Ciment et plâtre, un TP en béton !

Un article de OCP.

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Par Jean-Philippe Estingoy et Clovis Darrigan.

Dans ce TP, nous allons en savoir plus sur le plâtre, le ciment et le béton, matières de base de nos constructions modernes, grâces auxquelles l’architecture a pu développer et oser des formes de construction et des méthodes originales.

Sommaire

1 Le plâtre

1.1 Matière première

Il s’agit principalement du gypse, le sulfate de calcium dihydraté : CaSO4•2H2O.

Les gisements de gypse sont nombreux particulièrement en France et aux Etats-Unis. Ils sont exploités dans des carrières souterraines ou à ciel ouvert. On en trouve notamment à Caresse (Pyrénées-Atlantiques) et Pouillon (Landes). Le gypse brut contient du CaSO4•2H2O à 90% environ, et par exemple, du calcaire CaCO3, du carbonate de magnésium MgCO3, de l’argile et de la silice.

1.2 Fabrication industrielle

Quelle que soit l'origine du gypse, naturel ou synthétique, une déshydratation partielle, par chauffage, donne de l’hémihydrate de sulfate de calcium selon la réaction, à 150°C :

CaSO4•2H2O(s) → CaSO4•0,5H2O(s) + 1,5 H2O(g)

Un chauffage à plus haute température, 290°C, donne du sulfate de calcium anhydre, appelé "surcuit" par la profession. Le plâtre utilisé est souvent un mélange des deux.

Remarque : La technique de désulfuration des gaz de combustion de charbon et de fuel la plus utilisée consiste à absorber le dioxyde de soufre par une suspension aqueuse d’hydroxyde de calcium (lait de chaux) :

2 SO2(g) + 2 Ca(OH)2(aq) + O2(g) + 2 H2O(l) → 2 CaSO4•2H2O(s)

Le gypse obtenu est appelé "désulfogypse" et est la principale ressource de substitution de gypse en Allemagne et au Japon.

Il existe deux types de procédés :

  • Le procédé par voie sèche, qui est le plus utilisé, est réalisé à la pression atmosphérique. Il donne, vers 140-170°C, de l’hémihydrate et par chauffage vers 400-600°C, de l’anhydrite CaSO4. Le chauffage est effectué dans divers types de fours ; ces fours, alimenté par du gypse concassé d’une granulométrie inférieure à 25 mm, donnant directement le mélange souhaité hémihydrate/anhydrite ou fonctionnant à température constante et donnant soit de l’hémihydrate soit de l’anhydrite, le mélange étant effectué par la suite.
  • Le procédé par voie humide s’effectue sous pression saturante de vapeur d'eau, dans des autoclaves, sous 2 à 7 bar, pendant quelques heures. Il donne un hémihydrate utilisé pour des plâtres spéciaux et pour les moulages dentaires. La résistance mécanique de cet hémihydrate est nettement plus importante, mais les coûts de production sont beaucoup plus élevés. En conséquence, la production annuelle française est faible, de l’ordre de 15 000 t/an, par comparaison à celle du plâtre obtenu par voir sèche (3 000 000 t/an).

Le plâtre utilisé en construction, appelé "plâtre de Paris", est principalement constitué d’hémihydrate CaSO4•0,5H2O, de 60 à 80 % et d’anhydrite CaSO4. Il est obtenu par le procédé par voie sèche. Les propriétés du plâtre (donc ses utilisations) dépendent en grande partie de sa composition en hémihydrate et en anhydrite. Exemple de composition de plâtre destiné à la réalisation d'enduits :

  • CaSO4•0,5H2O : 72%
  • CaSO4 : 18 %
  • CaCO3 : 7%
  • Argile et silice : 2%
  • MgCO3 : 1 %
  • Adjuvants : < 1%

Le plâtre utilisé pour élaborer des produits préfabriqués (carreaux, plaques...) est généralement de l’hémihydrate pur.

1.3 La prise du plâtre

Lors d’un ajout d'eau, l’hémihydrate et l’anhydrite se dissolvent, puis CaSO4•2H2O précipite : c'est la prise du plâtre.

CaSO4•0,5H2O + 1,5 H2O → CaSO4•2H2O

Le plâtre fait prise du fait de la différence de solubilité entre l’hémihydrate (9 g/L à 20°C) et de dihydrate (le gypse, 2 g/L). Au fur et à mesure que l’hémihydrate se dissout, la teneur en CaSO4 en solution augmente. Quand elle est supérieure à 2 g/L, la solution devient sursaturée en sulfate, qui précipite, en fixant une partie de l’eau de la solution. Il en résulte de microcristaux de gypse, matière première du plâtre, qui assurent la cohésion de l’ensemble. L’hémihydrate continu à se dissoudre car la valeur de la solubilité n’est jamais atteinte. En 30 min environ, 95% de l’hémihydrate se transforme en dihydrate et il faut moins de 2 h pour que la réaction soit totale.

