et du ciment

Au cœur du béton

Le béton est le matériau de construction le plus utilisé notamment parce qu’il est durable, résilient et malléable, ce qui laisse une grande liberté créative et architecturale. Mais finalement, de quoi est composé le béton, comment se forme-t-il et qu’est-ce qui lui permet d’avoir ces propriétés ? C’est ce que nous allons découvrir dans cet article.

Par Léa Ordener / Le 25 Janvier 2021

De quoi est composé le béton ?

Tout d’abord il vous faut de la matière première :

  • Du calcaire (Ca CO3), que l’on peut trouver dans des carrières d’extraction à ciel ouvert.

  • De l’argile (Al2Si2O5(OH)4), que l’on peut dénicher dans des carrières d’extraction à ciel ouvert ou même au bord de l’eau. Dans certaines carrières, exceptionnellement, on ne peut pas extraire l’argile. Pour la remplacer, on va aller chercher la silice contenue dans l’argile dans des cendres de centrales thermiques, et l’alumine de l’argile dans une roche appelée bauxite.

  • Du gypse (CaSO4 · 2 H2O), que l’on peut également se procurer en carrière d’extraction à ciel ouvert.

La roche gypsite (CaSO4 · 2 H2O)
La roche gypsite
Poudre d'argile (Al2Si2O5(OH)4)
Poudre d’argile
La roche calcaire (Ca CO3)
La roche calcaire

Carrière d'extraction d'argile à ciel ouvert
Carrière d’extraction d’argile à ciel ouvert

NB : Vous pouvez consulter “La carte de répartition des carrières en France” sur le site du SNROC (Syndicat National des Industries de Roches Ornementales et de Construction).

Ces matières premières permettent de produire du ciment, qui est une poudre composée de 80% de calcaire, de 20% d’argile et d’une pincée de gypse. En ajoutant au ciment du sable et de l’eau on obtient du mortier, une colle qui permet notamment d’assembler des parpaings ou des briques. Enfin, en complétant la recette avec du gravier (ou granulats), on obtient le fameux béton.

Le béton, matériau de construction
Le béton
Le mortier, composé de ciment, sable et d'eau
Le mortier
Le ciment composé de calcaire, d'argile et de gypse
Le ciment

NB : A titre indicatif, il faut pour obtenir 1m³ de béton : 300kg de ciment, 800kg de sable, 1 tonne de gravier ou granulats et 180L d’eau.

Des cailloux bloqueurs de fissures

Granulats
Granulats

On pourrait penser que l’on ajoute du sable et des granulats à la préparation du béton pour des raisons économiques. En effet, cela revient moins cher que d’utiliser uniquement du ciment. Mais ce n’est pas tout. Lorsque le ciment et l’eau réagissent, il se produit une réaction exothermique, c’est-à-dire que lorsque les molécules se réagencent, elles dégagent de la chaleur.

Prenons l’exemple d’une pile de pont, qui est un appui permettant de soutenir le “tablier” (le dessus) d’un pont. Si cette dernière n’était qu’en ciment, la température au moment de la prise du béton (de 100°C environ) ferait dilater le ciment au coeur de la pile, mais il se contracterait au niveau des bords. La pile fissurerait alors et rien ne pourrait l’empêcher de fissurer. Ainsi, le sable et les gravillons empêchent la propagation et la formation de ces fissures, de par leur granularité mais évitent également au béton de trop chauffer.

NB : il est important d’avoir une granularité continue, c’est-à-dire des granulats de différentes tailles, de 1mm (sable) à 2cm (cailloux). On choisit généralement, dans la composition d’un béton, 3 ou 4 diamètres de granulats différents (par exemple 1mm, 2mm, 8mm et 15mm). Ainsi ils peuvent se répartir dans tout le volume du béton, les petits granulats comblant le vide entre les gros. L’ensemble des granulats est ensuite enrobé par le mélange eau-ciment qui crée un véritable liant entre les granulats.

Les granulats sont de différents types. Nous retrouvons les granulats naturels faits à partir de roches, les granulats artificiels comme les laitiers ou encore les granulats fabriqués à partir de béton recyclé par exemple. Les granulats contribuant à la bonne résistance du béton, il est donc important de bien les choisir selon leurs caractéristiques mécaniques et physico-chimiques. Cela pourrait faire l’objet d’un prochain article.

Comment forme-t-on le ciment ?

