Notation cimentière

La notation cimentière, parfois appelée notation chimique cimentière ou plus simplement notation CCN (Modèle:En anglais), est un système de notation simplifiée (basée sur l'abréviation des formules chimiques des oxydes) utilisé pour décrire les différentes phases minérales et réactions chimiques rencontrées dans les matériaux cimentaires et céramiques. Les constituants de ces matériaux possèdent des formules chimiques et des mécanismes de réaction souvent très complexes. L'utilisation de la notation CCN en remplacement des formules structurales, traditionnellement employées en chimie minérale et minéralogie, permet de simplifier l'écriture de ces systèmes chimiques^[1].

Symboles utilisés en notation CCN

Le tableau ci-dessous regroupent les principaux symboles employés en notation CCN^[2] :

Principaux symboles en notation cimentière (CCN)
CCN	Formule	Nom
C	$C a O$	Oxyde de calcium ou chaux vive
S	$S i O_{2}$	Dioxyde de silicium ou silice
A	$A l_{2} O_{3}$	Alumine ou corindon
F	$F e_{2} O_{3}$	Oxyde de fer(III) ou hématite
f	$F e O$	Oxyde de fer(II) ou wustite
H	$H_{2} O$	Eau
N	$N a_{2} O$	Oxyde de sodium
K	$K_{2} O$	Oxyde de potassium
P	$P_{2} O_{5}$	Pentoxyde de phosphore
T	$T i O_{2}$	Dioxyde de titane
M	$M g O$	Oxyde de magnésium ou périclase
Modèle:Overline	$C O_{2}$	Dioxyde de carbone
Modèle:Overline	$S O_{3}$	Trioxyde de soufre

La notation CCN comporte certaines différences avec la notation chimique qui peuvent prêter à confusion :

les symboles C et S désignent respectivement les oxydes de calcium et de silicium (donc les éléments Ca et Si, ou plus exactement CaO et Modèle:Fchim) au lieu du carbone et du soufre (Modèle:Overline et Modèle:Overline, dénotant respectivement Modèle:Fchim et Modèle:Fchim, en notation CCN) ;
certains symboles désignent des oxydes comportant plusieurs atomes de l'élément chimique correspondant. Par exemple, A = Modèle:Fchim comporte deux atomes d'aluminium par entité de formule d'oxyde d'aluminium (molécule hypothétique d'alumine, celle-ci étant un solide ionique), tout comme H = Modèle:H2O comprend aussi deux atomes d'hydrogène, mais une seule molécule d'eau. En notation CCN, il convient donc de se référer uniquement à l'entité de formule de la molécule de l'oxyde correspondant).

Présence d'ions dans les composés

Si la notation CCN est très utile pour simplifier l'écriture des composés et réactions étudiés au sein des matériaux cimentaires, elle ne permet toutefois pas de mettre en évidence la présence d'ions. En effet, la plupart des phases minérales contenues dans ces matériaux comportent des ions dans leur structure cristalline, notamment des hydroxydes et sulfates. C'est par exemple le cas de l'ettringite dont la formule structurale est Modèle:Fchim^[3].

En notation CCN, l'ettringite devient CModèle:IndAModèle:Overline Modèle:IndHModèle:Ind, ce qui correspond à la formule semi-développée suivante : Modèle:Nobr. En comparant les deux écritures, on peut remarquer d'une part que le nombre de H en notation CCN ne correspond pas au nombre de molécules d'eau et d'autre part que les ions sulfate sont remplacés par du trioxyde de soufre.

Ces différences entre les deux écritures s'explique par les réactions se produisant entre l'eau et les différents oxydes présents dans les matériaux cimentaires et entraînant la formation des anions hydroxydes et sulfates^[4] :

O^{2 -} + H_{2} O ⟶ 2 O H^{-}

(réaction acide-base de formation des anions hydroxydes) ;

et,

S O_{3} \overset{H_{2} O}{\to} H_{2} S O_{4} \overset{2 O H^{-}}{\to} S O_{4}^{2 -} + 2 H_{2} O

(formation des anions sulfates).

De ce fait, si l'on désire mettre en évidence la présence d'ions au sein de la structure cristalline, il sera préférable d'utiliser la formule structurale plutôt que la notation CCN.

