LA MATRICE CIMENTAIRE

A travers ce troisième chapitre, nous présentons les propriétés et les caractéristiques de notre matériau support : la matrice cimentaire. Le ciment est un liant hydraulique : il a la propriété de faire prise et de durcir au contact de l’eau. L’hydratation du ciment anhydre conduit à l’obtention d’un matériau durci, poreux, saturé avec une solution interstitielle qui évolue en fonction des réactions d’hydratation. Les pâtes de ciment hydraté sont donc composées de grains anhydres et d’hydrates en équilibre avec la solution interstitielle. La porosité, qui évolue au cours du temps, va influencer les propriétés diffusives intrinsèques du matériau (Moudilou, 2000). Le clinker de ciment Portland est obtenu par cuisson d’un mélange de roches calcaires et argileuses dans des proportions proches de 80 % – 20 %, avec d’éventuels ajouts correctifs de composition comme la bauxite, du sable siliceux de haute pureté, des cendres de pyrite. Avant de passer dans le four de cuisson ce mélange est appelé le « cru ». Il doit présenter des proportions précises en oxydes principaux (CaO, SiO2, Al2O3 et Fe2O3) et en oxydes mineurs (Na2O, K2O, MgO). Différents modes de cuisson du cru existent, dont le mode par « voie sèche », qui est aujourd’hui le plus courant. Avec ce mode de fabrication, la farine du cru finement broyée est introduite dans une tour de précalcination. Au cours de son cheminement dans cette tour, la farine est portée à 850°C. Elle est ensuite introduite dans un four tubulaire rotatif où elle est portée de 850 à 1450°C. A la fin de ce procédé, le produit obtenu se présente sous forme boulets noirs de taille centimétrique. Le clinker est le composant principal des ciments dits « Portland » et « Portland composés ». Le ciment Portland contient au moins 95% de clinker mélangé à du gypse (pour réguler la prise) et d’autres ajouts éventuels. Les ciments Portland dits « composés » sont constitués d’un mélange de clinker, de gypse et d’autres constituants, selon les propriétés désirées, comme les laitiers de hauts fourneau, des fumées de silice, des cendres volantes, des pouzzolanes, des particules de calcaires broyés…. Les laitiers de haut-fourneau sont des scories fondues issues de la fusion du minerai de fer dans un haut-fourneau. Les cendres volantes sont des poussières fines produites par des centrales thermiques brûlant du charbon pulvérisé. Les fumées de silice sont des sous-produits de la fabrication du silicium métallique et de divers alliages ferro-silicieux. Les pouzzolanes sont des matériaux naturels issus de l’activité volcanique. Elles sont formées d’une partie bien cristallisée et d’une partie vitreuse qui est la phase réactive (Witier et al., 1999). Les ciments courants répondant à la norme NF EN 197-1 sont de 5 types, définis par leur composition (exprimée ci-après en % hors régulateur de prise) :

La chimie du ciment

La chimie du ciment se construit essentiellement à partir de 4 oxydes majeurs : CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3, présents dans les matières premières et qui vont former les silicates et les aluminates de calcium du clinker. Pour simplifier les écritures des réactions, nous utiliserons la notation des cimentiers (Figure 11) : décroissant d’importance : les silicates de calcium hydratés (C-S-H), la portlandite (CH), et la série des aluminates. Les proportions dépendent de la nature et de la composition chimique du liant (Nguyen, 2005). Les ciments au laitier de haut fourneau contiennent moins de portlandite, plus de C-S-H, et plus d’aluminates que les ciments Portland pur (Gervais, 2004). La portlandite cristallise sous forme de fines plaquettes hexagonales. Les C-S-H ont une structure cristalline de composition variable. Le rapport CaO/SiO2 (Ca/Si) et la concentration décroissant d’importance : les silicates de calcium hydratés (C-S-H), la portlandite (CH), et la série des aluminates. Les proportions dépendent de la nature et de la composition chimique du liant (Nguyen, 2005). Les ciments au laitier de haut fourneau contiennent moins de portlandite, plus de C-S-H, et plus d’aluminates que les ciments Portland pur (Gervais, 2004). La portlandite cristallise sous forme de fines plaquettes hexagonales. Les C-S-H ont une structure cristalline de composition variable. Le rapport CaO/SiO2 (Ca/Si) et la concentration en Ca2+ contrôlent le type de C-S-H. La stoechiométrie de la plupart des C-S-H est définie pour une gamme de rapport Ca/Si comprise entre 0,66<Ca/Si<2 (Flint et al., 1934 ; Glasser et al., 1987). Plusieurs structures ont été proposées pour les C-S-H, mais Taylor (1990) a donné une classification qui est la plus communément acceptée : C-S-H (I) et C-S-H (II), qui sont déduits de la structure de la tobermorite et de la jennite respectivement.