Sciences

La chaux

Dossier - Cristallographie : chimie de la calcite
DossierClassé sous :chimie , géologie , calcaire

-

La calcite, le calcaire... sont partout : roches, matériau de construction, marbre, chaux nécessaire en agriculture, le bâtiment, l'industrie. Ils sont utilisés depuis la préhistoire par tous les peuples. Ils sont aussi nécessaires aux êtres vivants.

  
DossiersCristallographie : chimie de la calcite
 

L'oxyde (chaux vive) est obtenu par calcination du calcaire dans des fours verticaux, les plus employés en France (jusqu'à 30 m de haut, 7 m de diamètre) entre 900 et 1250°C : une température basse donne une chaux plus réactive ; capacité de production jusqu'à 800 t/jour, ou des fours rotatifs, vers 1100 à 1300°C, capacité de production : 1 000 t/j.

Le calcaire enfourné (la pierre à chaux) a une granulométrie comprise entre 5-10 et 250 mm. Les "fines" qui risqueraient de boucher les fours sont vendues comme calcaire. Il faut, en moyenne 3,5 t de calcaire extrait pour produire une tonne de chaux. Le coût du combustible représente 40 % du prix de revient de la chaux produite. Cette calcination est une source importante de CO2

CaCO3 ———> CaO + CO2

Installations modernes de Sorcy, Meuse

Les fours sont toujours situés près des carrières d'extraction du calcaire. Une partie importante de la production est effectuée directement par les industries utilisatrices telles que les sucreries, les papeteries quelques usines sidérurgiques. Ces productions intégrées ne sont pas prises en compte par les statistiques de la profession.

L'hydroxyde (chaux éteinte) est obtenu par addition d'eau à la chaux vive dans des hydrateurs de 8 à 20 t/h. La quantité d'eau ajoutée est ajustée de façon à obtenir la chaux éteinte sous forme d'une poudre sèche. Par tonne de CaO, il faut 0,3 m3 d'eau pour l'hydratation et par ailleurs, de 0,3 à 0,4 m3 est évacué en vapeur. La température atteinte est de 110°C.

CaO + H2O ———> Ca(OH)2 ΔH° = - 65,5 kJ/mole

Différents types de chaux :

1 - Les chaux aériennes (0,5kg/l):

-- L'eau de chaux (surnageant après brassage de la chaux vive et de l'eau et décantation) sert à faire des badigeons, des mélanges pour fresques et permet de tremper les pierres retaillées. En effet la pierre de calcaire qui sort de sa carrière évapore son eau en formant du calcin en surface, si on retaille cette pierre le calcin disparaît et la pierre devient fragile aux intempéries, on la trempe donc quelques temps dans l'eau de chaux avant de la remettre en place. L'oubli ou la méconnaissance de ceci causa de nombreux déboires lors de restaurations de monuments anciens.(voir page sur le calcaire)

-- La fleur de chaux (première couche dense dans le bac de décantation) contient les particules très fines de la chaux. Ce terme est spécifique de l'extinction de la chaux en fosse. La fleur de chaux est utilisée pour la finition des fresques et pour certains enduits intérieurs auxquels on veut donner un peu de brillance.

-- Chaux grasses (> 90 % de CaO) : obtenues à partir de calcaire pur (> 95 % de CaCO3), donnent de l'onctuosité aux mortiers lorsqu'elles sont utilisées en construction. C'est la troisième couche du bassin de décantation et on devrait la stocker 6 mois avant usage.

-- Chaux maigres : obtenues à partir de calcaire moins pur, c'est la couche qui se trouve au fond du bassin et qui concentre les impuretés.

