Sauf si vous vivez dans un chalet ou une hutte, vous avez probablement des éléments en béton partout autour de vous : murs, dalles au sol, mobilier urbain, poteaux électriques… à tel point que je suis donc sûr que vous savez à quoi ça ressemble. Pourtant, il est possible que vous ne savez pas comment on le fabrique !
Le béton, ou plutôt le ciment que l’on utilise dans le béton se présente au départ comme une poudre grise, à laquelle on ajoute de l’eau pour former une pâte. On fait ensuite sécher cette pâte dans la forme et le lieu choisi pour le faire durcir. Non ?
En réalité, ce n’est pas du tout ce qui se passe. Le béton, ou plutôt le ciment est de ces choses de la vie courante (comme les arbres !) qui fonctionnent de façon contre-intuitives.
Contrairement à de la peinture à l’eau, le ciment ne sèche pas : il prend. Et le ciment peut très bien aussi « prendre » sous l’eau, en milieu totalement immergé. Son durcissement ne résulte en effet pas d’un séchage mais d’une réaction chimique dans laquelle l’eau a un rôle important. Voyons tout cela !
béton ou ciment ?
Le béton est ce qu’on utilise pour faire des dalles ou des murs : c’est un mélange de gravier et de ciment.
Le ciment est là pour coller les graviers entre-eux et former un bloc solide. On pourrait se passer des graviers, mais le béton est de cette façon plus solide que le ciment seul, et il est également moins onéreux. Le ciment est cher à produire et l’inclusion de sable, de graviers et/ou de cailloux permet de réduire les coûts. Les propriétés mécaniques (rigidité, élasticité, solidité…) et l’aspect varient en fonction de la proportion de ces inclusions.
Au sein du béton, les inclusions ne participent pas à la chimie responsable de son durcissement. Seul le ciment fait intervenir des réactions chimiques et c’est donc de ça que cet article va parler.
La chimie du ciment
Le ciment, plus précisément le ciment Portland (le plus utilisé) est une poudre grise très fine obtenue après un traitement chimique et thermique de roches calcaire, de gypse et de et divers minéraux dans les cimenteries. Je ne parlerai pas de ce traitement ici, mais seulement du processus de prise, donc du durcissement final du ciment.
La poudre grise du ciment Portland contient divers minéraux, en proportions quelque peu variables qui sont :
| silicate tricalcique | $3\text{CaO}\cdot\text{SiO}_2$ | de 45 à 79,7 % |
| silicate bicalcique | $2\text{CaO}\cdot\text{SiO}_2$ | de 5,7 à 29,8 % |
| aluminate tricalcique | $3\text{CaO}\cdot\text{Al}_2\text{O}_3$ | de 1,1 à 14,9 % |
| aluminoferrite tétracalcique | $4\text{CaO}\cdot\text{Al}_2\text{O}_3\cdot\text{Fe}_2\text{O}_{3}$ | de 2,0 à 16,5 % |
| gypse | $\text{CaSO}_4\cdot2\text{H}_2\text{O}$ | de 3 à 5 % |
Ce sont ces éléments qui vont réagir chimiquement avec l’eau que l’ont va rajouter à la poudre.
Premièrement, l’eau va réagir avec l’oxyde de calcium, le $\text{CaO}$, ou chaux vive, présent dans l’aluminate tricalcique — très réactif — et rapidement former de l’hydroxyde de calcium. Le gypse permet de contrôler et ralentir cette réaction pour éviter une « fausse prise » trop rapide.
Étant donnée que l’on ajoute de l’eau et que l’oxyde de calcium prend un hydrogène pour devenir de l’hydroxyde de calcium, cette étape est appelée l’hydratation.
S’il y a assez d’eau, ce produit est à l’état de solution ionique et c’est un milieu très basique à cause des ions $\text{OH}^\text{-}$. Les ions présents dans la pâte liquide se réassemblent en cristaux longs et fins de monosulfoaluminate de calcium hydraté $3\text{CaO} \cdot \text{Al}_2\text{O}_3 \cdot 3\text{CaSO}_4 \cdot 32\text{H}_2\text{O}$, aussi appelé de l’ettringite. Cette réaction se produit après quelques minutes seulement, et dégage très rapidement beaucoup de chaleur.
On dit maintenant que le ciment est en phase « dormante » : rien ne semble se passer, mais les cristaux d’ettringite, qui ne sont que des produits intermédiaires de la réaction disparaissent de façon imperceptible. On obtient une « soupe » de différents ions et le béton est alors relativement liquide.
Les silicate tri‑ et bi‑calcique ne sont pas aussi réactifs que l’aluminate. Ils vont déshydrater l’etrringite en monosulfoaluminates de calcium $\text{CaO} \cdot 3\text{Al}_2\text{O}_3 \cdot \text{CaSO}_4 \cdot 12\text{H}_2\text{O}$, pour réagir eux-mêmes et former de l’hydroxyde de calcium (portlandite) : $\text{Ca}(\text{OH})_2$. Cette réaction là, de formation de portlandite, peut commence quelques heures après le mélange et s’estompe lentement, perdurant des mois. Là également, une bonne quantité de chaleur est émise :
Les autres ions et éléments présents (oxydes de fer et d’aluminium) privés d’eau vont également retrouver leur forme cristalline sans vraiment participer à la cohésion du ciment.
Une fois solide, l’ensemble forme une masse où divers cristaux s’enchevêtrent. Cette structure est très solide et donne au béton sa dureté bien connue.
Enfin, une grande quantité de chaleur est libérée par le prise du béton, que ce soit tout au début lors de la formation de l’ettringite ou un peu après quand c’est le portlandite qui se forme. Si vous coulez une grande dalle de béton, il convient de prendre ceci en compte : le centre de la dalle risque de chauffer beaucoup plus que l’extérieur. Si l’ensemble chauffe trop, il peut alors fissurer, ce qui fragilise l’ensemble de la structure (et dans le cas d’un pont ou d’un mur, ce n’est clairement pas l’idéal). Aussi, il n’est pas rare que le béton soit maintenues au chaud avec des radiateurs ou des réchauds lorsque de grandes pièces sont coulées par temps froid. Ceci afin de réchauffer les couches extérieures de la pièce pour réduire la différence de température avec le cœur, et éviter les tensions mécaniques au sein du bloc de béton.
Conclusion
Pour conclure, comme on peut le voir, l’eau ne s’évapore à aucun moment. Il réagit simplement avec les minéraux dans le ciment et prend part dans la réaction et dans la structure solide finale. En tant que réactif, donc, il convient donc de bien doser l’apport en eau dès le départ, pour permettre au béton final d’être homogène sans qu’il reste de bulles d’eau ou de zones n’ayant pas réagit par manque d’hydratation.
Une dalle de béton, aussi moche et ennuyeux que ça peut sembler, renferme là aussi bien de la science, en l’occurrence de la chimie !
Références
- Concrete: Scientific Principles (cours d’un professeur à l’Université de l’Illinois)
- Le béton : Le ciment : fabrication et prise (travaux d’un groupe d’élèves de l’École polytechnique universitaire Paris-Sud)
- Hydratation du ciment Portland (site du Lerm - Setec)
