Notation cimentière

La notation cimentière, parfois appelée notation chimique cimentière ou plus simplement notation CCN (en anglais : Cement Chemistry Notation), 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].

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

Principaux symboles en notation cimentière (CCN)

CCN	Formule	Nom
C	${\displaystyle {\ce {CaO}}}$	Oxyde de calcium ou chaux vive
S	${\displaystyle {\ce {SiO2}}}$	Dioxyde de silicium ou silice
A	${\displaystyle {\ce {Al2O3}}}$	Alumine ou corindon
F	${\displaystyle {\ce {Fe2O3}}}$	Oxyde de fer(III) ou hématite
f	${\displaystyle {\ce {FeO}}}$	Oxyde de fer(II) ou wustite
H	${\displaystyle {\ce {H2O}}}$	Eau
N	${\displaystyle {\ce {Na2O}}}$	Oxyde de sodium
K	${\displaystyle {\ce {K2O}}}$	Oxyde de potassium
P	${\displaystyle {\ce {P2O5}}}$	Pentoxyde de phosphore
T	${\displaystyle {\ce {TiO2}}}$	Dioxyde de titane
M	${\displaystyle {\ce {MgO}}}$	Oxyde de magnésium ou périclase
C	${\displaystyle {\ce {CO2}}}$	Dioxyde de carbone
S	${\displaystyle {\ce {SO3}}}$	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 SiO₂) au lieu du carbone et du soufre (C et S, dénotant respectivement CO₂ et SO₃, en notation CCN) ;
• certains symboles désignent des oxydes comportant plusieurs atomes de l'élément chimique correspondant. Par exemple, A = Al₂O₃ 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 = 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).

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 Ca₆Al₂(SO₄)₃(OH)₁₂ · 26 H₂O^[3].

En notation CCN, l'ettringite devient C₆AS₃H₃₂, ce qui correspond à la formule semi-développée suivante : 6 CaO · Al₂O₃ · 3 SO₃ · 32 H₂O. 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] :

${\displaystyle {\ce {O^{2-}\ {+}\ H2O->2\ OH^{-}}}}$ (réaction acide-base de formation des anions hydroxydes) ;

et,

${\displaystyle {\ce {SO3->[H_{2}O]H2SO4->[2\ OH^{-}]SO4^{2-}\ {+}\ 2\ H2O}}}$ (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.

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

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
C2S	${\displaystyle {\ce {Ca2SiO4}}}$	Bélite ou silicate de dicalcium
C3S	${\displaystyle {\ce {Ca3SiO5}}}$	Alite ou silicate tricalcique
C3A	${\displaystyle {\ce {Ca3Al2O6}}}$	Célite ou aluminate tricalcique (en)
C4AF	${\displaystyle {\ce {Ca2AlFeO5}}}$	Ferrite ou ferro-aluminate tétracalcique (en)
CS	${\displaystyle {\ce {CaSiO3}}}$	Monosilicate de calcium ou wollastonite
C3S2	${\displaystyle {\ce {Ca3Si2O7}}}$	Disilicate de tricalcium ou Rankinite
C2AS	${\displaystyle {\ce {Ca2Al2SiO7}}}$	Gehlénite
CA	${\displaystyle {\ce {CaAl2O4}}}$	Aluminate de calcium
CA2	${\displaystyle {\ce {CaAl4O7}}}$	Dialuminate de calcium
C12A7	${\displaystyle {\ce {Ca12Al14O33}}}$	Mayenite
CA6	${\displaystyle {\ce {CaAl12O19}}}$	Hexa-aluminate de calcium
C4A3S	${\displaystyle {\ce {Ca4Al6O12SO4}}}$	Ye'elimite (en)
CS	${\displaystyle {\ce {CaSO4}}}$	Anhydrite ou sulfate de calcium anhydre
CSH1/2	${\displaystyle {\ce {CaSO4.1/2H2O}}}$	Sulfate de calcium hémihydraté