Principaux composés minéraux des matériaux cimentaires

Cette section regroupe des exemples de composés et réactions en notation CCN couramment rencontrés dans le domaine des matériaux cimentaires^[5] :

Phases anhydres

Le tableau ci-dessous présente la plupart des phases minérales anhydres susceptibles de rentrer dans la composition des liants hydrauliques communément utilisés :

Notation CCN	Formule	Nom
Modèle:Grand	$C a_{2} S i O_{4}$	Bélite ou silicate de dicalcium
Modèle:Grand	$C a_{3} S i O_{5}$	Alite ou silicate tricalcique
Modèle:Grand	$C a_{3} A l_{2} O_{6}$	Célite ou Modèle:Lien
Modèle:Grand	$C a_{2} A l F e O_{5}$	Ferrite ou Modèle:Lien
Modèle:Grand	$C a S i O_{3}$	Monosilicate de calcium ou wollastonite
Modèle:Grand	$C a_{3} S i_{2} O_{7}$	Disilicate de tricalcium ou Rankinite
Modèle:Grand	$C a_{2} A l_{2} S i O_{7}$	Gehlénite
Modèle:Grand	$C a A l_{2} O_{4}$	Aluminate de calcium
Modèle:Grand	$C a A l_{4} O_{7}$	Dialuminate de calcium
Modèle:Grand	$C a_{12} A l_{14} O_{33}$	Mayenite
Modèle:Grand	$C a A l_{12} O_{19}$	Hexa-aluminate de calcium
Modèle:Grand	$C a_{4} A l_{6} O_{12} S O_{4}$	Modèle:Lien
Modèle:Grand	$C a S O_{4}$	Anhydrite ou sulfate de calcium anhydre
Modèle:Grand	$C a S O_{4} \cdot \frac{1}{2} H_{2} O$	Sulfate de calcium hémihydraté

Phases hydratées

Le tableau ci-dessous regroupe des exemples de phases minérales produites après hydratation des liants hydrauliques et rencontrées dans les matériaux cimentaires.

Notation CCN	Formule	Nom
Modèle:Grand	$(C a O) x \cdot S i O_{2} \cdot (H_{2} O) y$	Silicate de calcium hydraté ou gel CSH
Modèle:Grand	$C a (O H)_{2}$	Portlandite
Modèle:Grand	$C a S O_{4} \cdot 2 H_{2} O$	Gypse
Modèle:Grand	$C a_{6} A l_{2} (S O_{4})_{3} (O H)_{12} \cdot 26 H_{2} O$	Ettringite
Modèle:Grand	$C a_{9} S i_{6} O_{18} (O H)_{6} \cdot 8 H_{2} O$	Jennite
Modèle:Grand	$C a_{3} (S i O_{4} H)_{2} \cdot 2 H_{2} O$	Afwillite
Modèle:Grand	$A l (O H)_{3}$	Gibbsite
Modèle:Grand	$(C a O)_{4} \cdot A l_{2} O_{3} \cdot S O_{3} \cdot (H_{2} O)_{12}$	Monosulfoaluminate de calcium ou AFm
Modèle:Grand	$(C a O)_{4} \cdot F e_{2} O_{3} \cdot S O_{3} \cdot (H_{2} O)_{12}$	Monosulfoaluminate de calcium ou AFm

Particularité du C-S-H

Le C-S-H n'est pas une phase cristalline mais un gel amorphe dont la composition chimique varie fortement en fonction de la composition initiale du ciment et de la quantité d'eau ajoutée pour l'hydrater. L'usage des tirets séparant les lettres C, S et H indique que la formule stœchiométrique du composé "CSH" est indéterminée ou non connue exactement. On lui attribue comme formule générale Modèle:Fchim où x et y correspondent respectivement au ratio molaire Modèle:Fchim et Modèle:Fchim mesuré^[6].

La plupart des études montrent une valeur moyenne pour x et y proche de 1,5 (soit : Modèle:Fchim)^[7]. Ainsi, il est courant de lui attribuer la formule stylisée / idéalisée Modèle:Fchim (soit : Modèle:Nobr) pour simplifier le bilan des réactions^[8].

Argiles

Les argiles, également utilisées dans les matériaux cimentaires et céramiques, peuvent être représentées à l'aide de la notation CCN^[9] :

Notation CCN	Formule	Nom
Modèle:Grand	$A l_{4} (O H)_{8} S i_{4} O_{10}$	Kaolinite
Modèle:Grand	$M g_{6} (O H)_{8} S i_{4} O_{10}$	Antigorite
Modèle:Grand	$A l_{2} (O H)_{2} S i_{4} O_{10}$	Pyrophyllite

Notation hybride

Dans certains cas, la présence d'anions autres que les oxydes (chlorures, fluorures Modèle:Etc.) entraîne la formation de composés qui ne peuvent pas être décrits en utilisant simplement la notation CCN. Dans ce genre de cas, il est nécessaire d'utiliser une notation hybride dont voici quelques exemples^[7] :

