Naissance et triomphe du ciment Portland Envoyer cet article à un ami
Cet
article fait suite à : « Entre
chaux et ciment Portland, la naissance du ciment naturel ». Nous y avions
suivi les tâtonnement des recherches sur l'hydraulicité de la chaux,
jusq'aux travaux de Vicat, qui fort utiles aux ingénieurs, ne firent pourtant
pas l'objet d'un brevet.
En
1824, l'anglais Joseph Aspdin réussit à fabriquer une chaux éminement
hydraulique en cuisant à haute température un mélange de
calcaire et d'argiles, qu'il appela " Ciment Portland ". Le dépôt
et l'exploitation de son brevet par Joseph Aspdin la même année,
valut à ce maçon devenu un industriel, renommée, reconnaissance
et, peut-être, une relative fortune. On peut lire, sur une plaque de l'hôtel
de ville de Leeds les mots suivants : " En
mémoire de Joseph Aspdin de Leeds, maçon tailleur de pierres, 1779-1855.
Dont l'invention du ciment Portland breveté le 21 octobre 1824, suivie
d'un siècle d'amélioration dans sa fabrication et son usage, a fait
du monde entier son débiteur. " Le
brevet d'Aspdin : date inaugurale de 100 ans de progrès du ciment Portland
Les
termes de cette plaque sont sages et en accord avec l'essentiel de la littérature
consacrée à l'histoire du ciment : cette date du brevet d'Aspdin
n'est certainement pas celle de l'invention du Ciment Portland. Il s'agit d'un
repère conventionnel à partir duquel un enchaînement de progrès
technologiques et scientifiques va permettre l'avènement du ciment que
nous connaissons aujourd'hui sous ce nom. Les insuffisances du procédé
d'Aspdin (qu'améliorera néanmoins son fils William) sont pointées
par Redgrave puis par Butler : " Aspdin n'a pas indiqué
la quantité exacte d'argile à employer ce qui, pourtant, est une
spécification fondamentale… " (Redgrave, 1894) "
Il est à peine nécessaire d'ajouter que
ce ciment diffère considérablement du ciment Portland de nos jours,
dans la mesure où la calcination n'était pas portée jusqu'à
vitrification, laquelle est aujourd'hui reconnue comme étant caractéristique
de la cuisson du ciment, de manière à transformer la matière
première mécaniquement mélangée en composés
chimiques appropriés… " (Butler, 1899). Ce lecteur
des travaux de Le Chatelier, dont la thèse date de 1883, aborde également
la question du broyage : " Ce qui, alors, était considéré
comme un ciment parfaitement broyé, serait aujourd'hui rejeté avec
mépris par le constructeur même le moins sûr… "
(Butler, 1899) Sont donc ici énoncés les trois éléments
décisifs de progrès de la fabrication du ciment Portland : 
Précision et régularité des proportions des mélanges
argile-calcaire
Finesse du broyage du mélange
Cuisson du mélange à température convenable
Les
insuffisances d'Aspdin, qui peuvent aussi bien être comprises comme de la
rétention d'information dans un secteur déjà soumis à
la concurrence industrielle entre producteurs de ciments naturels, éveillèrent
évidemment la curiosité d'autres fabricants de ciment. Parmi eux,
c'est Johnson (employé par White) qui étudia le plus à fond
le produit d'Aspdin. Il ne perça pas exactement le secret de fabrication,
mais les expériences qu'il fit autour de 1845 sur le produit d'Aspdin lui
montrèrent l'importance de la calcination du mélange, calcination
pour laquelle il fixa les températures convenables et mélange pour
lequel il fixa les proportions. Johnson prétendait donc être le véritable
inventeur du ciment Portland et, en 1911 (il avait alors 101 ans) il écrivait
que " le ciment d'Aspdin ne ressemblait pas plus à du ciment d'aujourd'hui
que la chaux ne ressemble à du fromage… ". Fours
et broyeurs : les deux moteurs de l'évolution du ciment
Les
progrès des fours sont la clé d'une cuisson adéquate du clinker
et d'un processus réellement économique de fabrication.
