Fabrication durableQu'est-ce qui fait que les pyramides tiennent debout?
Dans la vie de tous les jours, les mots ciment et béton sont souvent employés comme synonymes, mais en réalité il s'agit de produits différents. Le ciment est une poudre grise ultrafine qui lie le sable et les pierres pour former une masse de béton. Autrement dit, le ciment est l'ingrédient clé du béton.
Le béton est le matériau par excellence des allées, des patios, des sous-sol et d'une foule d'autres éléments de notre environnement quotidien. C'est aussi le matériau de construction le plus largement utilisé au monde. La production mondiale de béton se situe autour des 3,8 milliards de m3 par année et la production annuelle de ciment s'élève à quelque 1,25 milliard de tonnes.
L'attrait universel du béton n'est pas le fruit du hasard : ce matériau omniprésent semblable à la pierre est produit, comme le ciment, à partir de ressources qui sont parmi les plus abondantes au monde.
Débuts et évolution du ciment portland
Dès leurs premières constructions, les civilisations ont cherché un matériau qui puisse unir les pierres dans une masse solide présentant une certaine forme. Les Assyriens et les Babyloniens utilisaient l'argile à cette fin. Les Égyptiens sont allés plus loin, découvrant le mortier de chaux et de gypse comme liant pour des structures telles que les pyramides.
Les Grecs ont réalisé d'autres progrès et enfin les Romains ont mis au point un ciment permettant d'ériger des structures remarquablement durables.
La plupart des fondations du Forum romain, qui atteignent une profondeur de 3,7 mètres à certains endroits, ont été construites au moyen d'un genre de béton. Les grands bains romains datant environ de l'an 27 avant J.‑C., le Colisée et l'énorme basilique de Constantin sont parmi les premières œuvres architecturales romaines recourant au mortier de béton.
La formule romaine
La recette secrète des Romains consistait à mélanger de la chaux éteinte avec des pouzzolanes, cendres volcaniques provenant du mont Vésuve. Ce procédé donnait un ciment pouvant durcir sous l'eau. Pendant le Moyen-Âge, cet art a été perdu et c'est seulement grâce à la renaissance de l'esprit d'enquête scientifique que nous avons pu redécouvrir le secret du ciment hydraulique - qui durcit sous l'eau.
Comme le phare d'Eddystone au large de la côte de Cornwall (Angleterre) connaissait des défaillances structurales à répétition, l'ingénieur britannique John Smeaton entreprit des expériences avec des mortiers en eau douce et en eau salée. En 1756, il découvrit ainsi que du ciment fait de pierre calcaire contenant une forte proportion d'argile durcissait sous l'eau.
Mettant cette découverte à profit, il reconstruisit le phare d'Eddystone en 1759. Cette fois, le phare tiendra 126 ans avant qu'il soit nécessaire de le remplacer.
D'autres ont poursuivi des recherches sur le ciment entre 1756 et 1830, comme Louis Vicat et Léon Lesage en France, ou Joseph Parker et James Frost en Angleterre.
Avant la découverte du ciment portland et pendant un certain nombre d'années par la suite, on utilisait beaucoup le ciment naturel. Celui-ci était produit en calcinant des mélanges de chaux et d'argile trouvés dans la nature. Comme les ingrédients étaient dosés par la nature, les propriétés de ce ciment variaient autant que les ressources naturelles dont il était constitué.
Aspdin obtient un brevet
En 1824, Joseph Aspdin, briqueteur et maçon de Leeds (Angleterre), breveta un ciment hydraulique qu'il appela ciment portland parce que sa couleur ressemblait à celle de la pierre extraite des carrières de l'île de Portland au large de la côte britannique. La méthode d'Aspdin consistait à doser soigneusement le calcaire et l'argile, les pulvériser, puis les calciner afin d'obtenir du clinker, qui était ensuite broyé pour donner le ciment fini.
De nos jours comme à l'époque d'Aspdin, le ciment portland est une combinaison chimique précise et soigneusement dosée de calcium, silice, fer et aluminium. Le ciment naturel a cédé la place au ciment portland, un produit connu, prévisible et d'une qualité constamment élevée.
Environ 98 % du ciment produit aujourd'hui aux États-Unis est du ciment portland. À l'époque d'Aspdin, par contre, ce nouveau produit a été long à s'imposer. Aspdin a établi une fabrique de ciment portland à Wakefield, et une partie de sa production a servi, en 1828, à la construction du tunnel sous la Tamise.
