Chaux (matière)


Chaux (matière)
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Une carrière de chaux à Brønnøy, en Norvège.
Bac contenant de la chaux hydraulique (éteinte) naturelle et de l'eau pour la maçonnerie de pierres de taille dans le bâtiment.

La chaux est une matière généralement poudreuse et de couleur blanche, obtenue par décomposition thermique du calcaire. Elle est utilisée depuis l'Antiquité, notamment dans la construction.

Chimiquement, c'est un oxyde de calcium avec plus ou moins d'oxyde de magnésium mais la désignation usuelle de chaux peut englober différents états chimiques de ce produit. On les distingue notamment dans le langage courant par rapport à leurs utilisations dans la construction :

  • La chaux vive est le produit direct de la thermolyse (ou calcination) du calcaire, principalement de l'oxyde de calcium (CaO).
  • La chaux aérienne, ou chaux éteinte, est obtenue par la réaction de la chaux vive avec de l'eau. Elle est constituée surtout d'hydroxyde de calcium (Ca(OH)2). Elle est dite « aérienne », car elle réagit avec le CO2 de l'air.
  • La chaux hydraulique contient en plus des silicates et des aluminates, car elle provient de calcaires argileux. Elle est appelée « hydraulique » parce qu'elle durcit en présence d'eau.
  • La chaux désigne aussi le matériau « ayant fait prise » après utilisation. Bien que ce ne soit que le liant, on parle d'un mur à la chaux, mais chimiquement la chaux en question est majoritairement redevenue du calcaire (carbonate de calcium CaCO3).
  • Il existe aussi de la chaux dolomitique ou chaux magnésienne à base de dolomie ou de calcaire magnésien.

Sommaire

Histoire

Le principe qui consiste à « brûler », calciner une pierre pour en extraire un composant meuble que l'on pourra reconstituer ensuite a probablement été d'abord découvert avec le gypse qui, en étant chauffé (à 150 °C), donne du plâtre. Ce matériau plus facile à obtenir a été découvert avant la chaux, mais des mélanges plâtre et chaux sont utilisés comme support de peinture murale en Égypte dès 2600 ans avant J.-C.

Des constructions en chaux sont ensuite apparues, jusqu'à être utilisées dans toutes les constructions romaines, des habitations aux aqueducs en passant par les thermes. C'est d'ailleurs la chaux qui a donné son nom au calcaire, qui vient du latin calcarius, « qui contient de la chaux » et calcix, la chaux. Les Romains connaissaient un type de chaux hydraulique en y rajoutant des tuiles ou des briques concassées.

Des nombreuses techniques d'application utilisées à l'époque romaine, ont traversé le Moyen Âge. L'utilisation de la chaux est pourtant restée quasiment incontournable dans le bâti jusqu'à la découverte du ciment au milieu du XIXe siècle. Il a rapidement remplacé la chaux dans toutes les constructions modernes en raison d'une rigidité plus importante et surtout d'un coût moindre : parpaings de ciment, béton...

La chaux connait au début du XXIe siècle un regain d'intérêt. En effet le ciment est incompatible avec la maçonnerie de bâtis anciens en moellons et pierres de taille. Le ciment étant un matériau rigide et imperméable à l'air, il ne convient pas à une maçonnerie traditionnelle qui nécessite de la souplesse et d'être perméable à l'air. La perméabilité à l'air permet à une maçonnerie de s'assécher. L'eau qu'elle absorbe par la pluie ou des remontées capillaires, peut s'évacuer par ses joints à la chaux alors que dans le cas d'un mortier au ciment, le mur ne peut pas s'assécher et conserve l'eau qu'il absorbe ce qui peut entraîner l'apparition de salpêtre, de mousses microscopiques, d'auréoles, de taches, et de coulures. Le ciment doit être employé uniquement dans la mise en œuvre de matériaux eux-mêmes en ciment : parpaing de ciment, carrelage...

Les différents types de chaux

La chaux vive

La chaux vive est la chaux sortie du four à chaux. Le principal constituant de la chaux vive est l'oxyde de calcium, qui a pour formule CaO.

