PREMIER MÉMOIRE

Les beaux travaux de Vicat sur les ciments hydrauliques ont mis hors de doute ce fait fondamental, c’est que l’hydraulicité d’un ciment est due au composé qui se forme lorsqu’un calcaire est calciné en présence de l’argile.

Quels sont les corps qui prennent naissance dans la réaction de la chaux sut l’argile, et auxquels on doit attribuer l’hydraulicité des ciments? Il faut reconnaître que celte question théorique n’est pas encore complètement résolue, et que cette incertitude est peut-être une des causes des difficultés que présentent, dans certains cas, la fabrication et l’emploi des ciments hydrauliques.

On comprend, en effet, que pour apprécier les causes qui influent sur ld

GENERALITES.

solidité ou la décomposition des ciments hydrauliques, il faut connaître avant tout leur véritable constitution.

C’est ce point important que j’ai voulu principalement traiter dans ce travail.

Yicat a admis que, dans la calcination d’un calcaire argileux, il se forme un silicate double d’alumine et de chaux qui, en s’hydratant, devient la cause de la prise des ciments hydrauliques. La formation d’un silicate faisant gelée avec les acides, que l’on trouve dans le ciment calciné et qui n’existait pas dans le calcaire avant la calcination, semble confirmer cette théorie de Yicat.

MM. Rivot et Chatonay,’ dans un travail important sur les ciments, dont je ne saurais faire ici trop d’éloges, ont admis que la calcination d’un calcaire argileux donne naissance à de l’aluminate de chaux qui a pour formule Al ! 0 5 ,3Ca0, et à du silicate de chaux qui doit être représenté par la formule Si0 2 ,3Ca0; ces deux sels, mis en contact avec l’eau, produisent les deux hydrates :

Al 2 0 3 ,3Ca0,6H0,

Si0 2 ,3Ca0,6H0,

qui deviennent la cause de la prise des ciments.

Dans ces deux théories, l’hydraulicité des ciments serait donc due à un simple phénomène d’hydratation qui rappelle la prise du plâtre.

Il résulte de mes recherches que la prise dans l’eau des ciments hydrauliques est due à deux actions chimiques différentes : 1° à l’hydratation des aluminates de chaux; 2° à une action pouzzolanique dans laquelle l’hydrate de chaux se combine avec les silicates. Les aluminates et les silicates calcaires qui se trouvent dans les ciments jouent donc, selon moi, au moment de la prise, deux rôles différents : les uns s’hydratent, les autres se combinent à l’hydrate de chaux.

Cette théorie de l’hydraulicité des ciments est basée sur des expériences dans lesquelles j’ai étudié les propriétés et l’action mutuelle des quatre corps qui, d’après les habiles ingénieurs que j’ai cités, constituent les ciments hydrauliques.

Ces quatre corps sont :

1° Le silicate de chaux ;

2° Le silicate d’alumine et de chaux ;

3° L’aluminate de chaux j

4° La chaux caustique.

11 est résulté de ce programme d’expériences plusieurs séries d’essais, dont je vais faire connaître les principaux résultats.

Silicates de chaux. — J’ai produit synthétiquement les silicates de chaux par toutes les méthodes que la voie humide et la voie sèche m’ont permis d’employer.

Dans ce but, j’ai eu recours à la double décomposition d’un silicate soluble par un sel de chaux, à la réaction de la silice hydratée sur la chaux, à la calcination, aux températures les plus diverses, des mélanges variables de silice et de chaux.

J’ai obtenu ainsi des silicates de chaux agrégés, frittés et fondus,

Tous ces sels, réduits en poudre impalpable et mélangés ensuite avec de l’eau, ont produit des pâtes qui se sont desséchées lentement, mais qui n’ont jamais présenté le phénomène de la prise.

Je me croîs donc autorisé à dire que, si dans la calcination d’nn calcaire argileux il se forme du silicate de chaux, ce n’est pas par l’hydratation de ce sel qu’on peut expliquer la prise du ciment.

