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Caractéristiques chimiques, minéralogiques et physiques

La composition chimique du ciment naturel Prompt s’inscrit dans la vaste famille des ciments naturels appelés aussi ciment romain.

Caractéristiques physiques :

Lors de l’hydratation du ciment naturel Prompt, les aluminates formés à basse température sont responsables de la prise rapide (de l’ordre de 2 à 3 minutes) et de la première phase de montée en résistance durant les premières heures. L’hydratation de la bélite procurera la seconde phase de résistance qui s’exprimera sur de nombreux mois comme indiquée dans la figure (Figure 1 cinétique de durcissement sur 10 ans).

 Figure 1 : cinétique de durcissement sur 10 ans


Le ciment naturel Prompt présente la particularité de pouvoir être utilisé dans une très large plage de dosage de 10 à 50% en poids du mortier sec, voire même 100% dans le cas des coulis et slurry.
La figure (Figure 2 : cinétique de durcissement en fonction du dosage et du rapport eau/ciment) donne une idée des résistances atteignables dans le cas d’une conservation dans l’eau.

Figure 2 : Cinétique de durcissement en fonction du dosage et du rapport eau/ciment


Deux domaines sont remarquables :
- la zone à haute résistance initiale définie par un Eau/Ciment <0,50. Ces hautes performances concernent les applications de scellement, de maçonnerie rapide et d’imperméabilisation. Les résistances élevées impliquent une faible porosité. Cette zone, par ses performances aptes à répondre à des efforts structuraux, se rapproche des ciments Portland artificiels.

- la zone à basse résistance ayant un Eau/Ciment >0,50 possède des performances mécaniques et des dosages du même ordre de grandeur que ceux des mortiers de chaux hydraulique naturelle. Les caractéristiques d’absorption d’eau et de porosité sont aussi plus proches de celles que l’on peut retrouver avec les mortiers de ciment romain du XIXe siècle.


Caractéristiques chimiques :
La composition chimique du ciment naturel Prompt s’inscrit dans la vaste famille des ciments naturels appelés aussi ciment romain.

La couche géologique exploitée dans les carrières souterraines présente une composition chimique
(Tableau 1) très constante avec un titre en carbonate (teneur en carbonate de calcium et de magnésium exprimé en CaCO3) de 72 pour 78 avec les clinkers Portland.
Elle est donc proche d’un cru de clinker Portland classique et des chaux hydrauliques naturelles. De ce fait, par rapport à l’ensemble des ciments romains ayant existé, il est en limite basse en teneur en argile et relativement riche en CaO :

PF 975 °C SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 K2O Na2O
9.28% 18.09% 7.24% 3.2% 53.07% 3.84% 3.24% 1.16% 0.28%

Tableau 1 : Caractéristiques minéralogiques :
L’originalité du ciment naturel Prompt ne provient pas d’une composition chimique particulière mais plutôt d’une cuisson à température basse et à large spectre thermique de 600 à 1 200°C (sous le point de fusion) très légèrement supérieure à celle des chaux hydrauliques et d’un mélange intime et naturel de calcaire et d’argile. Ce mélange à l’échelle du micron est nécessaire pour la formation des minéraux lors de la cuisson car la diffusion des éléments atomiques est faible à l’état solide.

Il en résulte la formation d’une vaste gamme de minéraux très différents de ceux des ciments Portland artificiels modernes mais identiques à ceux présents dans les chaux hydrauliques naturelles mais en proportion différente (Tableau 2) :
- une partie de la pierre n’a pas subi une température suffisante pour se transformer, elle est simplement déshydratée, c’est la grume appelée incuite.
- une autre partie de la pierre s’est transformée pour donner des phases amorphes ou mal cristallisées dont toute une famille d’aluminates (C4AF, C3A, C12A7, C4A3S et C2AS) responsables de la prise et du durcissement rapide au cours des premières heures d’hydratation ainsi que des silicates sous forme de bélite (C2S) donnant une montée en résistance sur plusieurs mois. Un peu d’alite (C3S) est présent en faible quantité car ce minéral commence à se former vers 1 200°C. Il s’agit de la grume appelée cuite.
- il y a une fusion (clinkérisation) très partielle dans des zones très locales formant une faible quantité d’alite. Le fait que la composition chimique de la pierre servant de matière première soit proche de celle d’un cru de clinker Portland permet la formation de ce silicate de calcium bien connu. Très hydraulique, il apporte un complément de résistance à partir de quelques semaines. C’est la grume appelée surcuite.

Ce dernier point est très important car les fusions locales de matières sont inévitables avec le process de cuisson en four droit. Les minéraux formés dans cette phase liquide ne doivent pas altérer le ciment naturel lors de leur hydratation. Par exemple, une matière première plus riche en argile formera dans cette phase liquide plus de minéraux alumineux dont l’hydratation est plus mal connue pouvant entraîner des problèmes sérieux de durabilité.

C’est le mélange de ces pierres cuites à différentes températures qui donne les caractéristiques du traditionnel ciment naturel.

C3S C2S C3A C4AF C12A7 C4A3S périclase Chaux libre calcite sulfates Autres dont phases amorphes
5-15% 40-60% 6 ± 2% 9 ± 2% 3 ± 1% 3 ± 1% 4 ± 1% 2 ± 2% 10 - 15% 3 ± 1% 10 -15%

Tableau 2 : Composition chimique et minéralogique type du CNP