physiques et chimiques des ciments. En outre la norme règle les critères de conformité et les exigences de durabilité.
Le cahier technique SIA 2049 permet d’élargir le champ d’utilisation des constituants inorganiques en tant que constituants principaux dans le ciment. Le cahier technique règle la procédure d’épreuve de l’aptitude à l’usage des nouveaux ciments selon les exigences de la loi sur les produits de construction.

Types et composition des ciments

La norme SN EN 197-1 distingue vingt-sept ciments au sein de la famille des ciments courants, répartis en cinq types principaux désignés CEM I à CEM V selon le tableau 1.1.2.

Exigences mécaniques et physiques

Les ciments sont produits selon les classes de résistance courantes 32,5, 42,5 et 52,5. La classe de résistance 22,5 s’applique uniquement aux ciments spéciaux selon la norme SN EN 14216. Chaque classe de résistance courante est subdivisée en trois classes de résistance à court terme, la classe L étant réservée aux ciments CEM III selon la norme SN EN 197-4:
  • L: faible résistance à court terme (indiquée par L = Low), (uniquement pour le ciment de haut fourneau CEM III)
  • N: résistance à court terme normale, ordinaire (indiquée par N = Normal) et
  • R: résistance à court terme élevée (indiquée par R = Rapid)

Le tableau 1.1.3 récapitule les exigences de la résistance à court terme et de la résistance courante ainsi que du temps de début de prise pour les différentes classes de résistance du ciment. La résistance courante des classes de résistance 32,5 et 42,5 est aussi limitée vers le haut.

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Tab. 1.1.3: Exigences relatives aux résistances du ciment et aux temps de début

L’influence de la résistance du ciment sur la résistance à la compression du béton n’est pas linéaire, puisque celle-ci dépend essentiellement de la valeur eau/ciment (valeur E/C), des granulats, du compactage et de la cure du béton.

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Tab. 1.1.2: Compositition des
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Tab. 1.1.2: Composition des ciments selon la norme SN EN 197-1.

Exigences chimiques

Les exigences chimiques sont indiquées dans les tableau 1.1.4a/b. La teneur en chlorures d’un béton avec un ciment de haut fourneau importé, donc non produit en Suisse, doit être contrôlée afin que les exigences de la norme SN EN 206 concernant la teneur en chlorures du béton soient respectées. Pour des applications en précontrainte, les ciments peuvent être produits selon une exigence plus basse. Dans ce cas, la valeur de 0,10 % doit être remplacée par cette valeur plus basse qui doit être mentionnée sur le bon de livraison.
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Tab. 1.1.4a: Exigences chimiques du ciment selon la norme SN EN 197-1.

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Tab. 1.1.4b: Exigences chimiques du ciment selon la fiche technique SIA 2049. a) Les exigences sont données en pourcentage en masse du ciment produit fini b) L'organisme de certification décide si l'essai doit être réalisé et quelles exigences sont à satisfaire c) Pour des applications en précontraintre, les ciments peuvent être produtis selon une exigence plus basse. Dans ce ca, la valeur de 0,10% doit être remplacée par cette valeur plus basse qui doit être mentionnée sur le bon de livraison.

Ciments à résistance élevée aux sulfates

Les ciments à résistance élevée aux sulfates sont désignés, conformément à la norme SN EN 197-1 (béton résistant), par le suffixe «SR» (sulfate resisting) placé après la classe de résistance. Trois principaux types de ciments sont distingués:
  • CEM I -SR: ciment Portland à résistance élevée aux sulfates
  • CEM III/B –SR: ciment de haut fourneau à résistance élevée aux sulfates
  • CEM IV –SR: ciment pouzzolanique à résistance élevée aux sulfates

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Tab. 1.1.5: Exigences chimiques des ciments à résistance élevée aux sulfates selon la norme SN EN 197-1.*
En Suisse, sont admis selon la norme SN EN 206, parmi les ciments indiqués, les CEM I-SR 0 et CEM I SR 3 ainsi que les CEM III/B-SR pour la fabrication de béton. Pour qu’un autre type de ciment soit reconnu en Suisse comme ciment à résistance élevée aux sulfates, il doit remplir les exigences de l’annexe nationale NB de la SN EN 197-1. Les ciments à haute résistance aux sulfates, autorisés en Suisse comme p. ex. le ciment Holcim Robusto 4R-S, sont désignés avec le suffixe «HS-CH» (résistance élevée aux sulfates Suisse).


