LES LIANTS HYDAULYQUESProfesseur M.L.ABIDI 1 Chapitre I LES LIANTS TRADITIONNELS I. GENERALITES I.1. Historique II est a supposer que les hommes de la préhistoire on découvert la chaux a partir du moment ou ils ont maîtrisés le feu : Des pierres calcaire entourant un foyer, le feu brûlant nuit et jour et ces pierres ont Fini par se décarbonater. Plus tard, la pluie sur un foyer éteint et la chaux vive s'est hydratée.En ce qui concerne les premières traces de la fabrication organisée de la chaux remontent a 10 000 ans avant J. C. en Mésopotamie. La plupart des peuples de l ‘antiquité connaissaient la chaux: Egyptiens, Phéniciens, Grecs, Romains. Elle était utilisée comme liant dans les constructions et servait dans la fabrication d'enduits ou la réalisation de fresques. Les Romains étaient parvenu à améliorer la qualité de leur mortier de chaux en y ajoutant de la brique pilée. Ils utilisaient également pour des applications chimiques. La naissance de l’ère industrielle, avec le développement de la sidérurgie, va entraîner une demande considérable en chaux. Des lors, ses moyens de production vont sans cesse se perfectionner, ses critères de qualité seront de plus en plus précis de même que ses applications qui se diversifieront sans cesse. I.2. Les liants Les liants sont des matériaux minéraux. Si ils sont mélangés avec de l’eau, ils donnent une pâte collante qui durcit graduellement pour devenir un matériau ayant une grande résistance. 2 Dans les travaux de construction, les liants sont mélangés avec l’eau et/ou les granulats (sable, gravillon, gravier), pour donner une pâte de ciment, mortier ou un béton. Le durcissement des liants peut se faire à l’air seulement pour d’autres il se fait dans l’eau ou dans un milieu humide. Selon donc cette propriété on peut classer les liants en deux catégories à savoir : les liants aériens qui ne durcissent et ne peuvent conserver leurs propriétés mécaniques qu’à l’air (ex.: chaux grasse, plâtre), les liants hydrauliques qui durcissent et conservent leurs propriétés mécaniques non seulement à l’air mais aussi dans l’eau (ex.: chaux hydraulique, ciment Portland,…) Une deuxième classification peut être adoptée à savoir : les liants traditionnels (chaux grasse, plâtre et chaux hydraulique...) les liants synthétiques (les ciments …). II. LES LIANTS TRADITIONNELS II.1. La chaux aérienne II.1.1. Définition Elle a été l’un des premiers liants utilisés depuis des millénaires. Les égyptiens, les mayas ont construit des édifices durables avec des mortiers à base de chaux. Au moyen âge, la chaux a été des plus employée ainsi elle fût couramment utilisée jusqu’au milieu du 19e siècle. Elle est obtenue par cuisson des roches calcaires, CaCO3 en les portant à une température de l’ordre de 900°c. Cette opération est suivie d’une extinction à l’eau. Le matériau obtenu, durcissait lentement à l’air, ce qui lui a valu son appellation couramment employée de chaux aérienne. II.1.2. Principe a. La chaux vive est obtenue par calcination du calcaire, dans des fours CaCO3+ Q ———> CaO + CO2 Les appellations sont : CaCO3 : carbonate de calcium (calcaire) CaO : chaux vive CO2 : acide carbonique Q : quantité de chaleur (T de l’ordre de 900°C à 1000°C) 3 Il faut, en moyenne, 3,5 t de calcaire extrait pour produire une tonne de chaux. Le coût du combustible représente 30 à 40 % du prix de revient de la chaux produite. Cette calcination est une source importante de CO2. b. L’extinction est l’opération qui permet le passage de la chaux vive à la chaux éteinte. La réaction chimique est la suivante : CaO + H2O ———> Ca(OH)2 CaO : chaux vive. Ca(OH)2 : chaux éteinte, chaux hydratée, hydroxyde, chaux grasse. Cette réaction est exothermique dégageant environ 155 Kcal/kg de CaO. La chaux éteinte est obtenue par addition d'eau à la chaux vive dans des hydrateurs de 8 à 20 t/h. La quantité d'eau ajoutée est ajustée de façon à obtenir la chaux éteinte sous forme d'une poudre sèche. Par tonne de CaO, il faut 0,3 m3 d'eau pour l'hydratation et par ailleurs, de 0,3 à 0,4 m3 est évacué en vapeur. La température atteinte est de 110°C. c. La prise des chaux aériennes se réalise en se " re-carbonatant " au contact du