Le premier
défaut majeur du four qu'utilisait Aspdin (le bottle kiln ou four rond)
était qu'il devait être alimenté en matériau sec. Son
séchage exigeait des installations et une manutention spéciales,
forcément onéreuses. L'idée vint donc à Johnson, dont
nous avons déjà fait la connaissance, de combiner la cuisson et
le séchage préalable du mélange. Il breveta (1872), un four
à chambre, dit de Johnson, qui récupérait la chaleur du four
pour sécher le mélange humide issu du broyage. Ce four dont l'efficacité
fut croissante à mesure des améliorations qui lui furent apportées
fut utilisé en Grande Bretagne jusqu'en 1903, ce qui fit écrire
à Davis que cette période de l'histoire du ciment fut l'ère
du four à chambre.
Le four à chambre de Johnson allait de pair
avec l'introduction du procédé de broyage semi humide que Goreham
breveta lui aussi en 1872. 
Chambre
de séchage de Johnson, coupe (Redgrave, 1895)
Le
second défaut du four d'Aspdin était que sa température n'excédait
pas celle du four à chaux et que, de plus, la cuisson y étant irrégulière,
des fournées entières de matériau pouvaient être défectueuses
par manque de cuisson. Comme, enfin, son fonctionnement était intermittent,
sa mise en température consommait beaucoup de combustible.
Le
shaft kiln (four droit coulant) fut introduit dans les années 1880. Il
s'agissait d'une modification des fours précédents : on alimentait
le four en matériau et en combustible par le haut. Le clincker cuit s'écoulait
par le bas. Le process dès lors, devenait continu, d'autant plus que ce
four fut adopté sur le continent et qu'on en mécanisa l'alimentation
et l'évacuation.
La grande révolution
dans la continuité du process de production du ciment vint finalement de
la mise en service du four rotatif. Th. Crampton en breveta un dès 1877.
Ce fut un échec. En 1885, l'américain F. Ransome, déposa
un brevet et installa plusieurs fours en Angleterre qui connurent tous des problèmes
de fonctionnement. C'est à ce moment que, en dépit
des progrès enregistrés, Redgrave peut encore écrire (1894)
: " Nous utilisons certainement nos fours d'une
façon qui n'est pas scientifique, mais il est difficile d'indiquer comment
ils peuvent être améliorés. Nous sommes toujours dans une
grande ignorance en ce qui concerne le degré exact de chaleur nécessaire,
la quantité d'air atmosphérique requise, l'effet de la flamme, l'influence
de la vapeur et de nombreux autres sujets qui a défaut d'être soumis
à l'énoncé de lois scientifiques exactes, sont à présent
laissés à la main du conducteur de four… "
Ce
sont encore deux américains, Hurry et Seaman, qui, en 1898 améliorèrent
les fours précédents. Ils installèrent en 1900 les premiers
fours rotatifs opérationnels d'Angleterre pour l'approvisionnement en ciment
des travaux du port de Douvres. La construction du premier four à tube
rotatif allemand a eu lieu à la même époque, en 1896, à
l'initiative de Carl von Forell.
On adjoignit au
four rotatif un refroidisseur qui facilitait le broyage et améliorait la
qualité du clinker. Le développement du four rotatif permit donc,
en consacrant le procès continu de fabrication, un accroissement du volume
de la production, mais il contribua également à la réalisation
d'un produit plus homogène où la finesse du broyage et la liaison
des éléments minéraux exigèrent finalement un retardateur
de prise. C'est pour contrôler l'hydratation de l'aluminate tricalcique
qu'on ajouta alors du gypse à la phase de broyage. Parallèlement
à l'amélioration des fours, on améliora les procédés
de broyage. Si le procédé semi-humide de Goreham fut un progrès,
la mise au point du broyeur à boulets qu'on utilisa d'abord en Allemagne
vers 1880 fut un élément décisif de l'obtention de la finesse
de la mouture et donc de la réactivité du clinker.