Silicates doubles d'alumine et de chaux. — Dans celte série d’essais qui représente, comme la précédente, un nombre considérable d’expériences, j’ai combiné la silice par voie sèche, dans toutes proportions, non seulement avec l'alumine et la chaux, mais j’ai ajouté encore aux silicates alumino-calcaires des alcalis, de la magnésie et de l’oxyde de fer.

Ces silicates multiples se sont comportés dans leur contact avec l’eau comme les silicates de chaux ; ils n’ont jamais produit de prise comparable à celle qui caractérise les ciments hydrauliques.

L’hydratation du silicate double d'alumine et de chaux, qui peut prendre naissance dans la calcination du calcaire argileux, n’est donc pas la cause de la solidification dans l’eau des ciments hydrauliques.

Aluminates de chaux. — J’ai étudié avec les plus grands soins les propriétés des aluminates de chaux, dont l’importance, dans la prise des ciments, a été signalée, avec beaucoup de raison et pour la première fois, par MM. Rivot et Chatonay.

J'ai produit les aluminates de chaux en calcinant à differentes températures des mélanges, en proportions variables, d’alumine et de chaux.

Pour éviter toutes les causes d’erreur provenant des matières étrangères, l’alumine qui a été employée dans mes essais était pure et provenait de la calcination de l’alun ammoniacal; la chaux était également pure et a été produite par la calcination du spath d’Islande. Lorsque la chaux a été retirée du spath d’Islande, par la calcination au fourneau à vent, elle ne fond pas, mais elle se transforme en une masse cristalline dont la cassure rappelle celle du marbre.

Comme ces essais exigeaient souvent la température la plus élevée que peut donner un fourneau à vent et que les creusets ordinaires ne peuvent pas résister dans ces conditions à l’influence de la chaux, j’ai employé avec le plus grand avantage, dans la préparation des aluminates de chaux, les creusets de charbon métallique. Us n’ont que l’inconvénient de laisser passer les vapeurs sulfureuses du combustible, qui produisent à la surface des aluminates des traces de sulfure de calcium cristallisé. On évite dans cette calcination l’influence du soufre, en employant un double creuset en charbon et en plaçant de la chaux en poudre entre les deux parois du creuset.

Dans cette étude des aluminates de chaux j’ai d'abord constaté un fait fort curieux, c est que l’alumine est un excellent fondant de la chaux, qui même agit sur cette base avec plus d’efficacité que la silice. Opérant des mélanges à proportions diverses de chaux et d’alumine, j’ai pu obtenir des aluminates de chaux parfaitement fondus en chauffant au fourneau à vent des mélanges de

80 de chaux,

20 d’alumine,

90 de chaux, 10 d’alumine.

Le mélange de

93 de chaux,

7 d’alumine,

s’est même lritté et est entré presque en fusion.

Ces aluminates calcaires qui contiennent une quantité de chaux si considérable sont cristallisés : leur cassure est saccharoïde ; leur réaction est fortement alcaline ; ils se combinent à l’eau avec dégagement de chaleur : on peut presque les comparer à de la chaux fondue.

Quoique la considération suivante sorte du sujet que je veux traiter ici, il m’est impossible de ne pas appeler l’attention des métallurgistes sur la fusibilité et l’alcalinité de ces aluminates contenant un grand excès de chaux.

De pareils composés absorbent et retiennent avec énergie le soufre et le phosphore : leur présence dans les laitiers des hauts-fourneaux pourrait donc, dans certains cas, éliminer des fontes le soufre et le phosphore que l’on redoute avec tant de raison dans la préparation des fontes destinées à l’affinage et à l’aciération.

Ces aluminates de chaux très basiques, qui foisonnent dans l’eau comme de la chaux vive, ne peuvent jouer aucun rôle dans la prise des ciments hydrauliques. Mais il n’en est pas de même des aluminates de chaux qui sont représentés par les formules :

Al 2 0 3 ,Ca0,Al 2 0 3 ,2Ca0,Al 2 0 3 ,3Ca0,

et qui sont moins basiques que les précédents.

Lorsqu’on réduit ces aluminates en poudre fine et qu’on les gâche avec une petite quantité d’eau, ils se solidifient presque instantanément et produisent des hydrates qui acquièrent dans l’eau une dureté considérable.

