L'histoire du ciment

La signification du mot ciment

Le nom « ciment » vient du mot latin « caementum » qui signifie éclat de pierre taillée.

Histoire du ciment et sa première utilisation

On sait que le plus ancien matériau utilisé comme liant est la chaux. La chaux était produite en chauffant un calcaire assez pur, puis on y ajoutait de l'eau et on la mélangeait à du sable pour obtenir un mortier de chaux.

Le premier béton a été utilisé dans l'Empire romain. À Rome, « The Castel Sant' Angelo » a été construit en 138 av. J.-C. Aujourd'hui, dans ce bâtiment, les pierres se sont usées tandis que le béton conserve encore ses propriétés.

Exemples d'utilisation du ciment

Divers liants ont été utilisés dans de nombreuses constructions symbolisant les civilisations de l'époque, comme les pyramides d'Égypte, la Grande Muraille de Chine et les forteresses construites à différentes époques.

Les Grecs ont fabriqué du mortier en mélangeant les tufs volcaniques de l'île de Santorin avec de la chaux, ou avec une sorte de chaux hydraulique obtenue à partir de calcaire argileux. En Égypte, on a utilisé du gypse impur calciné à la place du ciment.

Il y a environ 2000 ans, les Grecs et les Romains broyaient avec la chaux une cendre volcanique appelée « pozzolin », aujourd'hui connue sous le nom de pouzzolane, et ajoutaient ce mélange au sable pour l'utiliser comme mortier dans la maçonnerie des pierres.

Bien que différents liants aient été utilisés dans les âges passés, ceux qui travaillaient dans la construction ne disposaient pas de connaissances suffisantes sur l'obtention des liants qu'ils utilisaient et sur leurs conditions de mise en œuvre. Par exemple, le savant romain Gaius Plinius a écrit qu'il était incompréhensible « que la chaux obtenue en brûlant la pierre au feu s'enflamme de nouveau au contact de l'eau ».

En 27 av. J.-C., l'« architecture romaine » a été créée en utilisant du ciment dans le grand « Colisée » et les « thermes romains ».

Les Romains ont produit du ciment en broyant des cendres volcaniques et en les ajoutant à la chaux ; ayant constaté que le ciment pouvait durcir sous l'eau, ils l'ont utilisé dans la construction de ports. Ce mélange a ensuite été nommé « ciment pouzzolanique », en référence au village de Pozzuoli, près du Vésuve à Rome, d'où étaient extraites les cendres volcaniques.

En Angleterre, les cendres volcaniques étaient broyées et façonnées en briques et en tuiles. De grandes cathédrales médiévales, telles que Chartres et Reims en France, Durham, Lincoln et Rochester en Angleterre, ont été construites en utilisant les technologies avancées de l'époque. Les Romains n'avaient pas connaissance des technologies utilisées mille ans auparavant.

Les Romains ont très probablement observé les propriétés des cendres volcaniques et les ont utilisées à différentes fins dans les constructions. Au 1er siècle av. J.-C., Marcus Vitruvius Pollio, architecte et ingénieur à Rome, a traité la technologie relative aux constructions du passé dans son livre intitulé « Ten books of Architecture », et a évoqué « le béton permettant de polir le sol et d'obtenir un sol solide ». Dans ce livre, il est mentionné à propos de la pouzzolane que le mélange composé de chaux et de pierres concassées confère de la résistance aux bâtiments et que ce matériau durcit également sous l'eau.

Les habitants de l'Europe étaient en retard sur les Romains quant à l'utilisation du ciment. Les mortiers étaient préparés en utilisant surtout de la chaux, c'est pourquoi le durcissement se produisait plus tardivement. L'utilisation de la pouzzolane dans la préparation des mortiers a été redécouverte par les Européens au Moyen Âge.

En 1756, John Smeaton, chargé de construire le phare d'Eddystone, a étudié les propriétés chimiques de la chaux et est parvenu à d'importantes conclusions concernant les propriétés liantes de la chaux. Plus tard, à la lumière de ces travaux, Joseph Parker a produit un liant connu sous le nom de « Roman Cement », le « ciment romain », dont la matière première était le calcaire des environs de Londres ; le ciment produit a été utilisé dans la construction de canaux et de ports. Au cours des mêmes années, le « ciment anglais » produit par l'Anglais James Frost n'a pas connu autant de succès que le ciment romain.

Avec la Renaissance, une nouvelle ère a commencé pour amener les hommes à penser différemment, et les portes de la révolution industrielle se sont ouvertes. Au 18e siècle, il a fallu construire des phares pour les flottes de navires de guerre à but commercial et colonial de l'Angleterre. Cela a été un moteur pour le développement du secteur du ciment.

