Le ciment Portland premier ciment moderne

Le ciment Portland est le produit obtenu à partir d’un clinker.

Le clinker est le résultat de la cuisson à environ 1 450°C, de diverses matières premières constituées principalement de calcaire pour 80%, d’argile pour 20% et d’ajouts propres à la destination particulière du ciment.

On peut dire de façon simplifié et schématique que :
– le calcaire apporte la chaux
– les argiles apportent : l’alumine, la silice et l’oxyde de fer.

A la sortie des fours, on obtient des nodules très compacts, appelés clinkers, puis après broyage on obtient une farine.
Pour réguler la prise de cette farine, on ajoute, au moment du broyage, de 3% à 5% de gypse et on obtient alors le ciment Portland.

Les nodules sortis des fours sont constitués essentiellement de :
-silicate tricalcique ou « alite » C3S, dont la formule est 3CaO,SiO2
-silicate bicalcique ou « bélite » C2S, dont la formule est 2CaO,SiO2
-aluminate tricalcique C3A, de formule 3CaO,Al2O3
-alumino-ferrite tétracalcique C4AF, de formule 4CaO,Al2O3,Fe2O3
dans un ciment Portland on trouvera des proportions de :
-50% à 65% de silicates tri-calciques : C3S qui donne au ciment une résistance rapide et élevée.
-15% à 20% de silicates bi-calciques : C2S qui permet au ciment d’atteindre des résistances élevées à moyen et à long terme..
-5% à 15% d’aluminates tri-calciques : C3A qui contribue à la prise de la pâte de ciment, mais assez peu à la résistance finale.
-5% à 10% d’alumino-ferrite tétra-calciques : C4AF qui a un rôle mineur dans la réaction de durcissement.
-enfin et pour réguler la prise du ciment, on fera ensuite l’ajout de 3% à 5% maximum de sulfate de calcium (gypse CaSO4.2H2O ou l’hémihydrate CaSO4.1/2H2O ou un mélange des deux).

Le ciment Portland contient au moins 95% de clinker.
Les normes NF 15 300 et NF 15 301 définissent les différentes catégories de ciments, ceci en fonction de leurs compositions et de leurs résistances.

L’hydratation des ciments Portland fait intervenir des réactions chimiques très diverses avec l’eau.

On notera celles du silicate tricalcique et celle de l’aluminate tricalcique, qui sont les plus importantes et dont dépendent les futures propriétés du ciment :
-le silicate tricalcique C3S se dissout superficiellement pour former un monosilicate de calcium hydraté et de l’éttringite, ceci en libérant des ions silicates H2SiO42-, des ions OH- et des ions calcium Ca2+, qui vont passer en solution :
2Ca3SiO5 + 6H2O => 6Ca2+ 8OH- + 2H2SiO42-
-au bout de quelques secondes le silicate précipite :
3Ca2+ + 2H2SiO42- + 2OH- + 2H2O => Ca3H2Si2O7(OH)2,3H2O

En fin d’hydratation les principaux composants issus de cette hydratation sont :
-Les Silicates de Calcium Hydraté : C-S-H, c’est un gel amorphe dont le ratio Ca/Si varie, mais constitue 60 à 70% d’une pâte de ciment hydratée.

Cet hydrate à la propriété de se souder aux matériaux environnant par des ponts d’ions calcium ou hydrogène et réaliser ainsi une véritable colle dans la matrice ciment.
-L’hydroxyde de calcium Ca(OH)2 ou portlandite : qui constitue 20 à 30% d’une pâte de ciment hydratée et 90% de son alcalinité.
-Les Sulfo-aluminates de calcium ou éttringite et également les monosulfates
qui représentent 5 à 15% d’une pâte hydratée.
On notera une élévation rapide du pH jusqu’à pH 12,8 qui est due à la libération des ions OH- qui vont s’accumuler dans la solution.

La phase dormante permet aux réactions précédente de se poursuivre lentement pendant 2 à 3 heures, la pâte reste fluide.
La solution devient de plus en plus saturée par rapport à la portlandite (chaux hydratée) et à la limite de saturation, il se déclenche la précipitation de cet hydrate et la formation rapide de C-S-H.
Durant cette phase dormante, il se produira une diminution brutale de la concentration en calcium et en ions OH- et une augmentation de chaleur.

La phase de prise va consommer de l’eau et il va se former de nombreux hydrates, qui vont donner à la pâte une certaine consistance due à l’interpénétration des cristaux.
Les cristaux de portlandite et les fibres de silicates de calcium s’entremêlent et remplissent les pores, alors la matrice devient plus dense et plus solide.

La phase de durcissement qui se développe environ 8 heures après le début de l’hydratation et qui va se continuer dans le temps va conduire à augmenter les résistance mécaniques et la compacité.

Yves ROQUELLE
Ingénieur Civil E.I.G.

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