Utilisées en construction, toutes ces chaux appelées chaux aériennes, font prise par recarbonatation avec le CO2 de l'air selon le schéma suivant :

Cycle de la chaux

2 - Chaux hydrauliques naturelles (0,8 kg/l):

Obtenues à partir de calcaire contenant de 15 à 20 % d'argile qui lors de la calcination donne des silicates et aluminates de calcium faisant prise par hydratation, selon les mêmes réactions que la prise d'un ciment. Les chaux hydrauliques naturelles (NHL) du négoce bâtiment (Boehm, Chaux blanche Calcia, Chaux blanche Lafarge, Rabot, St-Astier, Socli, Wasselonne...) sont généralement hydrauliques ou éminemment hydrauliques.

Dans le négoce ces chaux NHL sont suivies d'un indice 2 ou 3,5 ou encore 5. C'est l'indice de résistance, par exemple 3,5 correspond à 3,5 MPa /cm2 après 28 jours, si on augmente la quantité de chaux, on obtient quelque chose de plus dur. Les chaux NHL-Z sont des chaux auxquelles ont été ajoutés des éléments pouzzolanes à savoir des cendres volcaniques jusqu'à 20%. Ces éléments donnent de l'hydraulicité à la chaux, c'est-à-dire qu'il lui permette de mieux prendre en milieu humide ou même dans l'eau. Les Romains avaient inventé la chaux hydraulique en ajoutant des tuiles concassées ou des briques concassées qui remplacent la pouzzolane. Ces chaux sont hydrofuges et sont à éviter dans le bâti ancien, elles rendent les murs imperméables et bloquent de ce fait la ventilation nécessaire à l'aération d'un vieux mur.

La chaux hydraulique prend plus vite que la chaux aérienne mais elle ne carbonate pas plus vite ! La carbonatation s'effectue naturellement à raison de 1 cm d'épaisseur par an !

Les calcaires purs sont rares. Ils sont le plus souvent mélangés à des marnes et des argiles riches en éléments chimiques comme le fer, l'aluminium et surtout la silice. Entre 800 et 1 500 ° C, le calcium du calcaire se combine avec ces éléments et forme des silicates de calcium, mais aussi des aluminates et des ferro-aluminates de calcium.
Par contact avec l'eau, ces corps vont former des hydrates insolubles qui confèrent au liant un caractère hydraulique. Les proportions d'alumine et de fer sont très faibles (dans les liants blancs, les teneurs en fer sont inférieures à 0,1 ou 0,2%). Le phénomène de prise hydraulique est donc essentiellement dû à la réaction entre le CaO et les silicates.

Par la suite, au contact de l'air humide, la chaux et les hydrates ainsi formés vont se carbonater (avec le gaz carbonique de l'air) pour redonner le carbonate de calcium et la silice d'origine. Cette réaction prend plusieurs mois : c'est la partie aérienne de la prise.

3 - Dernière catégorie mentionnée ici :

-- Chaux magnésiennes : (5 % dolomie. Elles contiennent MgO ou Mg(OH)2 après hydratation.

Four à chaux Laville à Montluçon

Un peu d'histoire, à propos de la chaux

« En faisant de la chaux leur matériau de construction princeps, les Romains ont inventé l'architecture moderne. Or, très curieusement, de nos jours la chaux, dans l'esprit du public, n'est associée qu'à une architecture ancienne, certes, mais à caractère rural et approximatif; on fait plus volontiers de la chaux un matériau réservé aux enduits rustiques ou à usage de liant archaïque équivalent à l'argile, somme toute un élément du pittoresque vernaculaire en oubliant que le Panthéon de Rome ou les cathédrales gothiques ne doivent qu'à la chaux la possibilité de leurs exploits. Et c'est bien là, du reste, la démonstration de l'universalité de ce matériau hors du commun, que l'époque moderne a élaboré et transformé en ciments de compositions diverses, capable de répondre aux besoins multiples de l'architecture, depuis sa fonction de "colle" et de répartiteur de pressions entre les pierres jusqu'au liant constituant les bétons et les enduits d'étanchéité, sans oublier les enduits peints et les stucs. » Ce sont les mots de M. Jean-Pierre Adam C.N.R.S. Institut de Recherche sur l'Architecture Antique et on ferait bien de s'en souvenir au siècle de l'écologie !