Toutefois, c'est seulement une vingtaine d'années plus tard que J.D. White et Fils ont construit une cimenterie prospère dans le Kent et que l'industrie du ciment portland a entamé sa plus grande période d'essor initial - non seulement en Angleterre mais aussi en Belgique et en Allemagne. Le ciment portland a été utilisé pour construire le réseau d'égouts de Londres entre 1859 et 1867.
La première livraison connue de ciment portland aux États-Unis date de 1868, année où des producteurs européens ont commencé à transporter du ciment comme ballast dans des navires de tramping, à des taux d'affrètement très bas.
Histoire du ciment portland en Amérique du Nord
La construction d'un réseau de canaux, dans la première moitié du 19e siècle, a engendré le premier grand marché du ciment en Amérique du Nord. En 1818, un an après le début de la construction du canal Érié, l'ingénieur Canvass White découvrit dans le comté de Madison (New York) des dépôts de roche pouvant servir avec peu transformation à la fabrication de ciment hydraulique naturel. Il produisit d'énormes quantités de ce ciment pour le canal Érié.
D'autres gisements ont été trouvés, surtout dans la région de Rosendale (New York), la région de Louisville (Indiana et Kentucky) et la vallée de la Lehigh (Pennsylvanie). En 1899, presque 10 millions de barils de ciment naturel étaient produits chaque année aux États-Unis et au Canada.
Même si le ciment portland devenait de plus en plus prisé en Europe depuis 1850, il n'a été fabriqué aux États-Unis qu'à partir des années 1870. La première cimenterie à en produire a probablement été celle de David O. Saylor à Coplay (Pennsylvanie). En 1871, Saylor a commencé à sélectionner et mélanger différents types de pierre de ses carrières afin de produire du ciment portland.
Après certaines difficultés initiales, il a réussi. À l'Exposition du centenaire de 1876 à Philadelphie, des échantillons de son produit et de celui fabriqué par John K. Shinn à Wampun (Pennsylvanie) se comparaient favorablement aux meilleurs ciments portland importés. Pendant que Saylor perfectionnait son produit en Pennsylvanie, Thomas Millen et ses deux fils menaient des expériences de production de ciment portland à South Bend (Indiana). Leur premier ciment portland a été calciné dans une section de conduit d'égout (peut-être le premier four rotatif expérimental en Amérique); le clinker ainsi produit a été broyé dans un moulin à café.
Robert W. Lesley a été un autre pionnier de l'industrie en Amérique. En 1874, il fonde l'entreprise Lesley & Trinkle, courtiers en ciment, vendant des ciments naturels et portland. Cette activité l'entraîne dans la production, dans la localité d'Egypt (Pennsylvanie). Auprès de ses relations de vente, il avait précédemment glané quelques idées qui permettraient d'économiser du temps et de la main-d'œuvre dans la fabrication du ciment portland, notamment un procédé consistant à presser les matières premières pulvérisées en espèce de « crêpes » avant de les envoyées dans le four pour la calcination.
En 1880, environ 42 000 barils de ciment portland ont été produits aux États-Unis. Une décennie plus tard, la quantité était passée à 335 000 barils. Un des facteurs de cette remarquable augmentation a été le développement du four rotatif. Au début, les fours utilisés étaient verticaux et stationnaires, et on les laissait refroidir après chaque calcination, ce qui entraînait beaucoup de gaspillage.
En 1885, l'ingénieur anglais Frederick Ransome brevetait un four horizontal légèrement incliné tournait sur lui-même afin que les matériaux passent graduellement d'une extrémité à l'autre. Comme ce nouveau type de four avait une capacité beaucoup plus grande et calcinait de façon plus systématique et uniforme, il a rapidement remplacé les anciens fours.
Thomas A. Edison a contribué au développement ultérieur du four rotatif. En 1902, dans son entreprise Edison Portland Cement Works de New Village (New Jersey), il fut le premier à utiliser les longs fours qui seront adoptés par l'industrie - avec 45 mètres de longueur au lieu des 18 à 25 mètres habituels. Aujourd'hui, certains fours dépassent les 150 mètres. En même temps, des améliorations de l'équipement de concassage et de broyage ont aussi favorisé l'augmentation rapide de la production.