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Utilisation du calcaire

Dossier - Cristallographie : chimie de la calcite
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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
 

On utilise le calcaire depuis toujours pour la construction, de même que le marbre qui est du calcaire métamorphisé. 

Le Taj Mahal en Inde. © rmac8op CCOpo, Pixabay, DP

Sachant que l'utilisation de ce dernier est universelle, nous ne citerons que deux exemples célèbres : le Taj Mahal et l'Opéra Garnier.

La société Ildei a participé, sous la direction d'Alain-Charles Perrot, architecte en chef des monuments historiques, à la rénovation de l'opéra Garnier en 2000. Restauration des marbres, colonnes, pilastres, médaillons et bandeaux sans parler des dallages. Le nettoyage des parements des marbres a été effectué par un décapage par application au pinceau de solvant en gel, afin de dissoudre les différentes couches d'encaustique jaunies par le temps, puis ponçage manuel à l'eau par passes successives de grains de plus en plus fins, et enfin finition polie à la potée d'étain.

Opéra Garnier.

Architectes et bâtisseurs optimisent coût et qualités des matériaux

Les architectes et bâtisseurs ont donc toujours dû trouver le meilleur compromis entre les ressources locales, la qualité géotechnique recherchée et, bien entendu, le coût de la matière première, celui-ci incluant les frais de transport dans le cas de lieux d'approvisionnement éloignés des chantiers.

Carrière de pierre à bâtir de Herblay, 95.

Dans la région Centre, les paysages urbains portent encore nettement l'empreinte des matériaux de construction tirés du sous-sol, et chaque secteur, marqué par une identité géologique, présente aussi une identité architecturale. Au Nord, la Beauce avec ses solides et austères maisons de moellons calcaires contraste avec le Perche où les arcatures de briques apportent aux murs enduits une note élégante. Au Centre, le sous-sol argileux de la Sologne est inscrit dans les maisons de briques qui donnent aux villages de ce pays un charme indéniable alors que dans le Sud, les calcaires de la Champagne berrichonne ont fourni les matériaux d'imposantes bâtisses. À l'Ouest enfin, les abords du Vendômois ou de la Touraine, pays de tuffeau, se signalent au visiteur par le style si particulier et l'incomparable couleur des demeures traditionnelles, aussi modestes soient-elles.

Tuffeau, détail au ME. 

Le tuffeau est une roche sédimentaire marine qui affleure dans la zone sud-ouest du bassin parisien, le Val de Loire... Il est constitué de restes d'organismes et de fragments de roches apportés jusqu'à la mer par les cours d'eau sous forme d'alluvions. Âgé de 90 millions d'années, les sédiments déposés ont subi un tassement qui, par pression, a permis leur recristallisation et leur cimentation. Le tuffeau est le résultat de cette transformation du sédiment en roche par cimentation de particules fossiles entre elles. Aujourd'hui, le tuffeau exploité (dit tuffeau blanc) se présente en bancs réguliers et homogènes sur une épaisseur pouvant aller jusqu'à 40 mètres ! mais reste une roche qui s'altère avec le temps...

Décollement en plaques d'un tuffeau.

Au Crétacé inférieur, sur une épaisseur pouvant atteindre cinquante mètres s'est formé ce tuffeau. Au fil des siècles, travaillé par l'homme ou désagrégé sous l'action de l'eau, un monde souterrain s'est développé dans le sol saumurois : des champignonnières, des caves, des ateliers et de véritables hameaux avec manoirs et des chapelles. C'est près de Turquant, entre Montsoreau et Saumur que vous découvrirez les constructions troglodytiques les plus remarquables. Une promenade à pied depuis l'église de Turquant, vers l'ouest, offre un bel aperçu de la diversité et de l'ingéniosité de l'utilisation de ce cadeau de la nature. Ces troglodytes de coteaux, creusés à même la falaise sont constitués pour l'essentiel de caves et abris utilitaires. L'habitat principal est généralement situé à l'extérieur « décollé » ou appuyé à la roche.

Falun viendrait de l'association de deux mots anciens qui voudraient dire « limon fauve ». Les faluns sont des roches (calcaires) essentiellement constituées de fossiles et qui se trouvent dans la même région.

Affleurement de faluns.

Cette abondance de coquilles n'avait pas échappé à Bernard Palissy qui avait compris que la mer y était venue avant lui et s'était retirée depuis. Les faluns se sont formés à partir de sédiments (coquilles, voir photos ci-dessous) déposés dans un golfe à l'ère tertiaire, plus précisément au miocène, il y a environ 15 Ma.