Compréhension
de la chimie du ciment
L'année 1887
est un tournant de l'histoire du ciment, c'est l'année où Ransome
tente d'utiliser pour la première fois le four rotatif, c'est également
l'année où Louis le Chatelier publie sa thèse : Recherches
expérimentales sur la constitution des mortiers hydrauliques. Ces travaux
sont aujourd'hui bien connus et sont à la base de la chimie des ciments.
Pour prendre la mesure de leur importance, voici l'hommage que lui consacra R.
H. Bogue, lors de la séance d'ouverture du second colloque de la chimie
des ciments qui s'est tenu à Stockholm en 1938, deux ans après la
mort du savant français :
" Son
travail sur la chimie des ciments est d'une importance fondamentale. Par des études
chimiques et microscopiques il a démontré que le clinker contient
un certain nombre de minéraux parmi lesquels le silicate tricalcique est
le porteur des propriétés hydrauliques. Il a également démontré
que le gypse, les aluminates de calcium et le ciment Portland effectuent leur
prise au travers d'un processus de cristallisation en solutions sursaturées…
Mise en évidence des composants minéraux du clinker et explication
du mécanisme de la prise… " C'est un sujet d'émerveillement,
qu'avec les moyens de mesure de précision très limités utilisés
en 1887, Le Chatelier ait pu réussir à découvrir et à
émettre sur tant de points des postulats, qui aujourd'hui, sont considérés
comme des faits ", écrit encore R. H. Bogue en 1947.
Dix ans
plus tard, en 1897, A. E. Tornebohm, qui ne connaissait pas les travaux du Français,
confirmera la thèse de Le Chatelier sur les constituants du clinker et
nommera les phases minérales du ciments : alite, bélite, célite… Les
recherches sur la chimie du ciment ne s'arrêteront plus et feront l'objet
de confrontations internationales.
On date le premier colloque sur la chimie
des ciments de 1918, parce qu'il a fait l'objet d'actes publiés, mais,
une réunion de l'International Association for Testing Materials s'était
tenue en 1897 à Stockholm. Une autre eut lieu en 1901 à Budapest,
puis une autre encore en 1906 à Bruxelles, réunions au cours desquelles
Le Châtelier, entre autres, fit des communications.
Evolution
de la matrice des ciments Portland historiques
R.
G. Blezard a différencié les étapes du développement
du ciment Portland par l'étude minéralogique des divers assemblages.
En étudiant par microscopie à lumière réfléchie
les assemblages minéraux non hydratés des mortiers, il a proposé
une classification des ciments historiques :
Ciment proto-portland
Ciment meso-portland
Ciment Portland normal
Selon les travaux de R. G. Blezard, le ciment proto-Portland
est essentiellement un mélange calciné de calcaire et d'argile au
sein duquel la liaison CaO-SiO2 est peu marquée, la température
de cuisson ayant été trop faible pour produire un composé
de synthèse.
Le ciment meso-Portland reste un matériau très
hétérogène. La liaison CaO-SiO2 y est avérée
mais les phases sont pauvrement définies et le refroidissement a été
lent. Depuis le ciment meso-Portland d'Aspdin (le fils)
et de Johnson, les recherches d'amélioration et la compétition industrielle
ont principalement porté sur la capacité du produit hydraté
à développer de la résistance. L'augmentation de la température
dans les fours a permis la production de silicates à plus forte teneur
en chaux, ce qui est déterminant pour la résistance du matériau.