Notation CCN hybride de composés comportant des fluorures
Notation CCN hybride	Décomposition en oxydes	Formule brute
$2 C_{2} S \cdot C a F_{2}$	$4 C a O \cdot 2 S i O_{2} \cdot C a F_{2}$	$C a_{5} S i_{2} O_{8} F_{2}$
$C_{10} S_{4} \cdot C a F_{2}$	$10 C a O \cdot 4 S i O_{2} \cdot C a F_{2}$	$C a_{11} S i_{4} O_{18} F_{2}$
$C_{19} S_{7} \cdot 2 C a F_{2}$	$19 C a O \cdot 7 S i O_{2} \cdot 2 C a F_{2}$	$C a_{21} S i_{7} O_{33} F_{4}$

La notation hybride est la combinaison d'un terme en notation CCN (à gauche) et d'un terme en symbole chimique (à droite) séparés par un point central. Dans le terme de gauche, le calcium est désigné par son symbole CCN C alors que dans le terme de droite on retrouve son symbole chimique $C a$ .

Exemples de réactions chimiques en notation CCN

Cette section présente quelques exemples de réactions chimiques rencontrées dans le domaine des matériaux cimentaires^[5]Modèle:,^[6]Modèle:,^[7] :

Hydratation de la chaux

$C + H ⟶ C H$

Équivalence chimique :

$\underset{Chaux}{\underset{⏟}{CaO}} + \underset{Eau}{\underset{⏟}{H2O}} ⟶ \underset{Portlandite}{\underset{⏟}{Ca(OH)2}}$

Hydratation de l'alite

$2 C_{3} S + 6 H ⟶ C_{3} S_{2} H_{3} + 3 C H$ Équivalence chimique :

$2 \underset{Alite}{\underset{⏟}{Ca3SiO5}} + 6 \underset{Eau}{\underset{⏟}{H2O}} ⟶ \underset{C-S-H}{\underset{⏟}{(3CaO.2SiO2.3H2O)}} + 3 \underset{Portlandite}{\underset{⏟}{Ca(OH)2}}$

Hydratation de la bélite

$2 \underset{Bélite}{\underset{⏟}{C2S}} + 4 \underset{Eau}{\underset{⏟}{H}} ⟶ \underset{CSH}{\underset{⏟}{C3S2H3}} + \underset{Portlandite}{\underset{⏟}{CH}}$ Équivalence chimique :

$2 \underset{Bélite}{\underset{⏟}{Ca2SiO4}} + 4 \underset{Eau}{\underset{⏟}{H2O}} ⟶ \underset{C-S-H}{\underset{⏟}{(3CaO.2SiO2.3H2O)}} + \underset{Portlandite}{\underset{⏟}{Ca(OH)2}}$

Réaction entre le gypse, l'eau et l'aluminate tricalcique

$C_{3} A + 3 C \overline{S} H_{2} + 26 H ⟶ C_{6} A \overline{S} H_{32}$

Équivalence chimique :

$\underset{Aluminate-tricalcique}{\underset{⏟}{Ca3Al2O6}} + 3 (\underset{Gypse}{\underset{⏟}{CaSO4.2H2O}}) + 26 \underset{Eau}{\underset{⏟}{H2O}} ⟶ \underset{Ettringite}{\underset{⏟}{Ca6Al2(SO4)3(OH)12.26H2O}}$

Références

Modèle:Références

Liens externes

Le ciment de A à Z, Ecocem.
Les ingrédients du ciment, Techniques de l'ingénieur.
Modèle:En Glossaire de notation cimentière, sur www.understanding-cement.com.
Modèle:En The science of concrete, sur www.iti.northwestern.edu.

Modèle:Portail

[1] Modèle:Ouvrage

[2] Modèle:Ouvrage

[3] Modèle:Lien web

[4] Modèle:Lien web

[:4-5] 5,0 et ^5,1 Modèle:Ouvrage

[:2-6] 6,0 et ^6,1 Modèle:Ouvrage

[:1-7] 7,0 ^7,1 et ^7,2 Modèle:Ouvrage

[:0-8] Modèle:Lien web

[:3-9] Modèle:Lien web

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

Notation cimentière

Sommaire

Symboles utilisés en notation CCN

Présence d'ions dans les composés

Principaux composés minéraux des matériaux cimentaires

Phases anhydres

Phases hydratées

Particularité du C-S-H

Argiles

Notation hybride

Exemples de réactions chimiques en notation CCN

Hydratation de la chaux

Hydratation de l'alite

Hydratation de la bélite

Réaction entre le gypse, l'eau et l'aluminate tricalcique

Références

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