La Pierre de jauge,  appelée ainsi dans le bassin du Quiou, Saint-Juvat - Tréfumel (Côtes-d'Armor), est constituée des éléments les plus durs des faluns (falun induré). Cette pierre est utilisée comme matériau de gros œuvre pour la construction, donnant naissance à de nombreux bâtiments.

Quelques fossiles des Faluns, à gauche, Anadara turonica (Channay-sur-Lathan-17). À droite, Trivia (Paulmy 17).

Bryozoaires (St Laurent-de-Lin, 17).

Un deuxième type de troglodytes, moins connus, mérite attention. Située en retrait du lit de la Loire (sud de Saumur), issue d'amoncellement de coquillages et débris marins formé au tertiaire, la roche (falun) a, jusqu'au début du XXe siècle, véritablement servi d'habitat principal aux paysans. Moins « visiblement touristiques », à la fois insolites et souvent impressionnants, ces sites troglodytiques de plaines, appelés également « caves demeurantes » se rencontrent près de Doué-la-Fontaine. Le zoo de Doué-La-Fontaine est installé dans d'anciennes carrières de faluns. Le château de Brézé en est un autre exemple digne de visite ! On trouve de ces dépôts dans toute la Touraine.

Extension de la mer des Faluns dans l'ouest de la France (Miocène, 14 à 9 Ma).

L'habitat troglodyte était assez fréquent et on en trouve partout, en France : Picardie, vallée de la Seine, Touraine donc, Anjou, Auvergne, Charentes, Dordogne, Lot, Corrèze, Périgord, vallée du Rhône, Provence et dans le monde : Afrique (Éthiopie), Asie (Chine et Inde en particulier), Amérique du Nord (Arizona et Colorado, par exemple) et bien sûr dans d'autres pays d'Europe...

Pour la pierre, surtout si elle est fragile, le passage de la carrière à sa position sur le bâtiment l'amène dans une situation tout à fait nouvelle pour elle avec :

  • les décompressions lors de l'extraction et du passage à la surface ;
  • les compressions axiales (murs et piliers) ;
  • les charges agissant en flexion (linteaux) ;
  • les charges agissant en cisaillement (corbeaux) ;
  • les contraintes de rotation (saillies) ;
  • les effets de traction, beaucoup plus rarement ;
  • les chocs de voisinage, souvent dus au public ;
  • l'action des variations de température et du gel ;
  • l'action des variations des teneurs en eau du matériau ;
  • l'action de la lumière (soleillune, lumière artificielle) ;
  • le contact de l'atmosphère et des produits qu'elle contient ;
  • le passage à une situation d'interface biologique.

Les résultats (plus ou moins catastrophiques !) sont les suivants :

  • fissuration ou rupture lors de contraintes excessives ;
  • éclatement par dilatation lors du gel ;
  • éclatement par dilatation  « chimique » provoquée par exemple par l'oxydation du fer ;
  • action physico-chimique : gonflement de certains phyllosilicates ;
  • éclatement par précipitation ;
  • cristallisation ou hydratation de sels ;
  • création de zones de pénétration des éléments fluides et divers produits provenant de l'extérieur ;
  • variation de la capillarité ;
  • développement de la photosynthèse autorisant la croissance biologique.

Mais on utilise aussi beaucoup le calcaire broyé…

Estimations pour le monde occidental : 3.000 millions de tonnes dont 750 pour les États-Unis. C'est la deuxième industrie extractive, en tonnages, après celle du sable et des graviers. La production de calcaire en France vous est donnée par la carte ci-dessous.

Carte de France de production de calcaire avec les tonnages annuels.

  • Routes, génie civil et bâtiments : un mètre cube de mortier contient 100 kg de chaux, du ciment, des granulats et de l'eau. Le ciment contient 80 % de calcaire et 20 % d'argile : il est obtenu en chauffant le mélange à 1.450 degrés, c'est le ciment Portland. La France consomme environ sept tonnes de granulats par an et par personne sachant qu'un logement moyen nécessite 100 à 300 tonnes de granulats.
  • Métallurgie et verre : pour faire une tonne d'acier il faut 150 kg de calcaire et 50 kg de chaux et pour faire une tonne de verre, à part les 700 kg de sable (silice), il faut 300 kg de calcaire et 130 kg de soude qui, elle, nécessite 1.300 kg de calcaire à la tonne !
  • Il y a encore du calcaire dans le papier (300 kg/tonne), dans le PVC (les dalles de sols contiennent jusqu'à 80 % de calcaire), les mastics, les peintures, les colles, les dentifrices ! etc.
  • Il faut encore du calcaire pour rendre l'eau potable (200 g de chaux par mètre cube pour la précipitation des métaux lourds et la floculation des boues), pour l'alimentation animale et humaine (il faut 20 kg de calcaire pour faire 100 kg de sucre)...
  • Et puis, il y a encore la chimie qui utilise du calcaire pour faire de la soude, dans la pétrochimie, dans les tanneries, dans les ateliers de céramique, pour les glaçures par exemple.
  • Enfin, l'agriculture utilise la chaux pour amender les sols. (voir page sur la chaux).