Voici un extrait d'un contrat d'association pour l'exploitation d'un four à chaux de 1575. Source: Archives Départementales de l'Hérault, série II E 35/33, minutes de Maître François Martial, folio 146 verso. Acte daté du 3 Mai 1575.

« Lan mil cinq cens septante cinq et le troysiesme jour du moys de may, régnant Henry, estans en leurs personnes Vidal Macary, masson de Ganges, diocèse de Montpellier, et Jehan Teyssounières, de la ville de Sumène, diocèse de Nismes, lesquelz de leur bon gré, se sont associés à fair chaulx à bastir dans ung four dudict Macary citué aux faulx bours de la présent ville de Ganges, avec les pactes et condictiones que sensuivent: premièrement ledict Vidal Macary sera tenu bailler son dit four et l'acoutrer ce qu'il fault et y est nécessaire, et rabiller le dit four à ces despans, et le dit Teissounières, aussi à ces despans, sera teneu venir conduire le rabillage du dit four; ledict Teyssonnieyres sera tenu fournir et faire porter le charbon que faudra au dit four pour cuire la dite chaux ou pierres, à la présent ville de Ganges..... »

On voit bien là l'importance de ce matériau et le soin que l'on apportait à son exploitation, précieuse pour la vie de toute la communauté de l'époque.

Schéma de fonctionnement du four à chaux

Comment fabriquait-on cette chaux, pratiquement ? Dans un four de quelques mètres de haut on alternait les couches de calcaire et de charbon, il fallait donc les deux à proximité sous peine de voir les coûts s'envoler. Il fallait aussi maintenir le four en chauffe tout le temps en ajoutant de la chaux et du combustible en suffisance, et par le haut d'où souvent la présence de rampes, encore utilisables, qui permettaient aux chevaux et aux charrettes d'atteindre la gueule du fourneau. Ce n'est que beaucoup plus récemment que le tapis roulant remplace ce manège incessant...Certains de ces fours sont de magnifiques constructions et pourraient faire partie de notre patrimoine industriel.

Four à chaux de Foussais-Payré en Vendée

Les utilisations

Produit entièrement naturel, connu depuis fort longtemps, les chaux connaissent aujourd'hui un regain d'intérêt dans le bâtiment mais ont toujours connu un grand nombre d'utilisations. La sidérurgie, le traitement des eaux, l'agriculture, ou encore le bâtiment utilisent la chaux aérienne. La chaux hydraulique naturelle, depuis son origine, est principalement employée dans le bâtiment et dans le traitement des sols en place.

1 - La chaux dans la construction

La chaux hydraulique naturelle est utilisée depuis des millénaires dans le bâtiment. Ses propriétés uniques en font un liant très indiqué à tous les stades de la construction : elle intervient dans des mortiers à la préparation de la fondation d'un édifice, au montage de maçonnerie, à la pose du carrelage, au ragréage des murs et à la fixation des couvertures.

En raison de son hydraulicité, elle effectue une prise plus rapide que la chaux aérienne et ses résistances mécaniques lui sont supérieures. En application manuelle ou mécanique, elle est également très facile à travailler, ce qui la met à la portée d'un plus grand nombre d'utilisateurs. Sa capacité d'adaptation à tous les matériaux naturels en fait un produit parfaitement conçu, hier comme aujourd'hui, pour bâtir durablement ...