Après apport d'eau, une réaction chimique se produit. Elle devient la chaux éteinte Ca(OH)2 (portlandite) utilisée dans le bâtiment pour la maçonnerie et la réalisation d'enduits : chaux grasse ou chaux aérienne, chaux hydraulique naturelle.

Hydratation

Mise en contact avec de l'eau, il se produit une réaction très exothermique. Cette étape est nécessaire à l'obtention de chaux éteinte, qu'elle soit aérienne ou hydraulique.

Dans le cas de la chaux hydraulique, il est nécessaire d'employer la quantité juste d'eau, afin de ne pas permettre la prise du matériau. Dans le cas de la chaux obtenue à partir de calcaire pur (chaux aérienne), la quantité d'eau n'est pas limitée.

Lorsque la quantité d'eau ajoutée est juste suffisante pour obtenir la réaction d'extinction, c’est-à-dire d'hydratation de la chaux, on obtient une poudre blanche. Si la quantité d'eau est plus importante, on obtient une pâte blanche qui peut se dissoudre à des pH plus importants : la chaux éteinte dont la formule est la suivante Ca(OH)2.

Précautions et utilisation

La chaux vive est un produit potentiellement dangereux, principalement employé dans l'industrie et l'agriculture. Hydrophile, elle est utilisée pour assécher, détruire les matières organiques riches en eau. En cas de mélange de grandes quantités de chaux vive et d'eau, la chaleur dégagée est telle que l'eau peut se mettre à bouillir et projeter de la chaux, qui est corrosive. Il est de ce fait conseillé d'utiliser des lunettes et des gants lors de la manipulation.
Il est recommandé de verser progressivement la poudre dans l'eau et non pas l'inverse.
Il est également recommandé de brasser le mélange eau/chaux vive tout au long de sa préparation, ceci afin de limiter les risques de projection.

La chaux aérienne

C'est de l'hydroxyde de calcium Ca(OH)2. Son nom minéralogique est portlandite

La chaux aérienne (chaux hydratée, chaux éteinte, chaux grasse) est obtenue par hydratation de chaux vive issue d'un calcaire très pur. On la trouve sous différentes appellations : chaux éteinte, CAEB (ancienne normalisation : chaux aérienne éteinte pour le bâtiment). L'appellation conseillé par la norme NF EN 459-1 est CL (Calcic Lime traduit par chaux calcique) suivi d'un chiffre 70, 80 ou 90 indiquant la proportion de carbonate de calcium (CaCO3) et DL ("Dolomitic Lime", traduit par chaux dolomitique). Plus la teneur est élevée, plus la chaux est dite grasse.

La chaux aérienne sert depuis l'Antiquité à réaliser des mortiers pour la construction, des enduits et des badigeons sur les murs. Elle est aussi utilisée pour protéger les arbres fruitiers, ou lutter contre la putréfaction des cadavres en cas d'épidémie.

Cycle

Représentation d'un four à chaux en 1906 (Leçons élémentaires de chimie de l'enseignement secondaire des jeunes filles)

L'emploi de la chaux est attesté dès l'Âge du Bronze (environ 2000 ans avant J.-C.) sur certains sites archéologiques suisses. Des blocs de calcaire calcinés constituent ainsi le noyau interne des murailles de certaines places fortifiées.

Calcination

Par calcination du calcaire aux environs de 900 °C (CaCO3) on obtient de la chaux vive (Oxyde de Calcium : CaO) et un fort dégagement de dioxyde de carbone (CO2):

La réaction s'accompagne d'une perte de poids d'environ 45 %, correspondant à la perte en dioxyde de carbone selon la formulation chimique :

CaCO3 → CaO + CO2
Extinction

La transformation de chaux vive en chaux éteinte s'effectue par ajout d'eau (H2O). Cette opération d'extinction produit l'hydroxyde de calcium Ca(OH)2, avec un fort dégagement de chaleur :

CaO + H2O → Ca(OH)2 + 1155 kJ / kgCaO

Après transformation, l'augmentation du volume est de près de 30%.

