Comment sont fabriqués le ciment et le béton

Si vous pensez aux briques comme roches artificielles, le ciment pourrait être considéré comme de la lave artificielle - une pierre liquide qui est coulée en place où elle durcit en solidité.

Beaucoup de gens parlent de ciment quand ils parlent de béton.

• Ciment est un composé à grains fins qui se transforme en solide lorsqu'il est mélangé à de l'eau. Le ciment est utilisé pour lier des mélanges de matériaux dans un solide composite.
• Béton est un mélange de ciment, de sable et de gravier. Autrement dit, le ciment est la colle de béton.

Maintenant que c'est clair, parlons du ciment. Le ciment commence par la chaux.

La chaux est une substance utilisée depuis l'Antiquité pour fabriquer des choses utiles comme le plâtre et le mortier. La chaux est fabriquée en brûlant ou en calcinant du calcaire - et c'est ainsi calcaire obtient son nom. Chimiquement, la chaux est de l'oxyde de calcium (CaO) et est produite par torréfaction calcite (CaCO₃) pour éliminer le dioxyde de carbone (CO

La chaux est également appelée chaux vive ou chaux (du latin, où nous obtenons également le mot calcium). Dans les anciens mystères du meurtre, de la chaux vive est aspergée sur les victimes pour dissoudre leur corps car elle est très caustique.

Mélangée avec de l'eau, la chaux se transforme lentement en minéral portlandite dans la réaction CaO + H₂O = Ca (OH)₂. La chaux est généralement éteinte, c'est-à-dire mélangée à un excès d'eau pour qu'elle reste fluide. La chaux éteinte continue de durcir pendant plusieurs semaines. Mélangé avec du sable et d'autres ingrédients, le ciment de chaux éteinte peut être emballé entre des pierres ou des briques dans un mur (comme mortier) ou étalé sur la surface d'un mur (comme enduit ou plâtre). Là, au cours des prochaines semaines ou plus, il réagit avec le CO₂ dans l'air pour former à nouveau de la calcite - du calcaire artificiel!

Le béton à base de chaux-ciment est connu sur les sites archéologiques du Nouveau et de l'Ancien Monde, certains datant de plus de 5000 ans. Il fonctionne extrêmement bien par temps sec. Il présente deux inconvénients:

• Le ciment à la chaux prend beaucoup de temps à guérir, et alors que le monde antique avait beaucoup de temps, aujourd'hui le temps c'est de l'argent.
• Le ciment à la chaux ne durcit pas dans l'eau mais reste mou, c'est-à-dire qu'il ne s'agit pas d'un ciment hydraulique. Il y a donc des situations où il ne peut pas être utilisé.

Les pyramides d'Egypte contiendraient un ciment hydraulique à base de silice dissoute. Si cette formule vieille de 4500 ans peut être confirmée et relancée, ce serait une bonne chose. Mais le ciment d'aujourd'hui a un pedigree différent qui est encore assez ancien.

Vers 1000 avant notre ère, les anciens Grecs ont été les premiers à avoir eu un accident chanceux, mélangeant de la chaux à de fines cendres volcaniques. La cendre peut être considérée comme une roche naturellement calcinée, laissant le silicium dans un état chimiquement actif comme le calcium dans le calcaire calciné. Lorsque ce mélange chaux-cendre est éteint, une toute nouvelle substance se forme: l'hydrate de silicate de calcium ou ce que les chimistes du ciment appellent C-S-H (environ SiCa₂O₄·XH₂O). En 2009, les chercheurs utilisant la modélisation numérique ont trouvé la formule exacte: (CaO)_1.65(SiO₂) (H₂O)_1.75.

Le C-S-H est toujours une substance mystérieuse aujourd'hui, mais nous savons qu'il s'agit d'un gel amorphe sans structure cristalline définie. Il durcit rapidement, même dans l'eau. Et il est plus durable que le ciment à la chaux.