Craies de couleur : un petit clin d'œil à l'écolier que nous avons tous été et bien que les craies ne soient plus de la vraie craie, mais enfin tout change, n'est-ce pas !

L'industrie des perles et de la nacre

Une industrie du calcaire d'un tout autre genre mérite un paragraphe ici : il s'agit de l'industrie des perles et de la nacre. En quelques années le Troca, Trochus niloticus est devenu un coquillage très commun sur les récifs polynésiens. Les raisons qui ont poussé le Territoire à introduire une nouvelle espèce de coquillage sont surtout d'ordre économique. De plus, sa chair est comestible. Enfin, les stocks naturels s'épuisent dans les pays producteurs (Australie, Philippines, Papouasie-Nouvelle-Guinée, Nouvelle Calédonie et Fidji). Son extension dans la zone polynésienne est récente et artificielle. En outre, l'épaisseur et la qualité de sa nacre dense font du Troca un matériau d'excellente qualité pour la bijouterie, l'artisanat et les fabriques de boutons.

En 1971, soit 11 ans après son introduction, on en dénombrait dans les eaux polynésiennes plus de 10 millions issus des 40 survivants introduits en 1957 sur le récif de Tautira. On peut dire que cette introduction est une réussite et ne semble pas perturber l'équilibre écologique récifal, le déclin observé de certaines espèces locales de nacre perlière, n'ayant aucun rapport avec l'introduction du Troca. La rapidité d'adaptation et d'expansion de ce mollusque « étranger » dans les eaux polynésiennes mérite une attention toute particulière en raison des retombées sociales et économiques.

C'est au cours de la vie fixée du mollusque, que sont produites les perles naturelles, fruit d'une réaction de défense de l'animal face à l'intrusion d'un corps étranger. Ce grain de sable intrus, le manteau va l'isoler en sécrétant autour de lui une couche de nacre et en donnant naissance soit à une demi-perle soit à une perle fine. Dans le premier cas, l'intrus adhère à la coquille. Dans le second cas, le parasite ou le grain de sable est totalement incorporé dans le manteau et recouvert entièrement de couches perlières, puis isolé dans la cavité palléale : on obtient alors une perle. Pour la structure et le dépôt de nacre, voir le chapitre le calcaire et la vie.

Trochus niloticus.

Outre les perles, la nacre est l'objet de l'industrie des boutons, qui nécessite de nombreuses opérations méticuleuses. On peut se souvenir au passage que les 2.000 prisonniers de l'Abbaye de Fontevrault faisaient, entre autres, des boutons en nacre...

Nacre dans un coquillage.

La nacre est aussi utilisée dans la marqueterie et les incrustations. Ces métiers deviennent rares et concernent des produits très haut de gamme. Il y a, en France, un Musée de la nacre qui retrace toute l'histoire de cette industrie.

Incrusteur de nacre.

La sculpture est aussi une utilisation importante du calcaire

Pour terminer ce paragraphe, n'oublions pas de mentionner la sculpture, soit en calcaire plus ou moins grossier, soit en marbre, mais dans tous les cas du Paléolithique à nos jours. Parmi l'art mobilier de la préhistoire, une attention spéciale doit être portée aux petites statues surnommées Vénus. Ce ne sont pas les seules représentations féminines qui existent dans l'art préhistorique et elles ne sont pas toutes en calcaire. Ces statuettes ont été récoltées dans plusieurs régions de la vaste aire européenne où s'épanouissent les civilisations du Paléolithique supérieur ; France, Italie, vallées du Rhin et du Danube, Russie du Sud et Sibérie.