L'extinction peut être réalisée de différentes manières :

  • arrosage superficiel des blocs de chaux vive, puis terminaison de la réaction à l'air ;
  • immersion des blocs de chaux vive dans un grand volume d'eau puis terminaison de la réaction à l'air ;
  • mélange eau-chaux dans un malaxeur avec contrôle de la réaction exothermique (dans l'industrie) ;
  • immersion des blocs de chaux vive dans un grand volume d'eau puis terminaison de la réaction dans l'eau.

Dans les trois premiers cas on obtient une chaux en poudre (fleur de chaux, chaux grasse, CAEB, chaux éteinte…). Dans le dernier cas, la chaux éteinte produite prend l'apparence d'une pâte (chaux en pâte) que l'on pourra garder tant que l'on maintient en surface de l'eau limitant les échanges de dioxyde de carbone (donc de carbonatation).

La chaux en poudre correspond bien aux pratiques actuelles du bâtiment (dosage en volume, mélange à la bétonnière…).

La chaux en pâte permet l'obtention de mortiers plus "gras", moins sujets à la dessiccation rapide, des enduits ou des badigeons carbonatant plus vite et donc plus résistants. Par contre, son dosage est plus difficile, le mélange avec le sable plus délicat sauf à utiliser l'outillage adapté (malaxeur planétaire, rabot…). La meilleure carbonatation de la chaux en pâte a probablement comme origine le fait que l'extinction se faisant à l'abri de l'air, aucune carbonatation partielle anticipant la prise ne se produit. Par ailleurs, la finesse de la chaux obtenue, la présence de gels colloïdaux sont autant d'éléments qu'il faudrait étudier.

Carbonatation

La prise de la chaux aérienne s'effectue par carbonatation, c’est-à-dire en absorbant le dioxyde de carbone (CO2) présent dans l'atmosphère : d'où son nom de « chaux aérienne » :

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

Selon l'humidité du milieu, cette réaction se produit sur plusieurs mois : la vapeur d'eau se lie avec le dioxyde de carbone atmosphérique pour former l'acide carbonique ; la chaux fixe le dioxyde de carbone contenu dans cet acide et se transforme en calcaire. Le résultat de cette opération est à nouveau du calcaire (CaCO3).

Le mécanisme de prise par carbonatation s'effectue en présence d'eau, d'où une maîtrise indispensable des conditions de mise en œuvre (humidification des supports, contrôle des conditions climatiques...).

Utilisation

Un exemple d'application de la chaux dans le bâtiment : une maçonnerie traditionnelle avec un enduit à la chaux.

Les usages de la chaux aérienne sont nombreux. En France, son usage se répartit ainsi :

  • Sidérurgie : environ 41 %,
  • Travaux publics, routes : environ 12 %,
  • Agriculture : environ 10 %,
  • Traitement des eaux : environ 10 %,
  • Construction, bâtiment : environ 3 %
  • Absorption du dioxyde de carbone : appareils d'anesthésie et respiratoires de secours.

Au Mexique, la chaux est utilisée dans l'alimentation. Elle est ajoutée au maïs que l'on broie pour réaliser de la farine "nixtamalisée". Cette farine additionnée d'eau donnera la "masa" qui servira à constituer les différentes galettes de maïs ("tortillas", "nachos", "gorditas"...). Du temps des peuples du soleil, la chaux permettait un apport de calcium.

Utilisation dans l'agriculture

Pour l'agriculture, on utilise de la chaux magnésienne ou dolomitique, qui amende les sols acides en apportant du magnésium. On utilise, le plus souvent, de la chaux calcique. Les chaux utilisées par l'agriculture sont toujours sous forme d'oxyde de calcium, ou d'oxyde de calcium combiné à l'oxyde de magnésium. Cet amendement est à utiliser modérément sur les sols argileux. Le rôle de l'ion calcium dans le complexe argilo-humique est déjà tenu par le fer.

En plus d'être un amendement calcique et magnésien, le chaulage permet également la destruction des micro-organismes pathogènes contenus dans les effluents d'élevage qui sont acides par nature. La base OH- associée au calcium qui arrive soudainement dans le milieu provoque une augmentation rapide du pH qui détruit ces organismes.

