Le ciment

Beaucoup confondent le ciment et le béton, ils sont pourtant différent et ne sont pas utilisés pour les mêmes choses. C’est pourquoi il faut être précis dans ses demandes lorsque l’on commence des travaux.

Le ciment correspond à un liant hydraulique, cela signifie qu’il est capable de durcir sous l’action de l’eau. Utilisé dans la préparation du béton, il est également utilisé, et de façon très fréquente, dans la fabrication de dallage, de parpaings, d’enduits mais aussi de mortiers.

Les différents ciments sont classé sous la dénomination « CEM » suivi d’un chiffre romain compris entre I et V lui-même suivi d’une lettre en majuscule qui est choisie selon la teneur en clinker mais aussi d’autres composants comme la chaux, les fumées de silice et la pouzzolane.

Aujourd’hui, on n’utilise plus le terme de ciment de Portland, et ce depuis la fin des années 1970, pour utiliser le CPA qui correspond au ciment Portland pur et le CPJ qui correspond au ciment Portland composé qui seront à leur tour désuets suite à la mise en place d’une norme européen.

Pour obtenir du ciment, on utilisait à l’origine une réaction endothermique se déroulant lors de la mise en présence du calcaire avec de l’argile. Lorsque ces deux composants sont mélangés avec de l’eau afin de permettre la prise et l’agglomération des sables et granulats entre eux. Cependant, on ajoute aujourd’hui d’autres composants à ce mélange selon l’utilisation future de celui-ci. Il est alors possible de constituer avec ces mélanges sur mesure des roches artificielles, des bétons ou encore des mortiers.

Le béton

Le béton est un matériau très en vogue dans la décoration, donnant un aspect brut aux murs ou au sol, notamment dans les lofts mis en place dans des anciennes usines.

Le béton correspond à un assemblage de matériaux de nature minérale. En effet, il est constitué de matières inertes, appelées granulats ou agrégats comme le gravier ou le sable et un liant comme le ciment, le bitume ou encore l’argile. Ce liant correspond alors à une matière qui permet d’agglomérer d’autres éléments, permettant ainsi l’ajout d’adjuvants capables d’influer sur les propriétés physiques et chimiques du mélange pour adapter celui-ci à l’utilisation prévue.

Lorsque l’on met se mélange en présence d’eau, celui-ci devient une pâte dont l’homogénéité varie, permettant ainsi de décider si celui-ci sera moulé en atelier afin de constituer une pierre artificielle ou encore coulée sur un chantier.

Lorsque l’on dit que le béton fait prise, on dit de celui-ci qu’il se solidifie.

Quand on parle de béton de ciment, couramment appelé « béton », on parle d’un mélange de ciment, de granulats, d’eau et d’adjuvants.

Il existe différents type de bétons de ciment comme :

  • Le béton armé qui correspond à un matériau composite, composé d’une armature en acier recouverte de béton ;
  • Le béton extrudé qui est régulièrement utilisé en technique routière. Ce type de béton correspond à un béton extrudé qui est donc coulé en place à l’aide de machines à coffrages glissants, que l’on appelle machines à extruder ou extrudeuses. Le béton extrudé permet ainsi la réalisation de murets de sécurité, de bordures ainsi que de dispositifs de retenue sur des linéaires importants. ;
  • Le béton projeté ou gunite qui correspond à un béton propulsé, après malaxage, sur un support sous forme de jet ;
  • Le béton autoplaçant qui correspond à un béton de ciment capable, sous le seul effet de la pesanteur, de se mettre en place dans les coffrages même les plus complexes et très encombrés sans nécessiter pour autant des moyens de vibration qui permettent de consolider le mélange. On obtient ainsi un produit très homogène ;
  • Le béton cellulaire qui correspond à un bloc isolant réalisé en autoclave ;
  • Le béton cyclopéen qui correspond à un béton contenant des gros blocs de pierre, des moellons, des galets, etc. ;
  • Le béton hautes performances qui correspond à un béton présentant une très forte résistance à la compression ;
  • Le béton translucide qui correspond à un matériau de construction en béton capable de transmettre la lumière grâce à la présence d’éléments optiques intégrés ;
  • Le bloc de béton qui correspond à un élément de maçonnerie moulé ;
  • Et le béton désactivé qui correspond au nom donné à un béton où l’on peut trouver sur sa surface des granulats de couleur. On est capable d’obtenir un tel béton grâce à la pulvérisation d’un désactivant sur la surface fraîche d’un béton au moment de son coulage. Suite au séchage de ce béton, il est nécessaire de procéder à un rinçage à haute pression de la surface afin de faire apparaître les granulats.