Processus de fabrication du ciment en cimenterie
Fabrication du ciment dans une cimenterie

Etape 1 : La pré-calcination

Une fois que les matières premières ont été extraites, elles sont concassées puis acheminées jusqu’à la cimenterie. Là-bas, l’ensemble va être broyé et mélangé, ce qui va le transformer en farine (aussi appelé cru). La farine est ensuite séchée et déshydratée dans des tuyaux d’air chaud où elle atteint la température de 950°C.

Etape 2 : La Clinkerisation

Puis, dans un four (un long cylindre rotatif de 70m de long), la farine va chauffer pendant 30mn jusqu’à une température de 1450°C. A cette température-là, la farine devient comme de la lave et l’on stoppe alors la cuisson. On obtient, à la sortie du four, du clinker.

Et de plus près, que se passe-t-il ?

La roche calcaire est composée de calcium, carbone et d’oxygène. L’argile, lui, est principalement constitué d’alumine et de silicium. Une fois ces différents composants dans le four, ils vont, sous l’effet de la chaleur, se séparer puis se recombiner, mais d’une autre manière. Ainsi le carbone et une partie de l’oxygène de la roche calcaire vont partir en fumée, sous forme de dioxyde de carbone (CO2), laissant dans le four des assemblages de calcium et du restant d’oxygène, autrement dit de la chaux vive. L’alumine et le silicium vont quant à eux, se séparer et se combiner, sous l’effet de la chaleur qui augmente, avec la chaux vive. C’est à ce stade que la cuisson est stoppée et que l’on obtient du clinker.

Etape 3 : La Mouture (ou broyage du clinker)

C’est l’étape qui permet d’obtenir du ciment. Elle consiste à broyer le clinker dans un “broyeur à boulets”, afin qu’il se décompose en poudre ou ciment. Lors de cette étape, des ajouts tels que des laitiers ou des cendres peuvent être incorporés afin d’optimiser les caractéristiques de prise et mécaniques du ciment (et donc indirectement les propriétés du béton). Mais nous traiterons ce sujet dans un autre article.

La formation du béton lors du malaxage

Enfin, les différents ingrédients, le ciment, le sable, les granulats et l’eau sont pesés puis mélangés dans des malaxeurs afin de former le béton. Nous abordons ce sujet un peu plus en détail dans notre article sur le bétonnage.

NB : La fabrication du béton est un processus spécifique qui varie selon la nature et la quantité des composants. En fonction des caractéristiques souhaitées, on peut ajouter à la recette des adjuvants, des minéraux de végétaux ou encore des fibres. Mais, comme dit précédemment, nous reviendrons sur ce sujet dans un prochain article.

Dans tous les cas, l’objectif est d’obtenir un matériau facile à couler et à mouler et qui après séchage deviendra suffisamment résistant.

Pourquoi le béton durcit-il ?

Lors du mélange des divers éléments du béton, le ciment va se dissoudre avec l’eau. Ainsi, toutes les molécules vont se séparer pour former un nouveau matériau. Autrement dit, la quantité d’eau ainsi que les grains de ciment vont diminuer au fur et à mesure afin de laisser place à la formation de ce nouveau matériau qui sera extrêmement résistant.

Au bout de 7 jours, le matériau a atteint 50% de sa résistance finale et au bout de 28 jours, 80%.

NB : Ces pourcentages sont indicatifs et dépendent énormément des composants utilisés et de leurs proportions. La mesure de la résistance du béton à la compression à 28 jours à l’aide d’éprouvettes normalisées permet de classifier le béton en termes de résistance. On l’appelle la résistance caractéristique du béton.

Le béton, c’est polluant !

Fumée (rejet de dioxyde de carbone CO2) se dégageant d'une centrale BPE lors de la production du béton
Rejet de CO2 dans l’atmosphère

Le béton a de nombreux avantages mais on ne peut pas dire qu’il soit très vert. Et cela est dû notamment à la grande production de ciment ! En effet, lorsque l’on produit une tonne de clinker, on émet pas loin de 850 kg de dioxyde de carbone (CO2), connu notamment pour augmenter l’effet de serre et donc participer au réchauffement climatique ! Des solutions pour réduire l’émission de gaz à effet existent heureusement, comme utiliser des déchets ou des farines animales à la place du pétrole pour la combustion lorsqu’il faut faire chauffer le four.

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