Ciments à faible chaleur d’hydratation

Les ciments à faible chaleur d’hydratation sont désignés par le suffixe «LH» (low heat). La chaleur d’hydratation doit être inférieure à la valeur caractéristique de 270 J/g. Elle est mesurée à 7 jours selon SN EN 196-8 ou à 41 h selon SN EN 196-9 (fig. 1.1.9).

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Fig. 1.1.9: Chaleur d’hydratation des ciments à différentes classes de résistance, mesurée selon la norme SN EN 196-9) (méthode Langavant semi-adiabatique).

Notations des ciments

La désignation univoque d’un ciment selon la norme SN EN 197-1 exige les indications suivantes:
  • le type de ciment courant, p. ex. CEM I ou CEM II
  • les constituants principaux autres que le clinker de ciment Portland avec une indication de leurs proportions, p. ex. A-LL ou B-M (T-LL)
  • la classe de résistance courante et la résistance à court terme.
Le tableau 1.1.6 donne des exemples pour différents ciments.



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Tab. 1.1.6: Exemples de désignation des ciments selon la norme SN EN 197-1.

1.1.5 Propriétés du ciment

 

Masse volumique
La masse volumique, aussi appelée masse volumique absolue, désigne la masse d’un matériau par unité de volume sans ses pores. La masse volumique apparente d’un matériau granulaire en vrac correspond au rapport de la masse du matériau sur le volume de l’ensemble des grains, y compris le volume des vides. La masse volumique apparente ou en vrac peut être mesurée avec ou sans compactage. Les valeurs indicatives de la masse volumique absolue et en vrac des ciments courants sont indiquées dans le tableau 1.1.7.

 

Couleur

La couleur des ciments n’est pas normée et ne constitue pas un critère de qualité, du moins pour le ciment gris. Pour les ciments blancs le degré de pureté de la couleur blanche est une propriété caractéristique. La couleur dépend des matières premières utilisées, du type de ciment, de la finesse de mouture et du procédé de fabrication. Les variations de la teinte grise des ciments sont inévitables, mais négligeables pour les ciments de la même usine et classe de résistance. D’autres facteurs influent sur la teinte d’un béton nettement plus fortement comme la composition du béton et sa mise en place, sa consistance, le type de coffrage et le mode de compactage (colorations).

Température du ciment

La production du ciment, notamment la mouture du ciment, est un processus consommant beaucoup d’énergie. Il en résulte un réchauffement jusqu’à 120° C du ciment finement moulu, qui sera à nouveau refroidi à environ 60 à 80° C.
La température du ciment n’a qu’une influence négligeable sur la température du béton frais et donc sur le développement de la chaleur d’hydratation et de la résistance mécanique du béton (température). Une augmentation de la température du ciment de 10° C se répercute de 1° C sur la température du béton frais. Une limitation de la température du ciment peut être judicieuse pour des applications spéciales. Pour les bétons projetés, il est recommandé dans la norme SN EN 14487-1 que la température du ciment livré à partir de l’usine ne dépasse pas + 80° C, et + 70° C lors de la mise en silos à la centrale de malaxage. Le cas échéant il faut prévoir des mesures pour refroidir le ciment avant l’emploi.

Miscibilité à la centrale à béton

Les ciments ne doivent pas être mélangés. Chaque ciment est optimisé individuellement par rapport à sa prise et sa classe de résistance. Si le mélange de différents ciments s’avérait techniquement et économiquement judicieux pour des applications particulières, il faudrait s’assurer de l’aptitude du mélange par des essais initiaux du béton. En outre, chaque ciment entrant dans le mélange doit être admis pour la classe d’exposition prévue du béton.



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Tab. 1.1.7: Valeurs indicatives des masses volumiques absolues et en vrac des ciments courants.

Stockage et conservation du ciment

Stocké longtemps ou sans protection, le ciment absorbe l’humidité de l’air, ce qui conduit à la formation de grumeaux et à un risque d’altération du potentiel de durcissement. Tant que les grumeaux s’écrasent encore facilement entre les doigts, la perte de résistance est négligeable. Le ciment en sac a une durée de conservation limitée. Il est conseillé de le conserver au sec, dans un hangar. Les sacs stockés temporairement en plein air doivent être protégés par des bâches ou feuilles plastiques des intempéries et empilés sur des lambourdes ou des palettes afin de permettre à l’air de circuler librement (fig. 1.1.10).
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Fig. 1.1.10: Stockage des sacs à l’extérieur.