gaz carbonique de l’air ce processus est un durcissement, qui est en quelque sorte une reconstitution du calcaire d’origine. Ca(OH)2 + CO2 ———>CaCO3 + H2O 4 C’est ce durcissement lent à l’air qui lui a valu son appellation de « chaux aérienne » terme couramment employée. d. Le cycle de la chaux grasse II.1.3. Fabrication La fabrication traditionnelle de la chaux se fait en plusieurs étapes depuis l’extraction jusqu’à la livraison. La fabrication de la chaux La préparation du calcaire a/ L’extraction b/ Concassage et calibrage c/ passage de matériaux dans des cribles La cuisson Aujourd’hui deux types de fours sont employés dans l’industrie pour la cuisson du calcaire, Le four vertical ou four droit et Le four rotatif. a. Le four vertical ou four droit 5 Le four vertical ou four droit, conçu sur le modèle des fours primitifs, se présente généralement sous la forme d’un cylindre en acier (les dimensions moyennes de ces fours sont : diamètre 2m et Hauteur 8m). Les perfectionnements de ces dernières années ont contribué à faire du four droit annulaire le plus économique d’un point de vue énergétique. Selon le type de combustible, on distingue les fours droits anciens et les fours droits modernes. Les fours droits anciens utilisent des combustibles solides (coke métallurgique, charbons,…). Ils consomment environ 150 kg de charbon par tonne de chaux et ont une production assez faible : quelques tonnes à quelques dizaines de tonnes par jour. Les fours droits modernes utilisent des combustibles tel que le fuel, et d’autres combustibles d’origines végétales (pépins de raisin…), le gaz. Leur capacité de production, nettement plus importante, est de 150 à 500 tonnes par jour. L’alimentation en calcaire se fait par le haut du four. Le choix d’un bon calibrage des pierres permet une bonne circulation des flammes et une répartition homogène de la température. b. Le four rotatif Le four rotatif possède les caractéristiques de ceux utilisés dans l’industrie cimentière. Il est constitué d’un cylindre incliné est muni d’une faible rotation autour de son axe. Pour fabriquer de la chaux, il cuit le matériau entre 1000°c et 1300°c, suivant le type de chaux produite. Le calcaire est introduit par l’un des côtés. Il traverse une zone de préchauffage avant de subir la calcination. La chaux est refroidie avant d’être extraite. Ce type de four consomme plus d’énergie. 6 Pour les deux types de fours on distingue trois zones dans le four. La première zone de préchauffage qui permet l’évaporation de l’eau libre contenue dans la pierre et évite l’éclatement des blocs. Une deuxième zone dite de calcination à partir de 900°C, permettant la décarbonations et la perte de CO2. C’est la zone de production de la chaux vive. La troisième zone correspond au refroidissement de la chaux avant qu’elle soit extraite. L’extinction Comme vu au dessous, C’est l’opération qui permet le passage de la chaux vive à la chaux éteinte. CaO + H2O Ca(OH)2 II.1.4. Propriétés et utilisation II.1.4.1. Propriétés principales : a. Propriétés Chimiques : La teneur en chaux libre et magnésie (CaO et MgO) doit être supérieure à 80%. La teneur en oxyde de carbone (CO) doit rester inférieure à 5%. La solubilité est faible (1 à 1,5 g/l), ce qui permet de fabriquer des laits de chaux. La chaux grasse est fortement basique, ce qui permet de neutraliser les acides du sol ou les eaux usées (produit bactéricide). La chaux vive est très avide d’eau, elle s’éteint en s’hydratant avec un fort dégagement de chaleur (absorbe pour 1kg de chaux, 3 litres d’eau). Cette propriété est utilisée pour assécher et traiter les sols très imprégnés d’eau. La chaux éteinte durcit en fixant le gaz carbonique de l’air pour redonner du carbonate de calcium b. Propriétés Physiques : La finesse de mouture est définie par le pourcentage du refus au tamis d'ouverture donnée par la norme (exemple : Le refus au tamis de 800µ est nul et le refus au tamis de 80µ doit être inférieure à 10%). La finesse globale se situe généralement dans l’intervalle de 8.000 à 20.000 cm2/g. La masse volumique apparente varie de 600 à 700 kg/m3 et la masse volumique absolue varie de 2200 à 2500 kg/m3 La chaux grasse résiste