Matériaux pour ciment

La mise au point du ciment Portland artificiel peut se classer parmi les grandes découvertes de l'humanité. A partir de substances très communes, le calcaire et l'argile, l'homme a réussi à fabriquer une poudre (le Ciment), qui, mêlée à du sable, du gravier et de l'eau, durcit, donnant alors naissance à une véritable roche artificielle, le béton.

Par ses caractéristiques mécaniques, le béton est comparable aux matériaux de construction naturels, mais il présente sur eux l'avantage d'être mis en oeuvre sous la forme d'une pâte.

La fabrication du ciment Portland artificiel comporte trois étapes:

• - Le mélange cru : cette phase comprend l'extraction, le transport, le broyage et l'homogénéisation des matières premières; elle aboutit à l'élaboration d'une poudre de composition chimique précise.
• - Le clinker : la poudre obtenue est cuite à 1450°C et se transforme en une scorie appelée "clinker". Celui-ci est inerte et peut être transporté ou stocké sans précautions particulières.
• - Le ciment Portland artificiel: le broyage intense du "clinker" donne le Ciment. Au cours du broyage, un peu de gypse est ajouté afin de mieux maîtriser le temps de prise du ciment. A ce stade, on peut également ajouter, parfois dans des proportions importantes, d'autres substances naturelles ou artificielles (pouzzolane, cendres volantes ou laitier). Ces matériaux, peu onéreux, contribuent à abaisser le prix de revient du ciment tout en améliorant les caractéristiques des bétons (résistance mécanique et aux eaux agressives...).

Le ciment Portland est un liant hydraulique: cette poudre, composée essentiellement de silicates de chaux, d'alumine et de fer, réagit avec l'eau pour former de nouveaux minéraux dont la recristallisation engendre la formation de liens et entraîne le durcissement du mélange.

Le Ciment Portland artificiel n'est pas le seul liant hydraulique:

• - La chaux est connue depuis l'antiquité. La réaction chimique de la "prise" est simple mais assez lente:
  Chaux hydraulique CaOH + CO₂ -> CaCO₃ + H₂O ou Chaux vive CaO + CO₂ -> CaCO₃
• - Le ciment fondu "Lafarge" ou "ciment à haute teneur en alumine" : les utilisations du ciment Portland et du ciment fondu se chevauchent. La composition de ce dernier ainsi que son mode de fabrication en font toutefois un produit particulier non décrit dans le présent mémento.
• - Le ciment blanc est un ciment Portland artificiel dont les stades de fabrication sont identiques à ceux d'un ciment "gris" classique; un grand soin est apporté aux niveaux de la sélection et du traitement des matières premières afin de garder la teneur en fer le plus bas possible «0,2%). Le prix du ciment blanc, destiné aux ouvrages décoratifs, est nettement plus élevé que celui du ciment gris.

L'invention du ciment Portland artificiel remonte à la première moitié du 19ème siècle: travaux de L. VICAT, France (1818), travaux de J. ASPDIN, Grande Bretagne (1824). La première cimenterie a été construite par J. FROST en Grande Bretagne (1825), d'après les brevets de J. ASPDIN.

L'industrie cimentière en Europe et aux Etats-Unis a véritablement pris son essor à partir du milieu du XIX^ème siècle. Depuis lors, elle n'a cessé de se développer, le ciment étant devenu depuis le début du XX^ème siècle le principal liant hydraulique utilisé dans le monde pour la confection des mortiers et bétons destinés à l'industrie du bâtiment et du génie civil.

Le ciment, parfois dénommé de façon restrictive "ciment Portland artificiel", est une substance bon marché utilisée de manière universelle dans l'industrie de la construction. La production annuelle mondiale dépasse 1 milliard de tonnes en 1990. La production française, quant à elle, approche 30 millions de tonnes. Ce produit gris, mélangé à du sable, à des fragments rocheux et à de l'eau, forme une pâte facilement manipulable qui à son tour se transforme en béton.

Le ciment est produit à partir de roches facilement accessibles : calcaire, craie, marbre et argile. De façon générale, un mélange renfermant 80% de calcaire exempt de magnésie et 20% d'argile donne naissance à un produit chimiquement acceptable. Une quantité minime de fer (1 à 3%) est généralement ajoutée pour augmenter la résistance du béton lors d'utilisation dans des conditions de sol chimiquement agressives.

Le mélange, finement broyé, est porté à 1450°C dans un four rotatif pour produire le clinker. Le ciment résulte d'un broyage très fin du clinker. Lors de la phase de broyage, du gypse (3%) est ajouté pour mieux maîtriser le temps de prise du béton. A ce niveau, le cimentier peut inclure 40% et davantage de matières pouzzolaniques de façon à diluer le ciment sans engendrer de notables modifications de ses propriétés intrinsèques, contribuant au contraire à améliorer sa résistance lors de l'utilisation dans des conditions de sols agressifs. Parmi les substances qui peuvent être aussi apportées figurent la pouzzolane, les cendres volantes ou les laitiers de hauts fourneaux.