Le ciment
- Quelques définitions
- Le principe de fabrication du ciment
- Le processus chimique
- L'histoire du ciment
- Un ouvrage remarquable du XXI siècle : le viaduc de Millau
Le mot " ciment " dérive du latin caementum qui signifie " pierre non taillée " ou " mortier ", le liant des maçonneries. Ce sens éthymologique a donc été en partie conservé car le ciment aujourd'hui désigne uniquement les liants dits " hydrauliques ", on entend par là une matière qui durcit à l'air et sous l'eau après gâchage avec de l'eau. Les propriétés adhésives et cohésives du ciment permettent d'agglomérer des fragments minéraux en un ensemble compact et résistant à l'eau. Le ciment entre dans la composition des mortiers pour maçonnerie ou pour enduits mais la principale utilisation du ciment n'est pas là : le ciment mélangé avec du sable, du gravier et de l'eau constitue une pâte qui une fois coulée dans des moules ou coffrages en épouse la forme, quelle qu'en soit la complexité, jusqu'à sa prise complète. Après décoffrage, la véritable roche artificielle monolithique ainsi obtenue présente de remarquables caractéristiques de dureté et de résistance. Ce constituant de base de la construction moderne, c'est à côté du verre et de l'acier , le matériaux par excellence de l'architecture du XXe siècle, son nom est connu de tous : le béton. Le béton (du latin bitumen le bitume) est dit " armé " lorsqu'il est coulé sur une armature métallique, il est dit " précontraint " lorsque le béton est coulé sur des tiges d'acier ou des câbles maintenus sous tension qui, une fois relachés, mettent le béton en compression.
Le ciment est obtenu en cuisant des mélanges de calcaire et d'argile. Le procédé de fabrication consiste à concasser et à broyer ces deux matières premières, à les mélanger intimement dans des proportions bien définies, puis à les calciner dans un grand four rotatif porté à la température d'environ 1450°C. Les matériaux s'agglomèrent et fusionnent partiellement pour former des nodules durs et noirs de 5 à 30 mm de diamètre : le clinker (terme anglais signifiant " scorie "). Ce dernier est stocké à l'abri car il réagit avec l'eau.
Ce clinker passe ensuite dans de grands cylindres métalliques remplis de boulets d'aciers, les broyeurs. La mise en rotation de ces derniers réduit le clinker en fine poudre et du gypse (sulfate de calcium hydraté) est généralement rajouté afin de contrôler la vitesse de prise lorsque au moment de la mise en œuvre, on mélangera le ciment à l'eau. Le ciment Portland contient 5% de gypse. D'autres types peuvent être obtenus en mélangeant le clinker broyé avec d'autres constituants broyés eux aussi, qui présentent des propriétés hydrauliques ou pouzzolaniques : ce sont soit des laitiers de hauts fourneaux granulés, soit des cendres volantes ou encore des pouzzolanes naturelles ou artificielles.
Il existe en outre des ciments spéciaux tels les alumineux ou les sursulfatés.
Les constituants du ciment Portland sont des calcaires et de l'argile (Al4(OH4)(SiO10). La préparation se fait en deux phases principales :
a)production d'aluminate monocalcique, de silicate bicalcique et de chaux.
CaCO3 + Al2O3CaO.Al2O3 + CO2 réaction à 600°C
CaCO3 + SiO2CaO.SiO2 + CO2 réaction à 750°C
CaCO3 CaO + CO2 réaction à 900°C
b)combinaison partielle à plus haute température de ces derniers, pour former des aluminates et des silicates tricalciques.
2CaO + CaO.Al2O3 3CaO.Al2O3 réaction à 1000°C
CaO + 2Ca.SiO2 3CaO.SiO2 réaction à 1300°C
Les aluminates et les silicates tricalciques finement broyés donnent le clinker (qui contient également en faible proportion du ferroaluminate tetracalcique, de la magnésie, des sulfates etc.). Le procédé d'hydratation du clinker qui redonne des composés cristallins est complexe :
L'aluminate tricalcique se transforme en aluminate tétracalcique et en présence de gypse en sulfoaluminates. Le silicate tricalcique forme de l'hydroxyde de calcium cristallin et de l'hydrosilicate de calcium, tandis que la chaux éteinte, produite simultanément, assure un colmatage entre les réseaux cristallins. La prise s'accompagne d'un dégagement de chaleur, plus ou moins intense selon les composants.