Le caractère hétérogène du ciment meso-Portland en
faisait un liant à prise lente qui ne requérait donc pas l'ajout
de gypse. Apparition des spécifications
et de la normalisation
Le développement
de l'usage du ciment Portland surtout depuis la généralisation de
l'usage du béton amena le besoin de spécification du produit et
d'essais de performances sur lesquels s'accorder. Butler introduit ainsi la partie
de son ouvrage destiné aux essais des ciments : " L'objet
de l'essai du ciment est de s'assurer de sa valeur en tant que matériau
de construction et, autant que possible, des caractéristiques qu'on peut
attendre qu'il développe dans mise en oeuvre pratique. " Des
spécifications apparurent donc dans différents pays soit sous l'impulsion
de la puissance publique pour garantir la qualité de l'approvisionnement
(France), soit par la volonté des producteurs eux-mêmes. En Allemagne,
dès 1877, une association des producteurs se constitua et publia aussitôt
des règles de contrôle de qualité. La norme des producteurs
allemands pour la fourniture et les essais uniformes de ciment Portland est citée
in extenso par Butler (1899) et est suivie de la déclaration suivante :
" Les membres de l'Union des producteurs allemands
de ciment Portland s'engagent à mettre sur le marché sous la dénomination
de ciment Portland un matériau exclusivement formé d'un mélange
dont des substances calcaires et argileuses forment les principaux ingrédients,
calciné jusqu'au point de vitrification et réduit en une fine poudre.
"(1888). Tout contrevenant à cette définition était
considéré comme contrefacteur et s'exposait à être
exclu publiquement de l'Union.
En Angleterre, c'est Earle, fameux fabricant
de ciment qui publia en 1898 ses "Standard Methods of Testing Cement"
à des fins de qualité interne. Cette publication fut suivie de retirages
augmentés en 1901 et en 1904 qui préfigurent la British Standard
12 qui parut en décembre 1904. Conclusion
C'est
après la première guerre mondiale que se réalise réellement
l'affirmation de Davis formulé en 1924, selon laquelle " la fabrication
du ciment a été menée comme une affaire empirique, aujourd'hui
elle s'est constituée comme l'une des plus grandes industries chimiques
et est dirigée par le chimiste et l'ingénieur ". Doté
d'un appareil industriel de production, d'un corpus de connaissances scientifiques
et d'éléments consensuels de spécification et d'essais, le
ciment Portland et ses usages allaient maintenant sortir de l'ère des pionniers. Sources Blezard
R. G.
Reflexions
on the history of chemistry of cement
Paper presented at a meeting of the
Construction Materials Group of the Society of Chemical
Industry (SCI) at Belgrave
Square, London (UK) on 21 May 1998.
Blezard R. G.
The history of
calcareous cements
In Lea's Chemistry of cement and concrete, Arnold, 1998
(4e edition) Bogue R. H.
La chimie du ciment Portland
Eyrolles, 1952
(pour la traduction française) Callebaut K., Elsen J., Van Balen
K., Viaene W.
Historical and scientific study of hydraulic mortars from the
19th. Century
In RILEM TC-167COM International Workshop, University of Paisley,
May 1999 Butler D. B.
Portland
Cement : its manufacture, testing and use
London, New-York, Spon and Chamberlain,
1899
http://ia341202.us.archive.org/3/items/portlandcementit00butluoft/portlandcementit00butluoft.pdf Cook,
P. L. Effects of Mergers, 1 The Cement Industry
Routledge Library Editions,
2003 Gooding P., Halstead P. E.
The early history of cement in England
In
Proceedings of the Third International Symposium of the Chemistry of Cement, London,
1952. Cement and Concrete Association, 1954.
Hall C.
On
the history of Portland cement after 150 years
Journal of Chemical Education,
vol. 53, n° 4, 1976
http://www.cmse.ed.ac.uk/MSE3/Cement/Hall76.pdf
Redgrave
, G. R.
Calcareous
cement : their nature and uses, with some observations upon cement testing
London,
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Rengade, E.
Henry
LE CHATELIER et l'Industrie des Ciments
Revue de Métallurgie, janvier
1937
Schott, O.
German methods in Cement Portland manufacture
Association
of American Cement Portland Manufacturers, 1910 Young J. F.
Looking ahead
from the past : The heritage of ciment chemistry
Cement and Concrete Research,
2008, vol., 38, pp. 11-14 Calcareous
hydraulic binders from a historical perspective
Document de l'Université
Catholique de Louvain
Cet article est le résultat de notre coopération avec la revue Ciments Bétons Plâtres et Chaux dans laquelle il est initialement paru. Très riche publication vous y trouverez de nombreuses informations.
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