Remarques :

  • La formation de gypse est responsable de l’opacification des vitraux anciens. Les ions calcium du verre réagissent avec le dioxyde de soufre de l’atmosphère (pollution).
  • La structure poreuse du plâtre lui donne des propriétés isolantes.
  • Le plâtre renferme après prise et séchage 21% d’eau. Ce qui le rend très intéressant comme matériaux anti-feu. En effet, lors d’un incendie, cette eau se vaporise en absorbant l’énergie libérée par les flammes. De plus le plâtre ne libère pas de produit toxique.

1.4 Producteurs

En 1993 en Europe, les parts de marché des plaques de plâtre sont les suivantes :

  • BPB (Royaumes-Unis) : 50%
  • Knauf (Allemagne) : 23%
  • Lafarge Plâtres (France) : 25%


En 1996 la situation en France est la suivante :

  • Chiffre d'affaires de l'industrie du gypse et du plâtre : 580 000 000 €, dont 460 000 000 € pour les produits de plâtre
  • Effectifs : environ 3 200 personnes
  • Productions :
    • Gypse : 5 700 000 t, dont 750 000 t utilisé dans les cimenteries
    • Plâtre de construction : 3 000 000 t
  • Utilisations :
    • Plaques : 180 000 000 m2
    • Plâtre pour enduit : 650 000 t
    • Carreaux : 12 000 000 m2

Une autre utilisation importante est la fabrication de moules dans l'industrie céramique par exemple pour élaborer des pièces en série : faïences, porcelaines, grès, céramiques sanitaires…

Le stuc est un plâtre additionné d'ajouts chimiques et de poudre de pierre, il est destiné à imiter le marbre. Le staff est un plâtre armé de fibres végétales, de fibres de verre ou d'autres matériaux, il est utilisé pour confectionner des plaques pour plafond, des rosaces, des corniches… Il est concurrencé par le polyuréthane.

1.5 Manipulations (travaux pratiques)

1.5.1 Exothermicité de la prise du plâtre

Dans un bécher de 200 mL, verser 80 mL d’eau. Verser 100 g de plâtre en le dispersant sur toute la surface. Suivre la température de la suspension avec un thermomètre sans mélanger, pendant 2 min environ. Homogénéiser, puis verser dans un récipient jetable (gobelet en plastique). Suivre à nouveau la température en fonction du temps tout en effectuant la manipulation suivante.

  • Température maximale atteinte : _______°C
  • Temps au bout duquel on peut considérer le plâtre comme dur : _______

1.5.2 Rôle d’un adjuvant : accélérateur de prise

Refaire la manipulation précédente en remplaçant l’eau par une solution de sulfate de potassium à 0,1 mol/L.

  • Température maximale atteinte : _______°C
  • Temps au bout duquel on peut considérer le plâtre comme dur : _______

2 Le ciment

2.1 Matières premières

Le clinker, principal constituant d’un ciment, est obtenu à partir d’un mélange (appelé "cru") de 80 % de calcaire CaCO3 et de 20% d’argile (silicoaluminate). Ces matières premières sont d’un accès facile et, par exemple en France, elle sont présentes partout, sauf en Bretagne et dans le Massif central . Elles sont exploitées à ciel ouvert.

Des correcteurs, minerai de fer qui apporte Fe2O3, bauxite pour Al2O3, sable pour SiO2 sont ajoutés pour atteindre la composition souhaitée.

Les calcaires doivent être exempts de magnésium (teneur < 2%) car MgO libre, contrairement à CaO, ne se lie pas à SiO2 (MgO, en s’hydratant lors de la prise augmente fortement le volume provoquant la chute de la résistance mécanique en compression du mortier ou du béton).

2.2 Fabrication industrielle

Nous ne décrirons que celle du ciment Portland, ciment le plus utilisé.

2.2.1 Principe

Les matières premières, calcaire et argile, réagissent, principalement à l’état solide, vers 1450°C dans un four rotatif : c’est le phénomène de clinkérisation. Le solide obtenu appelé clinker est refroidi brusquement à l’air puis broyé finement.

Les produits de réaction obtenus sont du types : silicate tricalcique Ca3SiO5, silicate dicalcique Ca2SiO4, aluminate tricalcique Ca3Al2O6.

2.2.2 Procédés de fabrication

Les matières premières sont finement broyées (0,1 mm) afin d’obtenir le "cru" de composition suivante :

  • CaCO3 : 77 %
  • Al2O3 : 5-10%
  • SiO2 : 10-15%
  • Fe2O3 : 2-3 %

On ajoute lors du broyage de 3 à 5% de gypse qui sert de régulateur de prise.