Les réactions chimiques lors de la mise en œuvre du ciment :
Lors de l'hydratation du ciment, la réaction chimique des deux silicates avec l'eau produit un gel de silice hydraté et de l'hydroxyde de calcium. Ces hydrates contribuent largement à la résistance de la pâte : ces substances cristallisent en un enchevètrement de paillettes qui emprisonnent les particules de sable et de gravier présentes dans le béton ou le mortier ; la chaux éteinte, Ca(OH2), qui durcit en réabsorbant le gaz carbonique de l'air pour redonner de la calcite, CaCO3, assure le colmatage entre les réseaux cristallins. A cause de cette réaction chimique, la prise s'accompagne d'un dégagement de chaleur, plus ou moins intense selon les composants. L'aluminate tricalcique, produit final d'une série de réactions chimiques lors du processus de calcination, forme également un hydrate, mais il ne contribue que peu à la résistance de la pâte ; de plus, la réaction d'hydratation de ce composé est si rapide qu'elle doit être contrôlée avec du gypse (formation de sulfoaluminates). L'aluminoferrite tétracalcique contribue simplement à la couleur grise, caractéristique du ciment Portland.
Le ciment alumineux : obtenu en traitant un mélange de bauxite, de craie ou de calcaire, ce ciment très spécial est surtout utilisé pour obtenir une prise très rapide (en cas de risque de gel par exemple) ou une grande résistance à la chaleur (comme pour le revêtement des conduits de cheminée). Sa résistance à l'eau de mer, à certains acides ou chlorures et aux eaux séléniteuses en fait un matériaux idéal pour la construction des fondations et des infrastructures. Sa bonne résistance à la chaleur permet son utilisation à haute température (jusqu'à plus de 1400°C). Ce ciment est également dénommé électrofondu ou Lafarge.
Le ciment aux pouzzolanes : il est soit à base de matériaux naturels (terres volcaniques, laves, etc…) soit à base de matériaux artificiels (argiles cuites, briques, tuiles ou laitiers de haut fourneau). La combinaison de ces matériaux avec la chaux lui donne un pouvoir hydraulique (c'est-à-dire durcissant dans l'eau).
Pendant la préhistoire et au début de l'antiquité, on utilisait de la terre argileuse comme liant pour maçonner les pierres. Lors de la construction des pyramides, les Egyptiens utilisèrent un plâtre obtenu par cuisson d'un gypse. Plus tard les Grecs puis les Romains se servirent de la chaux produite par la cuisson du calcaire dans leur constructions : les mortiers à base de chaux après hydratation et mise en œuvre, présentent l'aspect d'un matériaux calcaire dur, assurant une assise et un liant pour les éléments de pierre ou de terre cuite qu'ils assemblent. A partir du 1er siècle av. JC, les romains améliorent la technique du mortier : ils ajoutent à la chaux du sable et de l'argile, ainsi que des matériaux pulvérulents (cendre volcanique, pouzzolane ou brique pilée). Les grandes constructions romaines font une large utilisation de mortier, de pierraille et de briques. Cet age d'or du mortier va se terminer en occident avec les invasions barbares. Repris dans les constructions Byzantines, ce " ciment romain " va être utilisé à peu près jusqu'au XVIIe siècle, mais avec des fortunes très diverses : le savoir faire des romains se perdant au fil des siècles, la qualité des mortiers médiévaux est très médiocre et l'amélioration de la stabilité et de la complexité des bâtiments sera désormais due au progrès de l'architecture et de la stéréotomie ou art de la taille des pierres.
Pour en savoir plus sur la technique des romains cliquez sur l'une des photos ci-dessous :
Sainte
Sophie Istanbul -nov.
2003 
Le XVIIIe siècle :
En 1756, l'Anglais Smeaton lors de la construction du phare d'Eddystone, mélangea empiriquement des chaux hydrauliques et des pouzzolanes qu'il cuit à environ 700°C. Il obtint ainsi le premier liant industriel avec lequel il prépara un mortier aussi dur et de la même couleur que la pierre de Portland dont il emprunta le nom.
Le XIXe siècle :
Des progrès dans les techniques de cuisson, les essais plus systématiques des produits mélangés à la chaux et une meilleure interprétation des réactions chimiques entre la chaux et l'eau conduiront, durant la première moitié du XIXe siècle , à la mise au point de liants hydrauliques plus performants. En 1817, l'ingénieur Français Louis Vicat, suivi au début des années 1820 par Treussart ainsi que par Pavin de Lafarge met au point les formules et les règles de fabrication d'une bonne chaux maigre, capable de durcir dans l'eau. Le ciment actuel était né. En 1824, l'Anglais Joseph Aspdin prend un brevet pour la fabrication d'un ciment " aussi dur que la pierre de l'île de Portland ".
A partir du milieu du XIXe siècle, le ciment est non seulement un liant mais surtout la clé d'un matériau nouveau qui va ouvrir des perspectives immenses au bâtiment et aux travaux publics : le béton .Le dernier ciment mis au point en 1908 fut le ciment alumineux.
LE XXIe siècle : Un exemple d'un ouvrage remarquable : le viaduc de Millau - le plus haut du monde- inauguré le 16 décembre 2004...
LE VIADUC EN 2008 :