bien au feu. La chaux grasse constitue un bon isolant à la fois phonique et thermique. L’eau de gâchage pour l’obtention d’une pâte de chaux est de 8 à 15%. c. Propriétés mécaniques : Les résistances à la compression, sont déterminées à 7 et 28 jours sur des éprouvettes de mortier de composition fixée par les normes (exemple : 1.00 partie en poids de chaux ; 3.00 parties en poids de sable normal ; 0.50 partie en poids d'eau) et confectionnées selon un mode opératoire déterminé. La Stabilité à l'expansion à chaud après 3 heures et à froid après 7 jours ne doit pas dépasser une valeur donnée fixée parla norme (exemple 3 mm). 7 II.1.4.2. Utilisation L’utilisation est très diversifiée et elle concerne plusieurs domaines tel que les routes le bâtiment l’agriculture l’industrie et l’environnement. a. L’utilisation dans le bâtiment Les chaux aériennes trouvent leurs applications les plus anciennes dans le bâtiment dans la préparation de mortiers et de badigeons. Enduits et Mortiers de pose et de jointement: Les dosages courants sont résumés dans le tableau suivant : Crépis à l’ancienne pour rénovation de 1ère couche : Gobetis 2 brouettes de sable sec pour 50 kg de bâtiment ciment 2ème couche : Corps 2 brouettes ½ de 60 litres de sable sec + d’enduit 50 kg de liant à maçonner 3ème couche : Finitions 2 brouettes de 60 litres de sable sec + 25 kg de CAEB (CL). Mortier toiture 5 brouettes de sable + 50 kg de liant à maçonner + 15 kg de CAEB (CL) Mortier à maçonner Hourdage (maçonnerie grossière) : 2 brouettes ½ de 60 l. de sable sec + 50 kg de liant à maçonner Badigeons : Sont obtenus en mettant la chaux éteinte en suspension dans l’eau à raison de 40 litres d’eau par sac de 25 kg. Matériaux de construction : La chaux intervient aussi dans la fabrication de matériaux de construction : 1. Les briques silico calcaires, sont fabriquées avec un mélange intime de chaux et de sable siliceux, compacté et étuvé. Ce matériau est très utilisé en Allemagne et en Russie. Deux grandes usines sont installées en Algérie. 2. Les Bétons cellulaires, matériaux légers et isolants. Sont fabriqués à base de sable siliceux et de chaux dans lequel on provoque la formation de bulles de gaz, souvent par action de la chaux sur l’aluminium en poudre. b. L’utilisation dans les routes Deux techniques sont utilisées, l’assèchement et la stabilisation. La chaux vive est répandue sur les sols humides afin de diminuer leur teneur en eau et faciliter ainsi le travail des engins de terrassement, c’est l’assèchement. 8 La Stabilisation est le fait de mélanger la chaux vive, aux sols argileux, pour qu’elle se combine chimiquement avec ces derniers. L'argile passe alors d’une consistance plastique à une consistance grenue, stable et très peu sensible à l’eau. c. L’utilisation dans l’agriculture d. L’utilisation dans l’environnement Traitement des eaux : Dans les eaux de consommation ou pour certains process Industriels, la chaux intervient comme agent de précipitation et de floculation. Elle est aussi employée dans le traitement des eaux usées pour floculer les matières organiques, les phosphates issus des détergents, pour précipiter les sels de métaux lourds des eaux industrielles et comme bactéricide par élévation du PH. Enfin elle est utilisée pour déshydrater, stériliser et stabiliser les boues issues du traitement des eaux. Traitement des fumées : Les combustibles, tels que le Fuel lourd ou le charbon contiennent naturellement du soufre en quantité plus ou moins importante suivant leur provenance. Les déchets ménagers et aussi certains déchets industriels dégagent également du soufre ou du chlore au court de leur incinération. Ces émissions de soufre et de chlore sont à I'origine des pluies acides. Il existe différents procèdes pour neutraliser ces émissions de gaz acides. e. L’utilisation dans l’industrie II.2. La chaux hydraulique II.2.1. Définition Comme définition simple, on peut dire que La chaux hydraulique naturelle provient de la cuisson de calcaires siliceux avec réduction en poudre par extinction. L’appellation standard de la chaux hydraulique est : NHL (Natural Hydraulic Lime). L’ancienne appellation est : XHN (chauX Hydraulique Naturelle), Elle