On distingue deux principaux procédés de fabrication :

  • dans le procédé par voie sèche, la matière première (en poudre) est préchauffée à 800°C par les gaz issus du four de cuisson puis arrive dans le four de cuisson (four rotatif d’une longueur de 50 à 80 m qui tourne à la vitesse de 1 à 2 tours/min). La cuisson a lieu durant environ une heure, en continu. Ce procédé est le plus utilisé car il est le plus économe en énergie mais il nécessite la mise en œuvre de moyens importants de captation des poussières. Actuellement, celles-ci représentent moins de 0,02% de la production (en trente ans, les émissions ont été divisées par cent) ;
  • dans le procédé par voie semi-sèche, la poudre est agglomérée sous forme de boulettes de 10 à 20 mm de diamètre par ajout de 12 à 14% d’eau, séchée et préchauffée comme précédemment.

Les capacités de production atteignent jusqu’à 4 300 t/j de clinker. La plus grande cimenterie dans le monde, exploitée par Mitsubishi Mining and Cement, est située à Kanda au Japon. La production de clinker de cette seule cimenterie est de 6 500 000 t/an avec l’utilisation de 5 fours fonctionnant en parallèle.

La consommation énergétique est importante (environ un quart du prix de revient du ciment) pour le fonctionnement des broyeurs et le chauffage des fours. En 1994, en France, la consommation (hors électricité) a été de un million et demi de tonnes équivalent pétrole (tep) soit 16% de l’énergie totale utilisée dans l’industrie. Toutefois, en vingt ans, l’industrie cimentière a réduit de près de 40% sa consommation d’énergie. La combustion de sous-produits du raffinage pétrolier et de divers résidus fournit actuellement la moitié de l’approvisionnement énergétique.

2.3 Mise en œuvre : réactions d’hydratation

Le ciment est essentiellement utilisé pour fabriquer le béton : mélange, dans des proportions bien définies, de ciment, de sable, de granulats et d’eau. Le béton forme, après prise, une véritable roche artificielle qui présente l’avantage de pouvoir être moulée à froid.

Le ciment a la particularité de durcir (c’est le phénomène de prise) en présence d’eau. Après durcissement, le ciment hydraté conserve sa résistance et sa stabilité, même au contact de l’eau. Les matériaux qui possèdent cette propriété sont appelés liants hydrauliques. La quantité d’eau ajoutée est, pour les bétons courants, de 50% de la masse de ciment (les professionnels du génie civil utilisent le terme de rapport Eau/Ciment (E/C) qui est donc en général de 0,5).

La prise d’un ciment (clinker + gypse) met en jeu de nombreuses réactions complexes. Tout d’abord une partie des constituants du ciment passe en solution dans l’eau. À ce stade, des réactions solide-liquide sont mises en œuvre. Les particules de ciment réagissent d’abord par leur surface. Le durcissement initial, la prise, est dû à l’hydratation du silicate tricalcique, qui produit un gel de silice hydratée et d’hydroxyde de calcium. Ces substances cristallisent en un enchevêtrement de paillettes.

La vitesse de dissolution étant lente mais, par contre, la précipitation des hydrates formés étant rapide, ceux-ci enrobent les particules non complètement hydratées diminuant du même coup la vitesse d’hydratation. Celle-ci se ralentit sans jamais devenir nulle. On peut ainsi observer, sur des ciments vieux de plus d’un siècle, la présence de grains non hydratés à coeur et comprendre que la résistance mécanique d’un ciment continue à augmenter au cours du temps, plusieurs mois ou années après la prise.

Les réactions d’hydratations sont exothermiques. Les silicates de calcium donnent des silicates de calcium hydratés de composition variables, proches de la formule Ca3Si2O7•3H2O selon les réactions simplifiées suivantes :

2 Ca3SiO5 + 6 H2O → Ca3Si2O7•3H2O + 3 Ca(OH)2
2 Ca2SiO4 + 4 H2O → Ca3Si2O7•3H2O + Ca(OH)2

Le silicate de calcium hydraté est le principal constituant du ciment après prise. Il donne au ciment sa résistance mécanique.

L’hydroxyde de calcium (ou portlandite) donne au ciment, en grande partie, ses propriétés chimiques.

En l’absence de gypse, la dissolution des aluminates de calcium est immédiate. Il en est de même pour la précipitation des aluminates de calcium hydratés. Ces derniers enrobent les grains de silicate de calcium bloquant leur dissolution. Pour éviter cela, on ajoute systématiquement du gypse qui joue un rôle de régulateur de prise. Il empêche la formation immédiate d’aluminate de calcium hydraté en donnant d’abord du trisulfoaluminate de calcium ou ettringite : Ca6Al2O6•3SO4•32H2O.