Les aluminates de chaux qui font prise avec l’eau ont en outre la propriété d’agglomérer des substances inertes comme le quartz.

J'ai mélangé l'aluminate de chaux Al 2 0 3 ,2Ca0 avec 50, 60, 80 pour 100 de sable, et j’ai obtenu des poudres qui, dans l’eau, acquéraient la dureté et la solidité des meilleures pierres.

On comprend l’intérêt que peuvent présenter au point de vue de la pratique ces mélanges d’aluminate de chaux et de substances siliceuses, lorsqu’il s’agit de produire des blocs résistant à l’influence des agents atmosphériques et à celle de l’eau de la mer : la solution des questions qui se rapportent aux constructions résistant à la mer est probablement dans l’emploi de ces bétons qui sont formés presque entièrement de substances siliceuses reliées entre elles par une faible proportion d aluminate de chaux. On devra, dans ce cas, tenir compte des excellentes indications de M. F. Coignet sur les conditions d’agglomération des ciments, dont j’ai constaté moi-même toute l’importance.

Mes études sur les aluminates m’ont permis d’expliquer une des particularités les plus intéressantes de la fabrication des ciments de Portland.

On sait que ces ciments, aujourd’hui si estimés, ne présentent de qualité que lorsqu ils sont produits à une température très élevée. Or j’ai reconnu précisément que les aluminates de chaux, qui peuvent en raison de leur composition se solidifier dans l’eau, n’acquièrent cette propriété à un haut degré que lorsqu’ils sont exposés à une chaleur intense.

J’ai constaté ce fait curieux en chauffant à des températures variables le même mélange d’alumine et de chaux : celui qui avait été fortement calciné au fourneau à vent et qui était entré en fusion se trouvait beaucoup plus hydraulique que celui qui n’avait pas été chauffé à une température aussi élevée.

Ainsi, dans la fabrication des ciments Portland, la calcination a pour but de faire réagir à une haute température la chaux sur l’alumine et de déterminer la fusion de l’aluminate calcaire, qui prend alors son maximum d’hydraulicité.

Il résulte donc des différentes expériences que je viens d’analyser que l’aluminate de chaux est le principal agent hydraulique des ciments qui sont à prise rapide.

Ce composé calcaire est-il le seul agent d’hydraulicité des ciments? C’est cette question importante qu’il me reste à examiner.

Action de la chaux grasse sur les corps divers. — Si dans la calcination d’un calcaire argileux il se produit de l’aluminate de chaux dont les propriétés hydrauliques ne peuvent plus être mises en doute, il se forme aussi, à n’en pas douter, pendant cette calcination, un silicate calcaire et un silicate d’alumine et de chaux qui, comme on le sait, font gelée avec les acides, mais qui ne s’hydratent pas dans l’eau. Faut-il admettre que le silicate de chaux et que le silicate double d’alumine et de chaux, qui existent dans tous les ciments hydrauliques, ne jouent aucun rôle dans la prise des ciments au contact de l’eau? Je ne le crois pas : cette opinion me paraît confirmée par les expériences suivantes.

J’ai déjà dit que ces silicates n’exercent pas d’action directe sur l’eau et ne peuvent pas être sous ce rapport comparés aux aluminates calcaires.

Mais un ciment après sa calcination contient de la chaux libre ; l’aluminate de chaux, en se décomposant dans l’eau, peut aussi en produire; j’ai pensé que cette base pourrait peut-être exercer une action sur les corps qui ne s’hydratent pas immédiatement et leur faire jouer le rôle de pouzzolane.

C’est cette hypothèse qui m’a fait entreprendre les expériences suivantes sur les propriétés et la composition des pouzzolanes.

J’avais d’abord à examiner si, dans les ciments et les mortiers, la chaux grasse agit autrement qu’en absorbant l’acide carbonique de l’air ou en formant un hydrate qui se solidifie en se desséchant.

On sait que dans ces derniers temps l’action chimique de l’hydrate de chaux sur les pouzzolanes a été vivement contestée.