s'apparente aux chaux éminemment hydrauliques. La différence entre ces deux types de chaux et leur appellation découle de spécifications à la composition et aux caractéristiques de ces liants. L’indice d’hydraulicité ‘i’ est défini par : Suivant les valeurs de i, les chaux sont plus ou moins hydrauliques Type de chaux ‘ i’ % d’argile Durée de prise sous l’eau 9 grasse ~0 0 à 0,1 6 mois faiblement hydraulique 5-8 0,10 à 0,16 15 à 30 jours moyennement 8-15 0,16 à 0,30 10 à 15 jours hydraulique hydraulique 15-20 0,30 à 0,40 2 à 4 jours éminemment hydraulique 20-30 0,40 à 0,50 inférieure à 2 jours La chaux hydraulique naturelle est donc le résultat de la cuisson d'un mélange de roches calcaires et de 15 à 20% d'argile. Il existe aussi des chaux hydrauliques artificielles qui résultent du broyage simultané de clinker, de ciment et de fillers calcaires. En résumé selon la roche ou le constituant d'origine et le traitement subi, on obtient les différentes chaux suivantes : Roche ou calcination au Extinction par Après tamisage Nature de la constituant dessus de 900 °C hydratation et broyage chaux d'origine des produits commerciaux calcaire chaux vive chaux éteinte C.A.E.B. chaux grasse Hydrate de chaux calcaire chaux vive chaux éteinte chaux hydraul. chaux argileux + silicates + + silicates + naturelle hydraulique aluminates aluminates (XHN) Clinker + non non chaux hydraul. chaux fillers artificielle hydraulique (XHA) Conclusion La chaux hydraulique naturelle résulte de la cuisson à environ 1200°C de calcaires siliceux. Elle est composée principalement de silicates de calcium, d’aluminates de calcium et d’hydroxyde de calcium produits par la calcination et du calcaire argileux ou siliceux. La chaux hydraulique fait prise au contact de l'eau, contrairement à la chaux aérienne, dont le durcissement s'effectue sous l'action du gaz carbonique de l'air. Les réactions chimiques de la calcination sont principalement La décarbonatation : CaCO3———> CaO + CO2 La formation des silicates : 2CaO + SiO2 ———> 2CaO, SiO2 CaO + Al2O3 ———> CaO, Al2O3 CaO + Al2O3+Fe2O3 ———>CaO, Al2O3, Fe2O3 10 II.2.2. Propriétés II.2.2.1. Propriétés chimiques La chaux hydraulique en poudre est jaune clair avec des nuances grisâtres. Elle est plus claire que les ciments et contient au moins 10% de chaux libre. Le temps de stockage maximal est de l’ordre de 6 mois. II.2.2.2. Propriétés physiques La masse volumique apparente du produit est comprise pour les XHN 30 entre 600 et 750 kg/m3 et pour les XHN 60 et 100 entre 650 et 900 kg/m3, La masse volumique absolue varie de 2600 à 2900 kg/m3, Sa granulométrie doit être telle que le refus au tamis d'ouverture de mailles 200 µm< 10%, La surface spécifique Blaine varie entre 3000 à 8000 cm2/g. L'expansion à chaud, aux aiguilles de Lechâtelier, après 3 heures et à froid après 5 jours, doit être inférieure à 3 mm. Comme la C.L., la NHL (naturale hydraulique lime) présente une bonne isolation phonique et thermique. La chaux Hydraulique ou encore plus aérienne, son comportement au feu est excellent. II.2.2.3. Propriétés mécaniques Les chaux sont classées selon leurs résistances minimales en compression à 28 jours, exprimée en bars. (Les éprouvettes sont de dimension normalisées et de composition normalisée et l’essai est normalisé). Une chaux hydraulique naturelle offrant une résistance à la compression minimale à 28 jours de 60 bars est désignée sous le symbole de XHN 60. Les classes de résistance de XHN sont : 30, 60 et 100. Les chauX Hydrauliques Artificielles XHA sont également classées selon leur résistance minimale à 28 jours, exprimée en bars. La classe 30 n'existe pas pour les XHA. 11 CATEGORIES % D'ARGILE DUREE DE LA CONTENU DANS LE PRISE CALCAIRE Chaux faiblement 5à8% 16 à 30 h. hydraulique Chaux moyennement 8 à 15 % 10 à 15h. hydraulique Chaux normalement 15 à 19 % 5 à 9 h. hydraulique Chaux éminemment 19 à 22 % 2 à 4 h. hydraulique II.2.3. Utilisation Les chaux hydrauliques trouvent leur application essentiellement dans le bâtiment où leurs qualités, pour faire des mortiers pour enduits, sont appréciées. D’autre applications de ce matériau sont réalisées tel que les ouvrages de maçonnerie (joints, pose de carrelage) ou les travaux de restauration etc.. Enduits : Les mortiers réalisés avec la chaux hydrauliques possèdent plusieurs qualités rendant leurs utilisations dans plusieurs cas de figure intéressantes. Parmi ces points on cite : Mortiers de pose et de jointement : La chaux hydraulique constitue un matériau de choix pour la préparation des mortiers de pose et de liaison, principalement en élévation des murs en brique, en aggloméré ou en pierre. Le remplissage des joints se fait parfaitement grâce à l'onctuosité du liant. Les risques de fissuration sont minimes à condition que l'épaisseur du mortier des joints réalisés soit d'au moins 10 à 15 mm. 12 Bétons de remplissage : Les chaux hydrauliques ne sont pas utilisables pour la réalisation de bétons destinés à supporter des charges importantes, mais elles peuvent être utilisées comme bétons de remplissage destinés par exemple à niveler le fond d'un fouille de fondation ou à constituer le support d'un carrelage, à la réalisation de murs de clôture ou encore des habitations de un ou deux étages. Badigeons : Les XHN conviennent bien pour la confection de badigeons qui peuvent être colorés dans la masse. Les chaux sont suffisamment fines et riches en hydroxyde de calcium pour rester en suspension aqueuse et donner un lait de chaux utilisable au moyen d'un pinceau ou d'un pulvérisateur donnant une blancheur satisfaisante et régulière. Travaux routiers : La chaux hydrauliques est utilisée dans les travaux routiers tels que l'assainissement et la stabilisation des sols, l'accès aux lotissements et aux maisons individuelles. Elle est utilisée aussi pour le traitement des couches de chaussées intermédiaires, fillerisation des enrobés bitumeux. Le tableau suivant résume les chaux hydrauliques. Dénomination et Symbole et Valeurs Utilisation et Composition classe de minimales avantages résistance garanties des (éventuelle résistances ment à la sous classe compression ( en MPa) 2j 7j 28j CHAUX XHN100 50 100 Maçonnerie traditionnelle HYDRAULIQUE n’exigeant que des NATURELLES résistances mécaniques (X.H.N.) moyennes. Obtenue par cuisson de XHN60 30 60 Les mortiers de chaux calcaires marneux dont la hydraulique d’un mélange pulvérisation résulte au chaux hydraulique - moins partiellement, ciment (mortier bâtard) XHN30 10 30 d’extraction ont une grande plasticité (pulvérisation spontanée et une faible fissurabilité. en présence d’eau). Ils conviennent pour Natural Hydraulic Lime l’exécution des enduits. (NHL) Certaines de ces chaux CHAUX YDRAULIQUE XHA100 50 100 sont naturellement ARTIFICIELLES blanches. (X.H.A.)Au moins 40 % de clinker, le surplus étant composé d’inertes. XHA60 30 60 Incorporation d’un “entraîneur d’air” pour améliorer la plasticité. Ciment de Maçonnerie (C.M.) 13 Résumé de la La terminologie utilisée: 1. Chaux hydratée - chaux éteinte - chaux aérienne (moins de 10 % d'argile dans le calcaire de départ) trois désignations pour un même produit qui durcit uniquement à l'air. La chaux vive obtenue est hydratée par addition d’eau. le résultat : c’est la chaux appelée couramment fleur de chaux, chaux éteinte, chaux grasse. L'appellation standard est Calcium Lime (CL) suivi d'un chiffre indiquant la proportion de carbonate de calcium; (ex : CL 90 est la chaux aérienne la plus pure). Dans le domaine bâtiment l’appellation correcte est : chaux aérienne éteinte pour le bâtiment (CAEB). Lorsqu’elle est produite à partir de roches dolomitiques on emploie le terme DL. 2. Chaux maigre, dont la prise est plus lente, provient d'un calcaire contenant 5 à 10 % d'argile. 3. Chaux hydrauliques durcissant aussi bien sous l'eau qu'à l'air. Elles proviennent de calcaire contenant 10 à 20 % d'argile. C'est en quelque sorte un ciment à prise lente utilisé pour les ouvrages ne nécessitant qu'une faible résistance ou encore pour les enduits et la pose des carrelages. La chauX Hydraulique Naturelle : l’appellation standard XHN Ou NHL (en anglais, Natural Hydraulique Lime).Elle s’apparente aux chaux éminemment hydraulique. 4. Dans la nouvelle norme, les anciennes chaux hydrauliques artificielles XHA n’ont plus droit à l’appellation de chaux, mais de ciment à maçonner. 14