Notation Cimentière

La Notation Cimentière, parfois appelée Notation Chimique Cimentière ou plus simplement Notation CCN (de l'anglais Cement Chemistry Notation), est un système de notation simplifiée 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 chimiques structurales, traditionnellement employées en chimie minérale et minéralogie, permet 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 Chimique	Nom
C	${\ce {CaO}}$	Oxyde de calcium ou Chaux vive
S	${\ce {SiO2}}$	Dioxyde de silicium ou Silice
A	${\ce {Al2O3}}$	Alumine ou Corindon
F	${\ce {Fe2O3}}$	Oxyde de fer(III) ou Hématite
f	${\ce {FeO}}$	Oxyde de fer(II) ou Wustite
H	${\ce {H2O}}$	Eau
N	${\ce {Na2O}}$	Oxyde de sodium
K	${\ce {K2O}}$	Oxyde de potassium
P	${\ce {P2O5}}$	Pentoxyde de phosphore
T	${\ce {TiO2}}$	Dioxyde de titane
M	${\ce {MgO}}$	Oxyde de magnésium ou Périclase
C	${\ce {CO2}}$	Dioxyde de carbone
S	${\ce {SO3}}$	Trioxyde de soufre

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

Les symboles C et S désignent les oxydes de Calcium et de Silicium ( ${\ce {Ca}}$ et ${\ce {Si}}$ ) au lieu du Carbone et du Soufre (C et S en notation CCN)
Certains symboles désignent des oxydes comportant plusieurs atomes de l'élément chimique correspondant (Par exemple, A = ${\ce {Al2O3}}$ comporte 2 atomes d'Aluminium)

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'éttringite dont la formule structurale est ${\ce {Ca6Al2(SO4)3(OH)12.26H2O}}$ ^[3].

En notation CCN, l'éttringite devient C₆AS₃H₃₂ ce qui correspond à la formule semi-développée suivante : ${\ce {6CaO.Al2O3.3SO3.32H2O}}$ . 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 sulfates 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 entraînant la formation des hydroxydes et sulfates ^[4] :

${\ce {O^{2-}{+}H2O -> 2OH^{-}}}$ (synthèse des hydroxydes)
${\ce {SO3 ->[H_{2}O] H2SO4 ->[2OH^{-}] SO4^{2-}{+}2H2O}}$ (synthèse des 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 Chimique	Nom
C₂S	${\ce {Ca2SiO4}}$	Bélite (en) ou silicate de dicalcium
C₃S	${\ce {Ca3SiO5}}$	Alite ou Silicate tricalcique
C₃A	${\ce {Ca3Al2O6}}$	Célite ou aluminate tricalcique (en)
C₄AF	${\ce {Ca2AlFeO5}}$	Ferrite ou Ferro-aluminate tetracalcique (en)
CS	${\ce {CaSiO3}}$	Silicate de calcium ou Wollastonite
C₃S₂	${\ce {Ca3Si2O7}}$	Rankinite
C₂AS	${\ce {Ca2Al2SiO7}}$	Gehlénite
CA	${\ce {CaAl2O4}}$	Aluminate de calcium
CA₂	${\ce {CaAl4O7}}$	Dialuminate de calcium
C₁₂A₇	${\ce {Ca12Al14O33}}$	Mayenite
CA₆	${\ce {CaAl12O19}}$	hexa-aluminate de calcium
C₄A₃S	${\ce {Ca4Al6O12SO4}}$	Ye'elimite (en)
CS	${\ce {CaSO4}}$	Anhydrite ou sulfate de calcium anhydre
CSH_1/2	${\ce {CaSO4.1/2H2O}}$	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 Chimique	Nom
C-S-H	${\ce {(CaO)x.SiO2.(H2O)y}}$	Silicate de calcium hydraté ou gel CSH
CH	${\ce {Ca(OH)2}}$	Portlandite
CSH₂	${\ce {CaSO4.2H2O}}$	Gypse
C₆AS₃H₃₂	${\ce {Ca6Al2(SO4)3(OH)12.26H2O}}$	Ettringite
C₉S₆H₁₁	${\ce {Ca9Si6O18(OH)6.8H2O}}$	jennite (en)
C₃S₂H₃	${\ce {Ca3(SiO4H)2.2H2O}}$	Afwillite (en)
AH₃	${\ce {Al(OH)3}}$	Gibbsite
C4ASH₁₂	${\ce {(CaO)4.Al2O3.SO3.(H2O)12}}$	Monosulfoaluminate de calcium ou AFm
C4FSH₁₂	${\ce {(CaO)4.Fe2O3.SO3.(H2O)12}}$	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. On lui attribue comme formule générale C_xSH_y où X et X correspondent respectivement au ratio molaire ${\ce {CaO/SiO2}}$ et ${\ce {H2O/SiO2}}$ mesuré ^[6].

La plupart des études montrant une valeur moyenne pour X et Y proche de 1,5 ^[7]. Ainsi, il est courant de lui attribuer la formule C₃S₂H₃ 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 Chimique	Nom
AS₂H₂	${\ce {Al4(OH)8Si4O10}}$	Kaolinite
M₃S₂H₂	${\ce {Mg6(OH)8Si4O10}}$	Antigorite
AS₄H	${\ce {Al2(OH)2Si4O10}}$	Pyrophyllite

Notation hybride

Dans certains cas, la présence d'anions autres que les oxydes (chlorures, fluorures, etc ...) entraîne la formation de composés qui ne peuvent pas être décrit 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 chimique brute
${\ce {2C2S.CaF2}}$	${\ce {4CaO.2SiO2.CaF2}}$	${\ce {Ca5Si2O8F2}}$
${\ce {C10S4.CaF2}}$	${\ce {10CaO.4SiO2.CaF2}}$	${\ce {Ca11Si4O18F2}}$
${\ce {C19S7.2CaF2}}$	${\ce {19CaO.7SiO2.2CaF2}}$	${\ce {Ca21Si7O33F4}}$

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 ${\ce {Ca}}$ .

Exemples de réactions chimiques en notation CCN

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

Hydratation de la chaux

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

Équivalence chimique:

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

Hydratation de l'alite

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

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

Hydratation de la bélite

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

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

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

${\ce {C3A{+}3C{\overline {S}}H2{+}20H->C6A{\overline {S}}H32}}$