En Angleterre, les rochers d'Eddystone au large du port de Plymouth posaient constamment problème et créaient un danger lors des entrées et sorties des navires du port. Afin de faciliter la navigation aux marins grâce à l'utilisation de mortiers pouvant durcir sous l'eau, la construction du phare d'Eddystone, d'environ 37 mètres de hauteur, a été achevée entre 1757 et 1759 ; pour la construction de ce phare, on a utilisé un mélange de chaux, d'argile et de laitier de fer durcissant sous l'eau. Le phare a été fixé à des barres de fer scellées au plomb dans des trous percés sous la mer.

En 1756, l'ingénieur anglais John Smeaton a déterminé que le calcaire tendre contenant une certaine proportion d'argile constituait le meilleur ciment. Environ 40 ans plus tard, James Parker a produit du ciment à partir de calcaire présentant un taux d'impuretés assez élevé en Angleterre. La production de ciment à partir d'argile et de calcaire a commencé en 1813 en France par Louis Vicat et en 1822 en Angleterre par James Frost.

Le liant produit par le Français Louis Vicat a été utilisé dans les ponts et les canaux en béton. Vicat a étudié la capacité de durcissement sous l'eau de la chaux hydraulique, des liants obtenus à partir du mélange de chaux et de pouzzolane et du ciment naturel ; il a produit un liant hydraulique synthétique en combinant de la silice, de l'alumine et de l'oxyde de calcium dans des proportions déterminées, et ses travaux ont éclairé la production du ciment Portland utilisé aujourd'hui. Il a utilisé le liant hydraulique qu'il a produit dans l'une des piles du pont de Souillac, dont la construction s'est achevée en 1822.

En 1824, à Leeds en Angleterre, le maçon Joseph Aspdin a chauffé de l'argile et du calcaire broyés jusqu'à la calcination du calcaire, puis a de nouveau broyé ce mélange ; lorsqu'il a ajouté de l'eau au matériau broyé et l'a mélangé, il a constaté que le mélange durcissait au bout d'un certain temps. Aspdin a nommé le ciment qu'il a produit « Portland Cement » et en a également pris le brevet, car il ressemblait à la pierre extraite des carrières exploitées dans la région « Isle of Portland of the British Coast », couramment utilisée pour la construction de bâtiments en Angleterre.

On sait que le bâtiment « Wakefield Arms », qui existe encore aujourd'hui à côté de la gare de Kirkgate en Angleterre, a été construit avec le liant de Joseph Aspdin. La cuisson à haute température et le broyage des matières premières ont ensuite été réalisés en 1845 par l'Anglais Isaac Johnson.

En 1845, Isaac Johnson a produit le premier ciment Portland moderne en cuisant un mélange de calcaire et d'argile à une température de 1400 °C-1500 °C, de manière similaire à ce qui est utilisé aujourd'hui. L'importance de la température dans la production du ciment a ainsi été mise en évidence. À hautes températures, il s'est produit une clinkérisation et la formation de composants de ciment très réactifs et plus résistants.

Dans la première moitié du 19e siècle, l'Amérique a commencé à avoir un grand besoin de ciment. Un an après le début du creusement du canal Érié en 1818, l'ingénieur Canvass White a déterminé que le matériau d'une carrière située à Madison County, près de New York, possédait naturellement des propriétés hydrauliques grâce à un traitement simple. Le ciment produit à partir de ce matériau a été utilisé dans la construction du canal Érié.

En 1850, l'Américain David O. Saylor a obtenu du ciment naturel en broyant la roche à ciment qu'il avait trouvée après l'avoir cuite au four. Cependant, il a été constaté que la résistance du ciment naturel produit aux États-Unis et dans certains autres pays était plus faible que celle du ciment Portland.

Alors que dans les années 1850 la production de ciment avait atteint un certain niveau en Europe, elle n'a pas été réalisée à grande échelle en Amérique avant les années 1870. Le premier ciment a été exporté d'Europe vers l'Amérique en 1868, et en 1885 les exportations sont montées à 3 millions de barils.

La première usine de ciment aux États-Unis a été fondée en 1871 par David O. Saylor. Saylor a sélectionné et mélangé différentes formations provenant de ses propres carrières, et en 1876, John K. Shinn a produit du ciment Portland à Philadelphie.

