Le ciment est l’ingrédient principal de la pâte de ciment – l’agent liant dans le béton de ciment Portland (PCC). C’est un ciment hydraulique qui, lorsqu’il est combiné avec de l’eau, durcit en une masse solide. Intercalé dans une matrice agrégée, il forme PCC. En tant que matériau, le ciment portland est utilisé depuis plus de 175 ans et, d’un point de vue empirique, son comportement est bien compris. Chimiquement, cependant, le ciment portland est une substance complexe dont les mécanismes et les interactions doivent encore être entièrement définis. L’ASTM C 125 et la Portland Cement Association (PCA) fournissent les définitions précises suivantes:

• Ciment hydraulique: Matériau inorganique ou mélange de matériaux inorganiques qui fixe et développe sa résistance par réaction chimique avec l’eau par formation d’hydrates et est capable de le faire sous l’eau.
• Ciment Portland: Un ciment hydraulique composé principalement de silicates de calcium hydrauliques.

Background

Bien que l’utilisation de ciments (hydrauliques et non hydrauliques) remonte à plusieurs milliers d’années (au moins à l’époque égyptienne antique), le calcaire du Bill de Portland près de Weymouth

la première apparition du « ciment portland » est apparue au 19ème siècle. En 1824, Joseph Aspdin, un maçon de Leeds, a déposé un brevet sur un ciment hydraulique qu’il a inventé le ciment « Portland » (Mindess et Young, 1981). Il a nommé le ciment parce qu’il produisait un béton qui ressemblait à la couleur du calcaire naturel extrait sur l’île de Portland, une péninsule de la Manche (voir les figures 1 et 2). Depuis lors, le nom « ciment portland » est resté et s’écrit en minuscules car il est maintenant reconnu comme un nom commercial pour un type de matériau et non comme une référence spécifique à Portland, en Angleterre.

Aujourd’hui, le ciment portland est le matériau de construction le plus utilisé au monde avec environ 1,56 milliard de tonnes (1,72 milliard de tonnes) produites chaque année. La production mondiale annuelle de béton de ciment portland oscille autour de 3,8 millions de mètres cubes (5 milliards de verges cubes) par année (Association du ciment du Canada, 2002). Aux États-Unis, les trottoirs rigides sont la plus grande utilisation unique de ciment portland et de béton de ciment Portland (ACPA, 2002).

Fabrication

Bien qu’il existe plusieurs variantes du ciment Portland fabriqué commercialement, elles partagent chacune un grand nombre des mêmes matières premières et composants chimiques de base. Les principaux composants chimiques du ciment Portland sont le calcium, la silice, l’alumine et le fer. Le calcium provient du calcaire, de la marne ou de la craie, tandis que la silice, l’alumine et le fer proviennent des sables, des argiles et des sources de minerai de fer. D’autres matières premières peuvent inclure le schiste, les coquilles et les sous-produits industriels tels que l’échelle des usines (Ash Grove Cement Company, 2000).

Le processus de fabrication de base chauffe ces matériaux dans un four à environ 1400 à 1600 ° C –2600 – 3000 ° F) – la plage de température dans laquelle les deux matériaux interagissent chimiquement pour former des silicates de calcium (Mindess et Young, 1981). Cette substance chauffée, appelée « clinker » se présente généralement sous la forme de petites pastilles gris-noir d’environ 12.5 mm (0,5 pouce) de diamètre. Le clinker est ensuite refroidi et pulvérisé en une poudre fine qui passe presque complètement à travers un tamis de 0,075 mm (No 200) et enrichie d’une petite quantité de gypse. Le résultat est du ciment portland. L’Association du ciment Portland (PCA) a une excellente illustration interactive de ce processus sur son site Web.

Propriétés chimiques

Les ciments Portland peuvent être caractérisés par leur composition chimique bien qu’ils soient rarement destinés à des applications sur chaussée. Cependant, ce sont les propriétés chimiques d’un ciment portland qui déterminent ses propriétés physiques et comment il guérit. Par conséquent, une compréhension de base de la chimie du ciment portland peut aider à comprendre comment et pourquoi il se comporte comme il le fait. Cette section décrit brièvement la composition chimique de base d’un ciment portland typique et comment il s’hydrate.

Composition de base

Le tableau 1 et la figure 3 montrent les principaux constituants des composés chimiques du ciment portland.