2 - Pour faire un mur….

a - Surtout jamais de fer avec de la chaux !!!
b - L'humidité doit pouvoir sortir du mur vers l'extérieur donc les couches seront plus perméables à l'extérieur du mur qu'à l'intérieur.
c - Extérieur : 3 couches
-- le gobetis avec du sable à grains ronds (moins sensible à l'arrachement que les grains anguleux issus du concassage) de rivière - diamètre des grains 0,4 ou 0,5 - pour une bonne accroche sur la pierre, proportions 2 parts d'agrégats pour 1 de chaux. Couche de 5mm d'épaisseur, puis boucher les joints pour pouvoir effectuer une charge qui aura partout la même épaisseur
-- le corps d'enduit ou charge avec 2,5/1. Epaisseur de 1,5 à 2 cm mais jamais moins de 1 cm sur la tête des pierres pour des questions de résistance mécanique.
-- la finition 3/1avec du sable à grains plus fins. Talocher avec une taloche en bois qui laisse rouler les grains pour serrer la couche. Le plastique a tendance à arracher les grains. Puis coup d'éponge ou de balai.

d - Intérieur : 3 couches

--l'accroche 2/1 avec une granulométrie beaucoup plus petite pour avoir une pâte 0,6 par ex.
--la charge avec la même granulométrie mais 1,5 ou 1/1
--le lissage toujours fin mais ½

Il y a donc de plus en plus de chaux de l'extérieur vers l'intérieur…

e - Ne travailler la chaux qu'entre 5 et 30 degrés…

3 - La chaux dans la décoration

Les maçons et les décorateurs utilisent aujourd'hui, de plus en plus fréquemment la chaux pour la décoration extérieure comme intérieure du bâti ancien et moderne. La couleur blanche constante de la chaux hydraulique naturelle met en valeur les sables locaux et les terres naturelles pour la mise en œuvre d'enduits de façade colorés et de crépis. Elle isole et protège les habitations et s'adapte davantage que les liants artificiels aux mouvements des murs des constructions.

Bâtiments blanchis à la chaux, Myconos

Le Tadelakt est un enduit à la chaux brillant et imperméable qui peut être aussi bien utilisé en intérieur qu'en extérieur. C'est l'enduit traditionnel des hammams et salles de bains des ryads et des palais du Maroc. Il a la particularité d'être "ferré" avec un galet de rivière et d'être traité au savon noir : son étanchéité permet d'en faire des baignoires et des lavabos En arabe Tadelakt veut dire caresser, masser. L'enduit est patiemment "caressé" avec un galet de pierre dure puis ensuite "massé" avec du savon noir. Sa rusticité de fabrication, sa minéralité impure, ajouté au processus d'application : ferrage au galet et pénétration du savon noir pendant la carbonatation de surface pendant plusieurs jours, concourent à donner au Tadelakt sa beauté, son toucher et son imperméabilité

Il y a aussi toutes sortes d'enduits de façades dont ceux des célèbres façades à l'italienne.

Enduits de façades à l'italienne

4 - La chaux dans le traitement des sols

La chaux hydraulique naturelle est aujourd'hui largement employée par les professionnels des travaux publics et des chantiers routiers. La mise en oeuvre par épandage modifie les caractéristiques physiques et chimiques des sols en place. Elle facilite le travail des engins par temps pluvieux ou dans les zones à humidité excessive en baissant la teneur en eau des sols et en floculant les argiles. Elle permet donc d'améliorer la portance des sols en place, de faciliter leur travail, la pose ultérieure d'un mélange bitumeux. Son action bénéfique perdure dans le temps. La chaux hydraulique naturelle ralentit le vieillissement des revêtements. Elle est donc fortement recommandée dans le traitement des sols en place. Certains liants " base chaux ", peuvent également intervenir dans le traitement en raison de leur forte hydraulicité qui leur confère une résistance mécanique supérieure. ...

5 - La chaux en agriculture.

Ces produits sont mieux connus sous le nom de "Chaux Agricole". Les produits de chaux agricole sont utilisés pour augmenter le pH des sols, ce qui contribue à augmenter le rendement des cultures dans plusieurs conditions de sols. On utilise la chaux agricole pour améliorer la structure physique du sol en réduisant la formation de croûte en surface, en augmentant la rétention d'eau et en réduisant l'érosion du sol. Le chaulage aide les cultures à tolérer la sécheresse ou l'humidité en augmentant la pénétration des racines et la percolation de l'eau à travers le sol.