Rappels sur le pH

Généralité

Il faut être prudent en ce qui concerne son alimentation. En effet, un régime alimentaire trop acide, par exemple une consommation excessive de jus de citron, peut provoquer des dégâts au système digestif tel que des trous dans l’estomac.

Le pH, ou encore potentiel hydrogène, correspond à une mesure de l’activité chimique de ce qu’on appelle les hydrons dans une solution. Mais vous les connaissez plus certainement sous le nom de protons ou encore ions hydrogènes. De façon plus particulière, ces protons, dans une solution aqueuse, se présent sous la forme de l’ion hydronium qui représente le plus simple des ions oxonium.

Le pH est, le plus souvent, utilisé afin de mesurer l’acidité ou encore la basicité du solution. On peut alors la déterminer avec l’échelle suivant dans le cas d’un milieu aqueux à 25°C :

  • une solution de pH égal à 7 est considérée comme étant neutre ;
  • une solution de pH inférieur à 7 est considérée comme étant acide. De ce fait, plus son pH diminue, plus elle est acide ;
  • une solution de pH supérieur à 7 est considérée comme étant basique. De ce fait, plus son pH augmente, plus elle est basique.

Mais la définition que nous connaissons aujourd’hui du pH, définition de Sorensen, n’a été officiellement reconnue qu’à partir du milieu du XXe siècle par l’UICPA.

L’UICPA, l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée est une organisation non gouvernementale ayant son siège à Zurich, en Suisse. Créée en 1919, elle s’intéresse au progrès de la chimie, de la chimie physique et de la biochimie. Ses membres sont les différentes sociétés nationales de chimie et elle est membre du Conseil International pour la Science.
L’UICPA est une autorité reconnue dans le développement des règles à adopter pour la nomenclature, les symboles et autres terminologie des éléments chimiques et leurs dérivé via son Comité Interdivisionnel de la Nomenclature et des Symboles. Ce comité fixe la nomenclature de l’UICPA.

Cette définition est donc celle que nous retrouvons dans les manuels scolaire et s’énonce ainsi :

    \[ pH = - \log \left( a _ { \text { H } } \right) \]

Avec aH, également noté aH+ ou [H+], qui correspond à l’activité des ions hydrogène H+. aH correspond donc à une grandeur sans dimension tout comme le pH.

Néanmoins, cette définition ne nous permet pas d’obtenir des mesures directes du pH ni même des calculs. En effet, le pH dépend uniquement de l’activité des ions hydrogènes. De ce fait, le pH dépend de plusieurs autres facteurs découlant de cette activité. On peut par exemple parler de l’influence du solvant ou encore de la température.

Il reste cependant possible d’obtenir des valeurs approchées du pH en utilisant ce calcul. Pour cela, il est nécessaire de faire appel à des définitions de l’activité.

Cette définition formelle ne permet pas des mesures directes de pH, ni même des calculs. Le fait que le pH dépende de l’activité des ions hydrogène induit que le pH dépend de plusieurs autres facteurs, tels que l’influence du solvant. Toutefois, il est possible d’obtenir des valeurs approchées de pH par le calcul, à l’aide de définitions plus ou moins exactes de l’activité.