Baptisées de noms imagés : vénus impudique, dame à la capuche, polichinelle, vénus hermaphrodite..., plusieurs présentent des caractères analogues. Les formes pour le moins plantureuses de certaines ont permis d'en faire le support d'un culte de la fécondité... Et pourtant, pendant plus de 30.000 ans, les artistes préhistoriques européens ont représenté des « images » de femmes plutôt que des allégories masculines évidentes. Des sexes et des vulves stylisés, des corps sinueux et arrondis là où il le faut, des silhouettes graciles ou plantureuses ont été peints et gravés sur les parois des grottes et sculptés dans les matériaux les plus nobles dont le calcaire.

Vénus de Willendorf, calcaire, Autriche.

Michel-Ange, un génie à l'époque de la seconde Renaissance

Un deuxième exemple avec, à la Renaissance, après la mort de Laurent en 1492, Pierre II de Médicis qui refuse d'être le mécène de Michel-Ange. C'est à cette époque que les idées de Savonarole deviennent populaires à Florence. Sous ces deux pressions, Michel-Ange décide de quitter Florence et s'installe durant trois ans à Bologne. Peu après, le cardinal Saint Georges s'offre ses services et lui demande de venir à Rome en 1496.

Influencé par l'antiquité romaine, il exécute le Bacchus et la Pietà. Quatre ans plus tard, Michel-Ange retourne à Florence pour y créer son œuvre la plus célèbre, le David de marbre. Son marbre provient de Carrare, mines dans lesquelles il a travaillé trois ans pour y chercher les meilleurs filons de marbre, plus comme architecte que comme sculpteur d'ailleurs ! Mais il venait souvent choisir lui-même les blocs qu'il voulait pour ses sculptures. C'est d'ailleurs un des rares à sculpter lui-même ses œuvres, le plus souvent le sculpteur fait un modèle en céramique et le marbrier fait la sculpture... et même s'il fait tout le travail difficile et délicat, on ne cite jamais son nom ! Toutes les copies des œuvres de Michel-Ange que l'on voit sur les places d'Italie sont réalisées par de simples ouvriers des environs de Carrare, ouvriers qui ont une totale maîtrise de leur matériau, une longue et précieuse expérience, et, ma foi, bien peu de reconnaissance, il faut le dire et profiter de leur rendre hommage ici.

Évidemment ici aussi, la liste serait longue si elle voulait être exhaustive, ce n'est pas le but, il n'en est pas moins vrai que le calcaire, mais surtout le marbre est un matériau de choix et jamais démodé en sculpture.

Pieta de Michel Ange.

La lithographie utilise un calcaire particulier

Il faut encore citer la lithographie qui utilise un calcaire particulier. Dans le sud de l'Allemagne et dans le Jura franco-suisse, installées à l'aplomb d'anciennes barrières coralliennes, des lagunes communiquent difficilement avec la mer par des passes. Grâce au jeu des marées, aux tempêtes..., elles sont alimentées en eaux chargées de boues calcaires. Très rapidement, ces boues se déposent au fond, constituant ainsi ce qui deviendra les bancs de calcaire lithographique.

Également piégés dans ces lagunes, de nombreux animaux marins ne survivent qu'un certain temps. En effet, les eaux peu profondes et très calmes sont trop chaudes et insuffisamment oxygénées. Grâce à la finesse de la boue calcaire et à la protection d'un voile algaire, les cadavres des animaux ainsi que ceux des végétaux provenant des îles voisines connaissent des conditions de fossilisation exceptionnelles. Sous l'effet de la chaleur tropicale, les lagunes s'assèchent périodiquement. Pendant les courtes durées d'assèchement, de grands animaux terrestres (tortues géantes, dinosaures sauteurs...) qui vivent sur les îles proches, s'aventurent dans la lagune. Il y a donc beaucoup de fossiles dans ce calcaire, en particulier Archéoptéryx... « l'ancêtre », si l'on peut dire pour simplifier, des oiseaux.

Le calcaire lithographique est un calcaire pur, extrêmement fin, constitué de microcristaux de calcite de dimension de l'ordre du millième de millimètre. Il a une apparence homogène et une cassure très lisse comparable à celle du silex. L'homogénéité et la finesse de cette roche sont les qualités essentielles pour la lithographie, un procédé de reproduction qui eut beaucoup de succès au XIXe siècle. Cette pierre a aussi été utilisée pour la construction de bâtiments. Sur le terrain, ce calcaire se présente en bancs d'une dizaine de centimètres d'épaisseur en moyenne (quelques millimètres pour les bancs les plus minces à 30 centimètres pour les plus épais).