Mécanismes d'altérations des matériaux cimentaires soumis aux milieux fortement agressifs

I -3) Les constituants du ciment :

Figure I -3 : Les constituants du ciment.

Le ciment résulte du broyage d'un certain nombre de constituants : Le clinker, le gypse et les ajouts minéraux actifs :

I -3-1) Le clinker : C'est un mélange fritté de calcaire et d'argile .Ce mélange après cuisson forme des grains dont les dimensions vont jusqu'à 40mm et s'appelle : Clinker.

Le calcaire est composé principalement de CaO et CO₂ ; et l'argile de diverses matières contenant surtout trois oxydes : SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃. La matière première destinée à la production doit contenir 75 à78% de CaCO₃ et de 22 à 25% de matière argileuse.

Les roches qui satisfont aux conditions indiquées ci dessus ne se rencontrent que très rarement. C'est ainsi que pour la production du ciment Portland sans ou avec ajout pouzzolanique, il faut employer à coté des calcaires et des argiles, des additions que l'on appelle adjuvants qui contiennent une grande quantité de celui des oxydes qui manque dans le mélange des matières premières. Parmi ces adjuvants corrigeant, on cite le minerai de fer, argile très alumineux, ...etc.

Les oxydes indiqués plus haut (CaO, SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃) ne se trouvent pas à l'état libre dans le clinker mais au cours de la cuisson du cru (calcaire + argile) quatre minéraux se forment (figure I-4) :

v C₃S ..... (3CaO. SiO₂) Alite

v C₂S ..... (2CaO. SiO₂) Belite

v C₃A ..... (2CaO. Al₂O₃) Aluminate tricalcique

v C₄AF..... (4CaO.Al₂O₃.Fe₂O₃) Célite.

Figure I -4 : Microphotographie d'un clinker.

Les couleurs sont les suivantes : noir = porosité, rouge = C₃S, bleu clair = C₂S, vert = C₃A,

orange = C₄AF, vert = sulfates de calcium, jaune =K₂SO₄ et blanc = CaO .

I -3-2) Le gypse (CaSO4) :

Le clinker « pur » très fin est caractérisé par de courts délais de prise (3 à 5 min), ce qui le rend pratiquement inutilisable. Ce fait est surtout dû à la célite (C₃A) qui s'hydrate rapidement tandis que ses hydrates deviennent rapidement compacts et se cristallisent.

Il s'ensuit que pour ralentir la prise du ciment, il faut lier les hydroaluminates de calcium en d'autres composés. Ce rôle peut bien être joué par le gypse qui réagit énergiquement avec l'hydroaluminate tricalcique et produit un sel insoluble l'hydrosulfoaluminate de calcium (3CaO.Al₂O₃.3CaSO₄.31H₂O). La quantité à introduire doit correspondre à la teneur en C₃A dans le liant. Lorsque cette teneur en gypse est respectée, l'action des hydroaluminates de calcium se trouve paralysée au moment initial.

I -3-3) Ajout minéral actif :

Ces ajouts qui jouent le rôle suivant : d'après leur composition ils se présentent principalement par de la silice amorphe qui réagit activement avec l'hydroxyde de chaux qui se forme lors de l'hydratation des minéraux faisant partie du clinker.

Le rapport entre le clinker et l'adjuvant hydraulique (ajout minéral) est établi en fonction de l'activité de l'adjuvant et de la composition minéralogique du clinker. Plus l'adjuvant est actif, plus il peut fixer l'oxyde de calcium hydraté et moins il faudra de ciment pouzzolanique. [5]

Parmi les ajouts les plus utilisés, on mentionne :

A- Les laitiers de haut-fourneau :

On obtient du laitier granulé de haut fourneau par refroidissement rapide de la scorie fondue, c'est-à-dire des résidus provenant de la fusion du minerai de fer dans un haut fourneau. Il est constitué, en masse, d'au moins deux tiers de CaO, MgO et SiO₂, le reste contenant Al₂O₃ et de faibles quantités d'autres oxydes.

Les laitiers existent sous forme de poudre fine, sèche. Ils sont considérés comme un matériau hydraulique latent, qui présente des propriétés hydrauliques après avoir subi une activation convenable, en effet, l'ajout d'eau à un échantillon de laitier vitrifié n'entraîne aucun durcissement du mélange.

L'hydratation des laitiers engendre la formation de CSH (silicate de calcium hydraté), d'aluminates (AC₂H₇) et de silicoaluminates (dérivés de l'ettringite) . [8]