Mes expériences ne laissent à cet égard aucun doute et prouvent qu’il existe réellement un certain nombre de corps qui peuvent contracter à froid une combinaison avec la chaux hydratée et produire des masses qui acquièrent dans l’eau une grande solidité.

Pour déterminer la nature des corps qui jouissent de cette propriété remarquable, j'ai choisi presque tous les composés naturels ou artificiels qui, par leur nature, pouvaient contracter une combinaison avec la chaux; je les ai mélangés avec des quantités variables de chaux anhydre ou hydratée.

Les corps qui ont été principalement expérimentés sont : la silice, l’argile desséchée et cuite à diverses températures, les terres cuites, les silicates naturels ou artificiels, les principales roches, les phosphates et les carbonates insolubles, les corps remarquables par leur porosité, tels que le charbon animal, plusieurs pro-

tluits d’usine. En un mot, j’ai pris tous les composés qui, en raison de leur composition chimique ou de leurs propriétés physiques, par affinité chimique ou par affinité capillaire, pouvaient se combiner ij\ la chaux ou s’unir mécaniquement avec elle.

J’ai voulu également déterminer l’état de la chaux qui convient le mieux à l’action pouzzolanique.

Mes expériences ont démontré d’abord que le composé qui se forme en hydratant la chaux avec précaution, et qui est représenté par la formule CaO,HO, est celui qui, sous l’influence de l’eau, se combine aux pouzzolanes avec le plus de facilité.

J’ai constaté en outre que les véritables pouzzolanes, c’est-à-dire celles qui contractent à froid avec l’hydrate de chaux une combinaison durcissant dans l’eau, sont beaucoup plus rares qu’on ne le pense.

Les substances réellement actives, les véritables pouzzolanes, sont les silicates de chaux simples ou multiples qui ne contiennent que 50 ou 40 pour 100 de silice, et qui sont assez basiques pour faire gelée avec les acides.

Comme les bons ciments hydrauliques contiennent précisément des silicates simples ou multiples excessivement basiques et faisant gelée avec les acides, j’ai donc été conduit à admettre que le rôle de ces corps dans la prise des ciments était d agir comme pouzzolanes et de se combiner, sous l’influence de l’eau, à la chaux libre qui existe dans les ciments.

Après avoir étudié les propriétés et la composition des différents éléments qui se trouvent dans les ciments, je résumerai la théorie de leur hydraulicité dans les propositions suivantes :

Je n’admets pas, comme on le croit encore généralement, que la prise des ciments hydrauliques soit due à l’hydratation du silicate de chaux ou à celle du silicate double d alumine et de chaux : ces sels ne contractent pas de combinaison avec l’eau.

Pour moi, la prise d’un ciment hydraulique est le résultat, de deux actions chimiques différentes : 1° de l’hydratation des aluminates de chaux; 2» de la réaction de 1 hydrate de chaux sur le silicate de chaux et sur le silicate d’alumine et de chaux qui existent dans tous les ciments et agissent dans ce cas comme pouzzolanes.

La calcination d’un calcaire argileux ne donne lieu à un bon ciment hydraulique que quand les proportions d’argile et de chaux sont telles, qu’il puisse se former en premier lieu un aluminate de chaux représenté par une des formules suivantes :

Al 2 O,Ca0 — Al 3 0\2Ca0 — Al 3 0 3 ,3Ca0 ;

en second lieu, un silicate de chaux simple ou multiple très basique, faisant gelée avec les acides, se rapprochant des formules suivantes :

Si0 3 ,2Ca0 — Si0 3 ,3Ca0,

et en troisième lieu de la chaux libre pouvant agir sur les silicates pouzzolaniques précédents.

Dans un grand nombre de cas la composition chimique du calcaire argileux n’est pas la seule condition qui détermine la qualité du ciment; il faut encore que la réaction de la chaux sur l’argile s’opère aux températures les plus élevées. C’est en effet cette excessive chaleur qui produit les éléments hydrauliques du ciment, dans les conditions de basicité qu’exige la prise dans l’eau et qui, en faisant fondre l’aluminate de chaux, lui donne toute son activité.

Telles sont les conditions théoriques relatives à l’hydraulicité des ciments qui résultent des expériences consignées dans ce premier travail.