Réduction de la teneur en chrome (VI)

Tous les ciments commercialisés en Suisse doivent présenter une teneur en chrome (VI) réduite selon les exigences de l’Ordonnance sur la réduction des risques liés aux produits chimiques (ORRChim), afin de limiter les risques de dermatoses, couramment appelées eczéma du maçon.
Depuis 2007 la teneur maximale admise en Suisse de chrome soluble (CrVI) est de 2 ppm (2 mg par kg de ciment). Le respect de la valeur limite de 2 ppm est garanti par l’ajout d’un agent réducteur à l’usine de ciment. De cette manière, le chrome issu des matières premières (marnes, argiles, calcaire) n’est pas éliminé du ciment, mais transformé en une forme insoluble, non allergique. L’effet de l’agent de réduction du chrome a une durée limitée. En Suisse la durée d’effet pour les ciments en vrac est fixée à 2 mois et à 6 mois pour les ciments en sac. Cette mesure de prévention ne dispense toutefois aucunement les utilisateurs de se protéger par des mesures appropriées comme l’utilisation de gants et des crèmes de protection de la peau.

Consigne de sécurité

Le ciment est un liant hydraulique qui déclenche une réaction alcaline au contact de l’eau ou de l’humidité. Il faut donc éviter dans la mesure du possible tout contact avec la peau. En cas de projection dans les yeux, rincer abondamment avec de l’eau et consulter un médecin si nécessaire. Des fiches de données de sécurité sont disponibles sur www.holcim.ch.


1.1.6 Ciment et environnement

Emissions de CO2 lors de la production du ciment

La production de ciment exige beaucoup d’énergie et libère de grandes quantités de dioxyde de carbone (CO2). La réduction des émissions ayant une incidence sur le climat est un des plus grands défis des producteurs de ciment. La plus petite partie des émissions de CO2, environ un tiers, provient des combustibles fossiles ou indirectement de la consommation d’électricité, tandis que deux tiers des émissions de CO2 sont libérés lors de la cuisson par les calcaires, marnes et argiles. Afin d’augmenter l’efficacité énergétique dans toutes les étapes de travail et de réduire les émissions de CO2, des mesures sont prises par HOLCIM dans le domaine du développement durable. Parmi ces mesures, on peut citer les mesures principales suivantes:
  • réduction de la teneur en clinker du ciment
  • utilisation de combustibles alternatifs
  • optimisation des installations, p. ex. utilisation de toute chaleur émise
La réduction de la teneur en clinker du ciment est la mesure la plus efficace pour réduire les émissions de CO2. Celles-ci diminuent pour chaque tonne de ciment par l’abaissement des quantités nécessaires non seulement de combustibles, mais aussi de matières premières.

Les constituants principaux admis dans la norme SN EN 197-1 comme le calcaire, le schiste calciné, le laitier, la cendre volante s’imposent comme substances de substitution au clinker. Il est possible de produire avec ces ajouts neutres ou plus favorables par rapport au CO2 des ciments de haute qualité de type CEM II/A, CEM II/B et CEM III. Les émissions de CO2 sont d’autant plus basses que la proportion d’addition est élevée dans le ciment. 


Informations de produit de nature écologique relatives aux ciments

Les données d’un produit concernant l’incidence environnementale constituent la base de l’évaluation écologique des ouvrages. Elles influencent de plus en plus les décisions de projet des investisseurs et des jurys de concours.

Une description complète de l’impact des produits sur l’environnement est fournie par une déclaration environnementale de produit (Environmental Product Declaration EPD). Une EPD est basée sur un bilan écologique selon ISO 14040, qui comprend les flux des matériaux à partir de l’extraction des matières premières jusqu’à l’évacuation des déchets. L’impact environnemental est décrit selon des conventions internationales, le résultat se présentant sous forme d’indicateurs, comme p. ex. l’effet de serre.

Une EPD contient les éléments suivants:
  • l’inventaire du cycle de vie (LCI = Life Cycle Inventory Analysis)
  • l’évaluation de l’impact environnemental du cycle de vie (LCIA = Life Cycle Impact Assessment) si réalisée
  • d’autres indicateurs (p. ex. le type et la quantité des déchets produits)
L’association de l’industrie suisse du ciment, cemsuisse, publie des EPD pour les types de ciment CEM I, CEM II/A, CEM II/B, CEM III et un ciment moyen. Les données des ciments reposent sur un clinker moyen national qui reflète la production du clinker en Suisse et se basent sur les parts annuelles de marché des différents types de ciments.


1.1.7 Applications de ciment


Holcim (Suisse) offre un portfolio de ciment très divers. Le tableau 1.1.8 montre les applications les plus importantes des ciments.  

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Tab.1.1.8: Portfolio des ciment de Holcim (Suisse).


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