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
C-S-H	${\displaystyle {\ce {(CaO)x.SiO2.(H2O)y}}}$	Silicate de calcium hydraté ou gel CSH
CH	${\displaystyle {\ce {Ca(OH)2}}}$	Portlandite
CSH2	${\displaystyle {\ce {CaSO4.2H2O}}}$	Gypse
C6AS3H32	${\displaystyle {\ce {Ca6Al2(SO4)3(OH)12.26H2O}}}$	Ettringite
C9S6H11	${\displaystyle {\ce {Ca9Si6O18(OH)6.8H2O}}}$	Jennite
C3S2H3	${\displaystyle {\ce {Ca3(SiO4H)2.2H2O}}}$	Afwillite
AH3	${\displaystyle {\ce {Al(OH)3}}}$	Gibbsite
C4ASH12	${\displaystyle {\ce {(CaO)4.Al2O3.SO3.(H2O)12}}}$	Monosulfoaluminate de calcium ou AFm
C4FSH12	${\displaystyle {\ce {(CaO)4.Fe2O3.SO3.(H2O)12}}}$

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 C_xSH_y où x et y correspondent respectivement au ratio molaire CaO/SiO₂ et H₂O/SiO₂ mesuré^[6].

La plupart des études montrent une valeur moyenne pour x et y proche de 1,5 (soit : C_1.5SH_1.5)^[7]. Ainsi, il est courant de lui attribuer la formule stylisée / idéalisée C₃S₂H₃ (soit : 3 CaO · 2 SiO₂ · 3 H₂O) pour simplifier le bilan des réactions^[8].

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
AS2H2	${\displaystyle {\ce {Al4(OH)8Si4O10}}}$	Kaolinite
M3S2H2	${\displaystyle {\ce {Mg6(OH)8Si4O10}}}$	Antigorite
AS4H	${\displaystyle {\ce {Al2(OH)2Si4O10}}}$	Pyrophyllite

Dans certains cas, la présence d'anions autres que les oxydes (chlorures, fluorures, 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
${\displaystyle {\ce {2C2S.CaF2}}}$	${\displaystyle {\ce {4CaO.2SiO2.CaF2}}}$	${\displaystyle {\ce {Ca5Si2O8F2}}}$
${\displaystyle {\ce {C10S4.CaF2}}}$	${\displaystyle {\ce {10CaO.4SiO2.CaF2}}}$	${\displaystyle {\ce {Ca11Si4O18F2}}}$
${\displaystyle {\ce {C19S7.2CaF2}}}$	${\displaystyle {\ce {19CaO.7SiO2.2CaF2}}}$	${\displaystyle {\ce {Ca21Si7O33F4}}}$

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 ${\displaystyle {\ce {Ca}}}$.

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

$${\displaystyle {\ce {C + H -> CH}}}$$

Équivalence chimique :

$${\displaystyle {\ce {\underbrace{{CaO}}_{{Chaux}}+ \underbrace{{H2O}}_{{Eau}}-> \underbrace{{Ca(OH)2}}_{{Portlandite}}}}}$$

$${\displaystyle {\ce {2C3S + 6H -> C3S2H3 + 3CH}}}$$ Équivalence chimique :

$${\displaystyle {\ce {2\underbrace{{Ca3SiO5}}_{{Alite}}+ 6\underbrace{{H2O}}_{{Eau}}-> \underbrace{{(3CaO.2SiO2.3H2O)}}_{{C-S-H}}+ 3\underbrace{{Ca(OH)2}}_{{Portlandite}}}}}$$

$${\displaystyle {\ce {2\underbrace{{C2S}}_{{Bélite}}+ 4\underbrace{{H}}_{{Eau}}-> \underbrace{{C3S2H3}}_{{CSH}}+ \underbrace{{CH}}_{{Portlandite}}}}}$$ Équivalence chimique :

$${\displaystyle {\ce {2\underbrace{{Ca2SiO4}}_{{Bélite}}+ 4\underbrace{{H2O}}_{{Eau}}-> \underbrace{{(3CaO.2SiO2.3H2O)}}_{{C-S-H}}+ \underbrace{{Ca(OH)2}}_{{Portlandite}}}}}$$

$${\displaystyle {\ce {C3A{+}3C{\overline {S}}H2{+}26H->C6A{\overline {S}}H32}}}$$

Équivalence chimique :

$${\displaystyle {\ce {\underbrace{{Ca3Al2O6}}_{{Aluminate-tricalcique}}+ 3(\underbrace{{CaSO4.2H2O}}_{{Gypse}}) + 26 \underbrace{{H2O}}_{{Eau}}-> \underbrace{{Ca6Al2(SO4)3(OH)12.26H2O}}_{{Ettringite}}}}}$$

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

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