Chaux (chimie) - Définition
Le terme de chaux est générique. Il regroupe un grand nombre de produits, dont le seul point commun est d'être obtenu par calcination, c’est-à-dire chauffage à haute température, de pierre calcaire. Selon la composition du matériau de base, on obtiendra de la chaux aérienne ou de la chaux hydraulique. La chaux vive désigne le matériau brut obtenu en sortie de four. Les usages de la chaux sont très nombreux.
La chaux vive est un produit potentiellement dangereux, principalement employé dans l'industrie et l'agriculture. Avide d'eau, elle est utilisée pour assécher, détruire les matières organiques riche en eau.
Le principal constituant de la chaux vive est l'oxyde de calcium, qui a pour formule CaO. Après apport d'eau, elle devient la chaux éteinte Ca(OH)2 (portlandite) utilisée dans le bâtiment pour la réalisation d'enduits : chaux grasse ou chaux aérienne, chaux hydraulique naturelle.
L'hydratation de la chaux vive
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 nécessaire d'eau, afin de ne pas permettre la prise du matériau. Dans le cas de la chaux obtenue à partir de calcaire pur, 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.
La chaux aérienne
La chaux aérienne est obtenue à partir de calcaire très pur. On la trouve sous différentes appellations : CAEB (ancienne normalisation : Chaux Aérienne Eteinte pour le Bâtiment remplacé par CL : Calcique Lime, chaux éteinte... C'est de l'hydroxyde de calcium Ca(OH)2.
L'emploi de la chaux est attesté dès l'âge du Bronze (environ 2000 ans avant l'ère chrétienne) sur certains sites archéologiques suisses. Des blocs de calcaire calcinés constituent ainsi le noyau interne des murailles de certaines places fortifiées. La chaux aérienne sert quant à elle, pour ses propriétés, depuis l'antiquité pour 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.
Le cycle de la chaux aérienne
Calcination
Par calcination du calcaire aux environ de 900 °C (CaCO3) on obtient de la chaux vive (Oxyde de Calcium : CaO) et un fort dégagement de gaz carbonique (CO2):
La réaction s'accompagne d'une perte de poids d'environ 45 %, correspondant à la perte en gaz carbonique selon la formulation chimique suivante :
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/Kg CaO
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 gaz carbonique (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 mortier plus "gras", moins sujet à la désication rapide, des enduits ou des badigeons carbonatant plus vite et mieux donc plus résistant. 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 à probablement comme origine le fait que l'extinction se faisant à l'abri de l'air, aucune carbonatation partiel 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 de la chaux aérienne
La prise de la chaux aérienne s'effectue par carbonatation, c’est-à-dire en absorbant le gaz carbonique (CO2) présent dans l'atmosphère : d'où son nom de " chaux aérienne " :
Ca(OH)2 + CO2 ==> CaCO3 + H2O
Selon l'humidité du millieu, cette réaction se produit sur plusieurs mois : la vapeur d'eau se lie avec le gaz carbonique atmosphérique pour former l'acide carbonique; la chaux fixe le gaz carbonique 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 de la chaux
Les usages de la chaux aérienne sont nombreux. En France, son usage se répartit ainsi :
- Sidérurgie : environ 40 %,
- Travaux publics, routes : environ 13 %,
- Agriculture : environ 10 %,
- Traitement des eaux : environ 10 %,
- Construction, bâtiment : environ 3 %
- Absorption du gaz carbonique : appareils d'anesthésie et respiratoires de secours.
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 par 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. Ainsi ces organismes sont détruits.
Le plus souvent, l'agriculture utilise aussi du calcaire non cuit pour amender les terrains. C'est du carbonate de calcium, vulgairement appellé "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 a l'utilisation de carbonate de calcium est avant tout d'ordre économique, car il coute moins cher à l'utilisateur. Dans l'absolu, son pouvoir neutralisant est, à quantité égale, très inférieur a celui de la chaux vive.
Utilisation dans l'industrie, dans le traitement des eaux
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.
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. Cette propriété est également utilisée dans le monde agricole.
Utilisation comme absorbeur de gaz carbonique
Les propriétés d'absorption du gaz carbonique (dioxyde de carbone) par la chaux ont été utilisées dans les appareils respiratoires dits "en circuit fermé" pour épurer le gaz expiré du gaz carbonique et permettre sa réinhalation 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 gaz carbonique. 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 ce chaux facilement transportables.
La chaux hydraulique
La chaux hydraulique est obtenue à partir de calcaire contenant des silicates, aluminates, des composés de magnésium. La chaux hydraulique la plus courante provient de la calcination de calcaire mêlé d'argile. Elle fait prise, en quelques heures, au contact de l'eau, d'où son appellation.
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 et 1 500 ° C), le calcium se combine avec ces éléments pour former des silicates, des aluminates et des ferro-aluminates de calcium.
Au contact de l'eau, lors de l'extinction de la chaux vive, et surtout pendant la mise en oeuvre 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.
C'est après la mise en oeuvre 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. C'est la partie aérienne de la prise.
Le rapport entre différents composants associés à l'argile et la part en chaux définit l'indice d'hydraulicité.
Précautions
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.