En Amérique, des formations propices à la production de ciment ont été trouvées à Rosendale (New York), en Indiana, au Kentucky et dans la Lehigh Valley en Pennsylvanie. En 1874, Robert W. Lesley a soulevé l'idée que l'alimentation du four avec le matériau sous forme d'agglomérats réduirait les coûts de main-d'œuvre.

En 1880, 42 millions de barils de ciment ont été produits par an aux États-Unis. Au cours de la décennie suivante, la quantité produite a atteint 335 millions de barils. Le facteur le plus important à l'origine de cette augmentation a été les progrès du four rotatif. Les fours verticaux, construits puis vidés et remplis à nouveau après chaque production, ont cédé la place aux fours rotatifs permettant une production continue.

Les fours rotatifs ont commencé, dans les années 1890, à remplacer les fours à cuve verticaux d'origine utilisés dans la fabrication de la chaux. Dans les fours rotatifs, le transfert de chaleur et le traitement thermique ont été réalisés dans de meilleures conditions, et des températures plus élevées ont été atteintes.

En 1885, l'ingénieur anglais Frederick Ransome a breveté le four rotatif à faible inclinaison. Dans les fours rotatifs inclinés, comme le matériau qu'ils contiennent se déplace vers l'orifice de sortie grâce au mouvement de rotation du four, les capacités de production ont augmenté et un produit plus homogène a été obtenu. En conséquence, les fours verticaux installés ont été remplacés par les nouveaux fours rotatifs inclinés.

À la fin du 19e siècle, du gypse a été ajouté au clinker et des broyeurs à boulets ont commencé à être utilisés pour le broyage.

En 1902, Thomas A. Edison a installé aux New Jersey Portland Cement Works, aux États-Unis, le four le plus long de l'époque, d'une longueur de 45 mètres. Parallèlement à l'utilisation de fours longs ainsi qu'aux progrès des concasseurs et des broyeurs, les capacités des usines de ciment ont également augmenté.

La première grande application d'ingénierie du ciment Portland a été le tunnel construit sous la Tamise en 1928. Une usine a été fondée à Wakefield pour produire le ciment Portland destiné à ce tunnel.

En résumé ; le nom « Portland » vient d'une sorte de pierre de construction présentant une ressemblance avec le ciment Portland, trouvée dans les environs de Portland en Angleterre (Taylor 1992). Bien que l'on ne sache pas quand le ciment Portland a été découvert, son brevet a été pris en 1824 par J. Aspdin. Bien que les propriétés du ciment Portland qu'il a produit n'aient pas été aussi bonnes que celles du ciment Portland actuel, faute d'un traitement thermique à une température suffisante, J. Aspdin doit être considéré dans la littérature comme la personne ayant inventé le ciment.

En 1845, Isaac Johnson a utilisé les mêmes matières premières que celles utilisées pour le ciment Portland actuel.

La production de ciment Portland a été réalisée de manière régulière en Angleterre à Swanscombe en 1825 par James Frost. Par la suite, les premières usines de ciment ont été fondées en Belgique et en Allemagne en 1855. Aux États-Unis, les travaux sur le ciment ont commencé en 1865 et la production de ciment Portland a été réalisée pour la première fois en 1871. Ensuite, des travaux réguliers sur la composition du ciment Portland ont commencé et, en 1906, l'application des méthodes de traitement thermique et de production a été établie sur des bases scientifiques. En 1913, les premiers camions à ciment de notre époque ont été utilisés pour la première fois à Baltimore, dans le Maryland.

À partir de 1926, de nombreuses études scientifiques ont été menées sur le ciment Portland dans différents pays et le développement du ciment hydraulique s'est poursuivi.

Dans les années 1900, l'utilisation du four rotatif pour le traitement thermique, des broyeurs à boulets pour broyer la matière première et le clinker, ainsi que l'ajout d'additifs, notamment le gypse, au clinker, ont permis des progrès importants dans la qualité du ciment et, avec le temps, dans le processus de production. En conséquence ;

en 1928, le système Lepol par Polysius,
en 1930, le broyeur à rouleaux vertical,
en 1932, les cyclones de préchauffage avant le four,
en 1937, le refroidisseur à grille Fuller,
en 1950, les classificateurs mécaniques,
en 1960, le premier système de by-pass dans le four,
en 1966, le système de précalcination,
en 1970, les classificateurs à haute efficacité,
en 1973, les systèmes de calcination avec l'air tertiaire provenant du refroidisseur ont commencé à être utilisés dans la production de ciment.

Au cours des années suivantes, de nouvelles dispositions ont été adoptées dans le secteur du ciment, visant notamment à réduire les coûts en utilisant la totalité de la chaleur du système.