L'utilisation de la chaux agricole pour ajuster le pH des sols peut réduire les niveaux de toxicité du manganèse, du fer et de l'aluminium. Le manganèse et le fer sont toxiques pour les plantes dans un sol à faible pH. La solubilité de l'aluminium augmente avec la diminution du pH du sol. Des niveaux élevés d'aluminium peuvent restreindre le développement des racines et des plantes. En plus des usages précédents, il a été démontré que la chaux agricole augmente l'assimilabilité des nutriments par les plantes et, naturellement, ajoute du calcium au sol.

Pelouse

Le chaulage est nécessaire pour une pelouse aussi pour :

-- neutraliser l'acidité du sol.
-- ajouter du magnésium nécessaire au verdoiement.
-- améliorer l'assimilation des engrais,le phosphore contribuant au développement des racines.
-- favoriser un enracinement profond.
-- accroître la résistance à la sécheresse et aux maladies.
-- améliorer la densité de la pelouse.
-- obtenir plus de verdoiement suite à une meilleure croissance.
-- stimuler le développement des micro-organismes bénéfiques.
-- favoriser la décomposition du feutre.
-- permettre le décompactage du sol suite au développement profond du système racinaire
-- Le sol acide affaiblit la croissance de la pelouse permettant aux mauvaises herbes de pousser
-- Un sol de pH 6,5 à 7,0 est adéquat pour la pelouse.
-- Ne jamais chauler sans analyse de pH du sol.
-- Ne pas se fier à une ancienne analyse de pH pour chauler.
- - La mousse ou des champignons ne constitue pas forcément un indice d'acidité du sol.

6 - La chaux et le sucre

Il reste deux usines sucrières sur l'île de La Réunion, l'usine de Bois Rouge et l'usine du Gol, l'agriculture réunionnaise repose essentiellement sur la canne à sucre, celle-ci couvre environ 25 600 ha, soit 50 % des terres cultivables. La production annuelle s'élève à environ 200 000 tonnes.

Canne à sucre

La canne à sucre est récoltée, par les coupeurs de canne, souvent à la main à l'aide du sabre, elle est livrée, par les tracteurs qui remplacent les " charret'buf" sur les centres de réception de l'île, où elle est chargée par des semi-remorques appelés " cachalots " pour être acheminée vers la sucrerie. Arrivée à l'usine, la canne est défibrée par le shredder. La canne est broyée dans des moulins à rouleaux qui permettent de recueillir le jus (ou vesou) . La fibre restante appelée bagasse, contient encore 55% d'eau et 1% de sucre, est envoyée à la centrale thermique pour produire de l'énergieAprès avoir été tamisé, le jus est mélangé à du lait de chaux et chauffé à 105° C, ce qui a pour effet de coaguler les matières en suspension indésirables et de les faire se déposer. Les boues sont filtrées et séchées et servent d'engrais.

Le jus clair est concentré : on obtient le sirop. La cristallisation a pour but de produire les cristaux de sucre. La liqueur restante, qui contient encore du sucre, sera re-cristallisée jusqu'à ce que le sucre contenu ne soit plus récupérable. La liqueur finale, appelée mélasse, sera distillée pour la fabrication du rhum. Le sucre encore humide est séché et refroidi.

La filière canne-sucre représente la première source de revenus à l'exportation après le tourisme. Elle est aussi la première industrie agro-alimentaire de l'île. Elle participe au revenu de plus de 15 000 familles.

Ancienne sucrerie de la Réunion

Aujourd'hui un hectare produit en moyenne 8 tonnes de sucres. Grâce aux centrales thermiques bagasse-charbon, 45% des besoins en électricité sont couverts par la canne.