Les anciens Grecs ont utilisé ce nouveau ciment de manière nouvelle et précieuse, construisant des citernes en béton qui ont survécu jusqu'à nos jours. Mais les ingénieurs romains maîtrisaient la technologie et construisaient également des ports maritimes, des aqueducs et des temples en béton. Certaines de ces structures sont toujours aussi bonnes aujourd'hui, deux mille ans plus tard. Mais la formule du ciment romain a été perdue avec la chute de l'empire romain. La recherche moderne continue de découvrir des secrets utiles des anciens, tels que l'insolite composition de béton romain dans un brise-lames construit en 37 avant notre ère, qui promet de nous aider à économiser de l'énergie, à utiliser moins de chaux et à produire moins de CO₂.

Alors que le ciment à la chaux a continué à être utilisé tout au long du Moyen Âge et du Moyen Âge, le véritable ciment hydraulique n'a été redécouvert qu'à la fin des années 1700. Des expérimentateurs anglais et français ont appris qu'un mélange calciné de calcaire et d'argile pouvait être transformé en ciment hydraulique. Une version anglaise a été surnommée "Portland cement" pour sa ressemblance avec le calcaire blanc de l'île de Portland, et le nom s'est rapidement étendu à tous les ciments fabriqués par ce procédé.

Peu de temps après, les fabricants américains ont trouvé des calcaires argileux qui produisaient un excellent ciment hydraulique avec peu ou pas de traitement. Ce ciment naturel bon marché constituait la majeure partie du béton américain pour la plupart des années 1800, et la plupart provenait du ville de Rosendale dans le sud de New York. Rosendale était pratiquement un nom générique pour le ciment naturel, bien que d'autres fabricants se trouvent en Pennsylvanie, en Indiana et au Kentucky. Le ciment Rosendale se trouve dans le pont de Brooklyn, le bâtiment du Capitole américain, la plupart des bâtiments militaires du XIXe siècle, la base de la Statue de la Liberté et de nombreux autres endroits. Avec la nécessité croissante de maintenir les structures historiques en utilisant des matériaux historiquement appropriés, Le ciment naturel de Rosendale renaît.

Le vrai ciment Portland a lentement gagné en popularité en Amérique à mesure que les normes progressaient et que le rythme de construction s'accélérait. Le ciment Portland est plus cher, mais il peut être fabriqué partout où les ingrédients peuvent être assemblés au lieu de compter sur une formation rocheuse chanceuse. Il sèche également plus rapidement, un avantage lors de la construction de gratte-ciel un étage à la fois. Le ciment par défaut d'aujourd'hui est une version du ciment Portland.

Aujourd'hui, les roches contenant du calcaire et de l'argile sont frittées - torréfiées ensemble à une température de fusion presque - à 1400 ° à 1500 ° C. Le produit est un mélange grumeleux de composés stables appelé clinker. Le clinker contient du fer (Fe) et de l'aluminium (Al) ainsi que du silicium et du calcium, dans quatre composés principaux:

• Alite (Ca₃SiO₅)
• Belite (Ca₂SiO₄), connue des géologues sous le nom de larnite
• Aluminate (Ca₃Al₂O₆)
• Ferrite (Ca₂AlFeO₅)

Le clinker est broyé en poudre et mélangé avec une petite quantité de gypse, ce qui ralentit le processus de durcissement. C'est du ciment Portland.

Le ciment est mélangé avec de l'eau, du sable et du gravier pour faire du béton. Le ciment pur est inutile car il rétrécit et se fissure; c'est aussi beaucoup plus cher que le sable et le gravier. À mesure que le mélange durcit, quatre substances principales sont produites:

• C-S-H
• Portlandite
• Ettringite (Ca₆Al₂(DONC₄)₃(OH)₁₂· 26H₂O; comprend du Fe)
• Monosulfate ([Ca₂(Al, Fe) (OH)₆] · (DONC₄, OH, etc.) ·XH₂O)

Les détails de tout cela sont une spécialité complexe, faisant du béton une technologie aussi sophistiquée que n'importe quoi dans votre ordinateur. Pourtant, le mélange de béton de base est pratiquement anti-stupide, assez simple pour vous et moi.