Tableau 1. Main Constituents in a Typical Portland Cement (Mindess and Young, 1981)

Hydratation

Lorsque le ciment portland est mélangé à de l’eau, ses constituants chimiques subissent une série de réactions chimiques qui le font durcir (ou durcir). Ces réactions chimiques impliquent toutes l’ajout d’eau aux composés chimiques de base énumérés dans le tableau 1. Cette réaction chimique avec l’eau est appelée « hydratation”. Chacune de ces réactions se produit à un moment et à un rythme différents. Ensemble, les résultats de ces réactions déterminent comment le ciment portland durcit et gagne en résistance.

• Silicate tricalcique (C3S). Hydrate et durcit rapidement et est en grande partie responsable de la prise initiale et de la résistance précoce. Les ciments Portland avec des pourcentages plus élevés de C3S présenteront une résistance précoce plus élevée.
• Silicate dicalcique (C2S). Hydrate et durcit lentement et est en grande partie responsable de l’augmentation de la force au-delà d’une semaine.
• Aluminate tricalcique (C3A). Hydrate et durcit le plus rapidement. Libère une grande quantité de chaleur presque immédiatement et contribue quelque peu à la force précoce. Du gypse est ajouté au ciment Portland pour retarder l’hydratation du C3A. Sans gypse, l’hydratation du C3A provoquerait une prise de ciment Portland presque immédiatement après l’ajout d’eau.
• aluminoferrite tétracalcique (C4AF). Hydrate rapidement mais contribue très peu à la force. Son utilisation permet des températures de four plus basses dans la fabrication du ciment Portland. La plupart des effets de couleur du ciment Portland sont dus au C4AF.

La figure 4 montre les taux d’évolution de la chaleur, ce qui donne une idée approximative des temps d’hydratation et du moment où un ciment portland typique se fixe initialement.

Figure 2. Taux d’évolution de la chaleur lors de l’hydratation d’un ciment portland typique.Le résultat des deux hydrations silicatées est la formation d’un hydrate de silicate de calcium (souvent écrit C-S-H en raison d’une stoechiométrie variable). C-S-H représente environ 1/2 – 2/3 du volume de la pâte hydratée (eau + ciment) et domine donc son comportement (Mindess et Young, 1981).

Types de ciment Portland

Connaissant les caractéristiques de base des composés chimiques constitutifs du ciment portland, il est possible de modifier ses propriétés en ajustant les quantités de chaque composé. Aux États-Unis, AASHTO M 85 et ASTM C 150, Spécification standard pour le ciment Portland, reconnaissent huit types de base de béton de ciment Portland (tableau 2). Il existe également de nombreux autres types de ciments mixtes et exclusifs qui ne sont pas mentionnés ici.

Tableau 2. Types ASTM de ciment Portland

Propriétés physiques

Les ciments Portland sont généralement caractérisés par leurs propriétés physiques à des fins de contrôle de la qualité. Leurs propriétés physiques peuvent être utilisées pour classer et comparer les ciments Portland. Le défi de la caractérisation des propriétés physiques est de développer des tests physiques capables de caractériser de manière satisfaisante les paramètres clés. Cette section, tirée en grande partie de l’APC (1988), énumère les propriétés physiques les plus courantes du ciment portland aux États-Unis qui sont testées. Les valeurs de spécification, lorsqu’elles sont données, sont tirées de la norme ASTM C 150, Spécification standard pour le ciment Portland.

Gardez à l’esprit que ces propriétés, en général, s’appliquent aux pâtes de ciment « soignées” – c’est-à-dire qu’elles ne comprennent que le ciment portland et l’eau. Les pâtes de ciment soignées sont généralement difficiles à manipuler et à tester et introduisent donc plus de variabilité dans les résultats. Les ciments peuvent également fonctionner différemment lorsqu’ils sont utilisés dans un « mortier » (ciment + eau + sable). Au fil du temps, il a été constaté que les tests de mortier fournissent une meilleure indication de la qualité du ciment et, par conséquent, les tests sur des pâtes de ciment propres ne sont généralement utilisés qu’à des fins de recherche (Mindess et Young, 1981). Cependant, si le sable n’est pas soigneusement spécifié dans un test de mortier, les résultats peuvent ne pas être transférables.

• Finesse
• Solidité
• Temps de prise
• Force
• Densité
• Chaleur d’hydratation
• Perte à l’allumage