La mesure de pH

La mesure du pH peut se faire à l’aide d’outils comme :

  • Le papier pH qui indique la valeur du pH à une unité près ;
  • Ou le pHmètre qui indique, quant à lui, une valeur du pH à 0.1 unité près.

A noter que le pH est plus généralement mesuré grâce au pH-mètre, celui-ci reposant sur l’électrochimie et restant plus précis que le papier pH qui n’est qu’un indicateur. Le pH-mètre est appareil composé d’une électrode combinée spéciale, également appelée électrode de verre, ou encore de deux électrodes séparées. De façon générale, l’électrode de référence utilisée dans les pH-mètre correspond à une électrode au calomel saturée, également notée ECS.

Mais le pH peut également être trouvé par calcul :

En effet, d’après la loi de Nernst,

    \[ pH \left( H \right) = pH \left( S \right) + \frac { \left( E _ { S } - E _ { X } \right) \times F } { R \times T \times \ln \left( 10 \right) } \]

Avec :

  • X représentant la solution dont on cherche à déterminer le pH ;
  • S représentant la solution de référence ;
  • R représentant la constante de gaz parfaits ;
  • T représentant la température ;
  • F représentant la constante de Faraday.

Il peut être intéressant de noter que, à une température de 298 K, on obtient :

    \[ \frac { R \times T \times \ln \left( 10 \right) } { F } = 59,159 \text { V } \]

Exercice sur la basicité d’un béton

Êtes-vous capable de mettre au point un protocole pour la confection de ciment puis de béton ? Dans quelles proportions faut-il ajouter les éléments constitutifs de ces matériaux ?

Sujet

Le ciment est principalement utilisé pour fabriquer le béton qui est un mélange de ciment, sable, granulats et eau. Le béton forme après la «prise» une véritable roche artificielle. La «prise» est le phénomène de durcissement en présence d’eau.

Le ciment est modélisé par la seule espèce [Ca3SiO5](s). La réaction, supposée totale, à l’origine de la «prise» est volontairement simplifiée sous la forme suivante :

    \[ 2 \space \left[ Ca _ {3} Si O _ {5} \right] _ { \left( s \right) } + 6 \space H _ {2} O _ { \left( liq \right) } = \left[ Ca _ {3} Si _ {2} O _ {7} \space , \space 3 H _ {2} O \right] _ { \left( s \right) + 3 \space Ca \left( OH \right) _ {2 \left( s \right) } \]

On mélange m1 = 228 g de ciment et m2 = 90 g d’eau liquide. L’hydroxyde de calcium Ca(OH)2(s) produit confère à l’eau qui se trouve dans les pores du béton (solution interstitielle) un caractère fortement basique.

On étudie la solution aqueuse recueillie à la surface du béton après la prise. Le volume prélevé est égal à V0 = 100,0 mL, il est titré par une solution d’acide chlorhydrique concentré (H3O+ , Cl ) de concentration c = 0,50 mol.L-1 . Le titrage est suivi par conductimétrie (mesure de la conductivité σ) de la solution titrée en fonction du volume v de titrant ajouté. Le résultat expérimental est présenté ci-après.

  • L’hydroxyde de calcium est-il totalement dissout ?
  • Justifier qualitativement (sans calcul) mais de façon détaillée l’allure de la courbe conductimétrique obtenue.
  • Dessiner l’allure de la courbe qui aurait été obtenue à l’occasion d’un suivi pHmétrique, préciser la valeur du pH au point équivalent.

Données

  • Masses molaires : Ca : 40 g.mol-1 ; Si : 28 g.mol-1
  • Produit de solubilité :   Ks(Ca(OH)2)= 5.10-6
  • Conductivités ioniques molaires : 
    IonConductivités ioniques molaires (en mS.m2.mol-1 )
    H+(aq)

    35,0

    Cl-(aq)

    7,6

    HO-(aq)

    19,8

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Joy

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