Le plus souvent, l'agriculture utilise aussi du calcaire non cuit pour amender les terrains. C'est du carbonate de calcium, vulgairement appelé « carbonate de chaux ». Le mode d'action est plus lent que celui de la chaux calcinée. Cela provient du fait que l'acidité du terrain doit dégrader le produit avant que celui-ci ne devienne un oxyde et puisse développer la base associée recherchée. Il ne peut garantir une bonne efficacité agronomique que s'il est suffisamment fin pour se solubiliser correctement. L'avantage à l'utilisation de carbonate de calcium est d'ordre économique, car il coute moins cher à l'utilisateur, et écologique, car il ne détruit pas les organismes utiles du sol. Dans l'absolu, son pouvoir neutralisant est, à quantité égale, très inférieur à celui de la chaux vive.

Utilisation dans l'industrie, dans le traitement des eaux, dans le traitement des fumées

La chaux aérienne est largement utilisée dans l'industrie, le plus souvent sous forme de chaux vive, on utilise sa capacité d'agglomération de certains matériaux on parle de « floculation ».
En sidérurgie, l'ajout de chaux dans le métal en fusion permet l'extraction de certaines impuretés.
Dans le traitement des eaux usées, on stabilise les boues.
Dans les incinérateurs elle est utilisée pour neutraliser les fumées acides chargées en soufre et/ou en chlore.

Utilisation dans les travaux publics

La chaux aérienne est également utilisée dans la réalisation des routes ou des chemins, le plus souvent sous forme de chaux vive. Comme dans l'industrie, on utilise sa propriété de « floculation », il s'agit ici de transformer l'argile (consistance plastique, souple, instable) en matière grumeleuse plus résistante à la compression des sols. A cette action vient s'adjoindre l'effet de consommation d'eau interstitielle. Ce faisant, la teneur en eau des sols trop humides est rabaissée afin d'atteindre le plus souvent l'Optimum Proctor. Cette propriété est également utilisée dans le monde agricole.

Utilisation comme absorbeur de dioxyde de carbone

Les propriétés d'absorption du dioxyde de carbone par la chaux ont été utilisées dans les appareils respiratoires dits "en circuit fermé" pour épurer le gaz expiré du dioxyde de carbone et permettre sa ré-inhalation après un éventuel apport d'oxygène à très faible débit. Ces techniques sont utilisées en médecine (anesthésie en circuit fermé), dans des appareils respiratoires utilisés en milieux de gaz dangereux. Les activités sous-marines (plongée et sous-marins) utilisent également la chaux comme absorbeur de dioxyde de carbone. La chaux hydratée est mélangée à d'autres composés chimiques comme la soude (NaOH) pour former la chaux sodée ou avec d'autres composés qui accélèrent la vitesse de réaction de la chaux. La présentation en grains poreux de quelques millimètres dans des récipients adaptés au passage des gaz augmente la surface d'échanges et permet l'absorption avec de faibles volumes de chaux facilement transportables.

Utilisation dans la décoration d'intérieur

Les propriétés de la chaux :

  • Antiseptique, elle désinfecte, assainit l'atmosphère.
  • Elle laisse respirer les maçonneries donc réduit l'humidité et évite ainsi la condensation de l'eau.

Son rendu décoratif est exceptionnel, notamment un velouté unique à l'intérieur comme à l'extérieur. Une décoration en chaux est "vivante" : le matériau respire et ses moirages varient en fonction de l'hygrométrie ambiante. Enfin elle se patine et vieillit extrêmement bien.

La chaux hydraulique

La chaux hydraulique (chaux maigre) est obtenue à partir de calcaire contenant 10 à 20 % d'argile qui lors de la calcination donne des silicates et aluminates de calcium. Elle fait prise, en quelques heures, au contact de l'eau, d'où son appellation.

L'appellation normalisé NF EN 459-1 est NHL (Natural Hydraulic Lime). L'ancienne dénomination était XHN.