2.4 Manipulations (travaux pratiques)

Nous allons utiliser ici comme matière de base du ciment du commerce de type CEM II 32,5 : ciment de catégorie II (Portland composé) de résistance à la compression de 32,5 MPa (N/mm2). La prise du ciment étant relativement lente : plusieurs heures et plusieurs jours pour une résistance accrue, nous allons ajouter du ciment prompt dont la composition est différente et qui prend en quelques minutes.

Éviter le contact avec la peau ! Le ciment est un solide pulvérulent, éviter de créer des poussières et de les respirer.

2.4.1 Prise du ciment

À 200 g de mélange à 60% de ciment prompt et 40% de ciment, ajouter 100 g d’eau, dans un bécher de 300 mL. Gâcher. Transvaser dans un gobelet plastique ou dans un moule à glaçon. Laver le bécher immédiatement.

Évolution de la température

  • Plonger le thermomètre pendant une minute environ pour observer l’élévation de température. Le nettoyer immédiatement.

Évolution du pH

  • À l’aide de papier pH, déterminer le pH au cours de la prise.
  • Prendre aussi le pH d’un peu d’eau rajoutée au contact du ciment après la prise. pH de l’eau après la prise : ______

Mesure de la densité du ciment

  • Peser un petit bloc de ciment et le plonger dans une éprouvette rempli d’eau.
  • Mesurer la variation de volume.
Masse : ______ g
Volume : ______ cm3
Masse volumique : ______ g/cm3

Dissolution en milieu acide

  • Plonger un petit morceau de ciment dans de l’acide chlorhydrique. Agiter doucement.
  • Notez vos observations

Interprétations

  • L’hydroxyde de calcium et le silicate de calcium hydratés sont solubles en milieu acide.
  • La décomposition du carbonate de calcium dégage du gaz carbonique.
  • La coloration jaune est du à la formation de complexes entre le ions Fe3+ (issu de la dissolution partielle de l’aluminoferrite) et les ions chlorures de l’acide.

2.4.2 Fabrication de béton cellulaire

C’est un matériau très utilisé actuellement car possédant de bonnes propriétés d’isolant thermique, il est solide et léger.

Mélanger 70 g de ciment et 30 g de ciment prompt. Ajouter 0,25 g de poudre d’aluminium. Mélanger puis introduire 50 mL d’eau. Après obtention d’une pâte homogène, transvaser dans un gobelet plastique.

Mesure de la densité du ciment

  • Peser un petit bloc de béton cellulaire et le plonger dans une éprouvette graduée contenant de l’eau.
  • Mesurer la variation de volume et en déduire sa masse volumique.
Masse : ______ g
Volume : ______ cm3
Masse volumique : ______ g/cm3

Interprétation

  • La présence de bulles de gaz (dihydrogène) emprisonnées donne à ce matériau une masse volumique inférieure à celle de l’eau (il flotte sur l’eau).
  • L’équation est (à équilibrer) :
___ Al(s) + ___ H2O(l) + ___ OH(aq) → ___ [Al(OH)4(H2O)2] + ___ H2(g)

Ajout de charges et d’éléments

En pratique, le mortier et le béton utilisés dans le domaine du bâtiment contiennent des charges et granulats (sable, gravier, cailloux) permettant de renforcer les propriétés mécaniques et d’utiliser moins de ciment. On utilise aussi des fibres végétales, de verre au d’autres matériaux, ou encore des barres d’acier (béton armé) pour le renforcer. Une technique consiste à faire prendre du béton autour de tiges métalliques sous étirement ; une fois le béton durcit, on relâche les tiges et le béton devient comprimé : on obtient du béton précontraint, beaucoup plus résistant.

Adjuvants

On peut aussi y ajouter des adjuvants permettant de ralentir la prise (lors du transport en bétonnières par exemple) ou au contraire de l’accélérer, ou encore de protéger le béton du gel.

3 Matériel et produits

  • Balance précise au mg
  • Moule à glaçon en plastique
  • 1 bécher de 200 mL environ
  • 2 thermomètres, gamme 0-100°C
  • 3 gobelets en plastique
  • Papier pH
  • 1 éprouvette graduée de 250 mL (qu’elle soit assez large pour pouvoir y introduire un bloc de la taille d’un glaçon)
  • 200 g de plâtre
  • 80 mL de sulfate de potassium K2SO4 à 0,1 mol/L
  • 200 g de ciment de type CEM II 32,5
  • 100 g de ciment prompt
  • Acide chlorhydrique à environ 1 mol/L
  • Un peu de poudre d’aluminium

4 Références