Calcite, chaux, calcin et CO₂

Sommaire
	Du calcaire... au calcaire par le cycle de la chaux
	Une application particulière : le fresque et son calcin
	La pierre et son calcin

Le CO₂ est un constituant du calcaire. Il y est comme stocké. Les conditions de température, de pression, d'agressivité des eaux, ne cessent de modifier l'équilibre de composition de cette roche qui fait intervenir un gaz sensible à ces modifications : la roche se voit ainsi dissoute, transportée, précipitée à nouveau selon les conditions.
Tel est le mécanisme général des phénomènes karstiques qui façonnent les paysages calcaires. Mais ces transformations incessantes de la roche sont également sensibles à une échelle moindre et affectent les matériaux dont les constituants sont le calcaire.

C'est à ce titre que tous les jours, en ce qui concerne la chaux, les mortiers et la pierre, le LERM a affaire avec le CO₂...

Du calcaire... au calcaire par le cycle de la chaux

L'utilisation de la chaux par les hommes est attestée depuis la plus haute antiquité. On l'utilisait partout en Asie mineure. Les Egyptiens la connaissaient, mais ce sont les Romains qui, à la suite des Grecs d'Italie, en l'additionnant de divers matériaux pouzzolaniques, l'ont constituée en un mortier efficace et durable. Appliqué à toutes sortes d'ouvrages monumentaux et de génie civil, l'usage de la chaux a révolutionné l'architecture.

Jusqu'à la mise au point du ciment Portland au milieu du XIXe siècle, la chaux a été le liant le plus utilisé dans la construction : elle participait à la solidité des structures de maçonneries, à l'enduit ou aux badigeons des murs, à la décoration intérieure par son rôle dans les fresques.

Partout employée, le mécanisme de prise de la chaux est pourtant restée longtemps un mystère. La notice "mortier" qu'on trouve dans l'article consacré à la chaux dans l'Encyclopédie de D'Alembert et Diderot précise : " La théorie de la formation du mortier, de l'espèce d'union que contractent les trois matériaux, savoir, la chaux, le sable et l'eau et leur action mutuelle, est peu connue des chimistes. Stahl lui-même, qui a appuyé sa théorie de la mixtion des substances souterraines, subterraneorum, sur les phénomènes du mortier, n'a pas assez déterminé la forme de mixtion de ce corps singulier, dont l'examen chimique est encore tout neuf. " Ces lignes datent de 1753.

Les roches carbonatées était un réservoir immense de CO₂. La chaux, pourrait-on dire, est un moment du calcaire… même si, curieusement les bons esprits du XVIIIe siècle définissaient plutôt le calcaire par la chaux, par l'usage, en somme, qui pouvait en être fait. Ainsi, toujours dans l'Encyclopédie :
" Calcaire : L'on nomme ainsi les terres ou pierres qui exposées à l'action d'un feu convenable se réduisent en poudre ou en chaux, ou qui sont disposées par le feu à pendre cette forme… "

Comme l'indique l'Encyclopédie, la chaux donc est issue du calcaire à partir de sa calcination. Cette calcination donne ce qu'on appelle la chaux vive (oxyde de calcium). L'extinction de cette chaux vive par de l'eau donne de la chaux éteinte (hydroxyde de calcium). L'adjonction d'eau et de sable à la chaux éteinte donne un mortier frais. Avec le temps, la prise de la chaux donne de la calcite, c'est-à-dire à nouveau du calcaire. En effet, au contact de l'air et du CO₂ qu'il contient, la chaux va se carbonater et redonner le carbonate de calcium d'origine. Cette réaction est longue à s'accomplir : c''est la partie aérienne de la prise.

Dans ce cycle que l'on appelle le cycle de la chaux, les phases sont déterminées par l'action du dioxyde de carbone : soit le CO₂ est relâché, soit il est combiné.

Schéma du Cycle de la chaux aérienne

Détail des réactions aux différentes phases :

Calcination
CaO₃+chaleur -> CaO+CO₂

Extinction
CaO+H₂O->Ca(OH)₂+chaleur

Carbonatation
Ca(OH)₂+CO₂-> CaCO₃+H₂O

Les chaux aériennes sont formées à partir de calcaires très purs : marbres ou certaines craies. Mais les calcaires sont rarement purs. Ils contiennent généralement des argiles et des marnes riches en fer, aluminium et silice. Lors de la calcination, entre 800 et 1500°C, le calcium du calcaire et ces éléments se combinent et forment des silicates de calcium, des aluminates de calcium et des ferro-aluminates de calcium.
Au contact de l'eau, ces corps vont former des hydrates insolubles qui confèrent au liant un caractère hydraulique. Il s'agit là de la prise hydraulique de la chaux.