Carbonatation de la chaux hydraulique

Le calcaire naturel est le plus souvent mélangés à des marnes et des argiles riches en éléments chimiques principalement la silice et aussi le fer, l'aluminium. Aux températures de cuisson (800 °C et 1 500 °C), le calcium se combine avec ces éléments pour former des silicates, des aluminates et des ferro-aluminates de calcium. Plus la température est élevée et le taux de silice important, moins elle contient de chaux libre plus elle est hydraulique.

CaCO3 + SiO2 → 2CaO + SiO2

CaCO3 + Al2O3 + Fe2O3 → 3CaOAl2O3 + 4CaOAl2O3Fe2O3

Au contact de l'eau, lors de l'extinction de la chaux vive, et surtout pendant la mise en œuvre des mortiers, ces molécules forment des hydrates insolubles. 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 %. La prise hydraulique est essentiellement due à la réaction entre le CaO et les silicates.

Les chaux hydrauliques font une première prise de type hydraulique au moment de la mise en œuvre (on dit qu'elle "tire") puis une prise secondaire de type aérien c'est là que la chaux et les hydrates vont se carbonater au contact de l'air humide pour redonner le carbonate de calcium et la silice d'origine. La vitesse de carbonatation secondaire dans l'épaisseur est à peu près d'1 cm par an.caco3 + chaleur > Cao +co2

Conditionnement et stockage

La chaux est aujourd'hui conditionnée en sac de 15 kg, 25 kg. Le stockage doit être fait dans un endroit sec.

Hydraulicité de la chaux

Le rapport des différents composants associés à l'argile et la part de Ca(OH)2 définit l'indice d'hydraulicité donné par un chiffre indiquant la résistance à la compression (après avoir fait prise) en MPa ou en kg/cm². Plus la chaux est hydraulique moins elle est perméable à l'air et à l'eau.

Type de chaux
Type de chaux pourcentage de chaux libre pourcentage d'argile indice d'hydraulicité Temps de prise en jours Résistance à la compression à 28 jours (kg/cm²)
CL 50 ‑ 75 ~0 0 ‑ 0,1 > 30
NHL 2 50 5 ‑ 8 0,1 ‑ 0,16 10 ‑ 25 20 ‑ 70
NHL 3,5 8 ‑ 14 0,16 ‑ 0,3 10 ‑ 15 35 ‑ 100
NHL 5 15 14 ‑ 20 0,3 ‑ 0,4 2 ‑ 4 50 ‑ 150
chaux éminemment hydraulique, clinker 20 ‑ 30 0,4 ‑ 0,5 <2 >150

La NHL 2 est utilisée lorsqu'on veut des mortiers très souples par exemple pour les enduits sur murs fragiles, en terre ou pierres tendres. Les NHL 3,5 et 5 sont surtout utilisées pour monter des murs, les enduits extérieurs, exécuter des chapes, poser du carrelage. Elles sont déconseillées sur supports fragiles car elle pourrait provoquer un arrachement du support. Elles peuvent également présenter une réaction non désirée avec le plâtre.

Autres types de chaux

La norme définit également la chaux NHL-Z contenant jusqu'à 20 % d'éléments pouzzolaniques ajouté après cuisson. C'est une chaux hautement hydraulique lui permettant de faire prise même dans l'eau. Elle est hydrofuge et n'est pas à conseiller en construction pour les murs car les rendant imperméables.

Chaux hydrauliques artificielles HL. Ce n'est pas une chaux à proprement parler puisqu'elle ne contient pas de Ca(OH)2 à l'état libre. C'est une sorte d'intermédiaire entre la chaux hydraulique et le ciment portland. Elle est très riche en silicates de calcium hydrauliques.

Chaux magnésiennes (CaOMgO). Elle contient du magnésium à raison de 5 % < MgO < 34 % ou chaux dolomitiques encore plus riche 34 % < MgO < 41,6 % par calcination de calcaire magnésien ou de dolomie. Après hydratation elles contiennent MgO ou Mg(OH)2. Appellation normalisée DL suivit d'un chiffre.

Voir aussi

Articles connexes

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