La prise hydraulique n'exclut pas la prise aérienne qui s'effectue plus lentement. F-X Deloye (1) remarque que la carbonatation des mortiers s'effectue bien après l'achèvement des édifices. Il existe ainsi des murs byzantins dont le coeur de mortier est encore mou et présente un pH supérieur à 12.

Une application particulière : le fresque et son calcin

On appelle aujourd'hui fresque toutes les peintures murales. Il s'agir d'un abus de langage. En réalité, la fresque est une peinture exécutée sur un enduit frais (d'où son nom italien de fresco) constitué de chaux et de sable. Les couleurs sont des pigments délayés dans de l'eau. Les peintures, avec le temps, s'intègrent au mortier en carbonatant. La pellicule de calcin de surface protège ainsi durablement la couche picturale.

Selon P. Diaz Pedregal (2), toute peinture murale peut être définie comme une interface fragile entre deux milieux : celui des matériaux solides de son support et celui de sa surface picturale. C'est cette surface qui lui confère sa valeur patrimoniale et c'est elle aussi qui est au contact d'un domaine essentiellement gazeux vecteur de nombreuses agressions possibles : hydriques, chimiques, thermiques, radiatives, biologiques... La surface de calcin, si elle protège l'éclat de la couleur est aussi une précieuse frontière protectrice.

La pierre et son calcin

De la pierre à la chaux, ou de la chaux à la pierre, il n'y a qu'un pas. Nous venons de voir que, en terme de matériaux, ses pas sont réversibles. L'exploitation de la pierre comme matière première de la chaux et celle de la pierre d'oeuvre sont d'ailleurs historiquement solidaires :

"Le chaufournier, proprement dit, borne son art à convertir en chaux la pierre qui en est le plus naturellement susceptible. Comme il faut que cette pierre ait été tirée de la carrière, tout homme qui, par son métier de chaufournier, ou par l'entreprise de quelque grande construction, a besoin de fabriquer beaucoup de chaux, doit exploiter les carrières en même tems que les fours à chaux ; & même, pour y trouver son compte, il faut orinairement qu'il fournisse la pierre de taille & le moellon des bâtiments en même tems que la chaux. Quiconque dirige de grands travaux, doit avoir au moins des notions claires de l'un & l'autre attelier, & de plus avoir étudié la chaux de son canton dans ses effets, & savoir la traiter convenablement à la durée des édifices & à l'économie de leur établissement.

Nulla ars non alterius artis..."

Fourcroy de Ramecourt : L'Art du chaufournier (1766)

Nous allons voir à quel point pierre et chaux sont complices jusque dans les détails...

Les surfaces d'une pierre calcaire extraite d'une carrière sont fragiles. Tout se passe comme si elle n'avait pas de peau. Avec le temps, et une exposition durable à l'atmosphère, cette peau se génère naturellement.

L’eau de carrières est essentiellement de l’eau de pluie qui, ayant dissous le CO₂ produit par la végétation dans le sol, s’est chargée d’acide carbonique. Agressive, cette eau dissout la calcite qu’elle traverse et transporte donc des bicarbonates. La pierre extraite de carrière contient naturellement de cette eau. L'eau, en s’évaporant du bloc de pierre, transporte les bicarbonates vers la surface, où, au contact du CO₂ atmopshérique, ils vont carbonater : ils se transforment en carbonates insolubles, c'est- à-dire à nouveau en calcite.

Plus dure, plus dense et moins poreux que la pierre sur laquelle il se constitue, le calcin la  protège contre les intempéries. Il limite les risques de gélifraction en empêchant l’eau de pénétrer dans la pierre, ainsi que la possibilité d’une attaque acide atmosphérique.
Les pierres retaillées voient disparaître leur pellicule de calcin. Un usage ancien consiste à les tremper : avant leur remise en place dans l’édifice, on les plonge un certain temps dans l’eau de chaux, accélérant la carbonatation, ce bain contribue à la reconstitution du calcin.

Notes

(1) François-Xavier Deloye : La chaux à travers les âges, bulletin du Laboratoire central des Ponts et Chaussées, n° 201, 1996.

(2) Pierre Diaz Pedregal : la conservation des peintures murales, une question de temps, in Peintures murales, quel avenir pour la conservation et la recherche. Actes du Colloque international, Toul, 3-5 octobre 2002. Ed. du Cherche Lune, 2007.