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Béton
Aspect hétérogène de la surface d'un
béton de ciment, appelé communément béton, et constitué de
ciment, d'eau et de
granulats fins (sable) et grossiers (graviers).
Le béton est un assemblage de matériaux de nature généralement minérale. Il met en présence des matières inertes, appelées granulats ou agrégats (graviers, gravillons, sables, etc.), et un liant (ciment, bitume, argile), c'est-à-dire une matière susceptible d'en agglomérer d'autres ainsi que des adjuvants qui modifient les propriétés physiques et chimiques du mélange. Mêlé à de l'eau, on obtient une pâte, à l'homogénéité variable, qui peut, selon le matériau, être moulée en atelier (pierre artificielle), ou coulée sur chantier1. Le béton fait alors « prise », c'est-à-dire qu'il se solidifie.
- Lorsque l'argile est employée, on parle traditionnellement de « pisé », de « torchis » ou, plus récemment, de « béton de terre2 », probablement le plus ancien de tous les bétons.
- Lorsque le ciment est employé comme liant, on obtient un « béton de ciment ». Lorsque les granulats utilisés avec le liant hydraulique se réduisent à des sables, on parle alors de mortier. On peut largement optimiser la courbe granulaire du sable, auquel cas on parlera de « béton de sable ».
- Un liant hydrocarboné (bitume) peut également être utilisé, ce qui conduit à la fabrication du « béton bitumineux ».
- Une nouvelle classe de béton émerge qui prend le nom de géopolymère. La géopolymérisation remplace la chaux par des bases plus puissantes comme la potasse ou la soude qui réagissent avec les argiles pour former une matrice vitreuse qui lie les grains entre eux3.
Le coulis (ciment, eau et adjuvants) et le mortier (ciment, sable, eau et adjuvants éventuels) diffèrent du béton (ciment, sable, gravier, eau et adjuvants éventuels) essentiellement par la taille des granulats (sable et gravier). Selon l'époque et les circonstances, on a pu faire des rapprochement entre ces différents matériaux qui tiennent à leur proximité physico-chimique4,5. On peut dire que les coulis et mortiers sont des cas particuliers simplifiés du béton, ou que le béton est un cas particulier de mortier.
Le béton de ciment associé à de l'acier permet d'obtenir le béton armé ; associé à des fibres, il permet d'obtenir du béton fibré. C'est, à l'heure actuelle, l'un des matériaux de construction le plus utilisé au monde (deux tiers des habitations neuves dans le monde6). C'est aussi le deuxième matériau minéral le plus utilisé par l'homme après l'eau potable : 1 m3 par an et par habitant7. Son utilisation énergivore est source de multiples dégradations de l'environnement : la production du clinker entrant dans la composition des liants est responsable d’approximativement 5 % des émissions de gaz à effet de serre (GES) anthropiques8, principaux responsables du réchauffement climatique. De plus, la quête perpétuelle d’agrégats adaptés dont le sable, a conduit à la surexploitation de 75 % des plages de la planète, détruisant nombre d'écosystèmes littoraux6.
Le béton de terre est un matériau qui a mal survécu à la révolution industrielle. Son usage est motivé par des raisons économiques (matériau gratuit disponible à même le sol), écologiques (ne nécessitant pas de processus chimiques de transformation énergivore ou polluant et ne générant pas de déchets indésirables) et politiques : n'intéressant ni l'industrie — car pas de processus de transformation complexe —, ni le commerce, à cause de sa disponibilité immédiate, il est une option notamment pour les pays du tiers-monde, soucieux d'indépendance, d'autonomie et d'autosuffisance2.
Histoire
Le mot betun au sens de mortier est attesté dans le Roman de Troie (vers 1160-1170). Béton désigne d'abord (1636) une maçonnerie de chaux vive, gros gravier, blocailles, et cailloux, dont on fonde les bâtiments. Philibert Monet le traduit par le terme latin opus signinum dont la description originale est donnée par Vitruve au Ier siècle av. J.-C., sorte de bétonnage constitué de chaux, de sable et d'éclats de pierre, exempt de tuileaux, dont la compacité était obtenue au terme d’un damage intensif9. Il était en particulier employé dans des ouvrages de citerne.
« Le béton se pétrifie dans la terre et devient dur comme roc10. »
L'argile
Dans une définition plus large des bétons, les ouvrages de terre crue sont considérés comme étant des bétons. Le béton de terre est le premier de tous les bétons11.
L'argile, ou à défaut une terre argileuse, sous la couche d'humus (les anciens parlaient de « terre franche » sous la terre végétale) est présente dans beaucoup de sols, et constitue un mortier (voir l'article mortier de terre) qui peut être facilement mis en œuvre par moulage dans des techniques de brique de terre crue ou de banchage.
Les premières cités découvertes dans l'ancienne Mésopotamie étaient construites en terre crue, avant même l'invention de l'écriture. Ce matériau se dégradant plus rapidement que la pierre, il existe peu de vestiges aussi marquants que les pyramides d'Égypte. Ainsi, le Moyen-Orient et l'Asie centrale comptent de nombreux sites exceptionnels tels que Tchoga Zanbil (Iran), Mari (Syrie), Shibam (Yémen) ou Merv (Turkménistan).
La chaux
On voit par la suite la chaux associée à d'autres matériaux. La première utilisation du ciment remonte à l'antiquité égyptienne. En effet, un des mortiers les plus anciens, composé de chaux, d’argile, de sable et d’eau, fut utilisé dans la conception de la pyramide d'Abou Rawash, érigée aux alentours de 2600 av. J.-C., sous la IVe dynastie, mais également pour d’autres ouvrages.
La Rome antique et l'opus caementicium
Vers le Ier siècle apr. J.-C., la Rome antique reprend cette technique en l’améliorant avec l’incorporation de sable volcanique de Pouzzoles ou de tuiles broyées. La pouzzolane est associée à la chaux et maçonnée à des matériaux tout venant, les caementa. Elle forme une sorte de béton extrêmement résistant puisque beaucoup de bâtiments construits dans ce matériau présentent des vestiges encore debout. Comme le dit Vitruve dans son De architectura (livre II, chapitre 6), le mortier peut résister à l'eau et même faire prise en milieu très humide. Cette qualité est due à la présence d'une grande quantité de silicate d'alumine. En ajoutant à la chaux aérienne de la pouzzolane ou des tuileaux concassés, on la transforme artificiellement en chaux hydraulique. Ce n'est qu'en 1818 que Louis Vicat expliquera les principes de cette réaction, dans sa théorie de l'hydraulicité12.
L'opus caementicium est une maçonnerie de blocage, un conglomérat souvent réalisé entre deux parois de petit appareil. Il permet de réaliser les volumes considérables de maçonnerie des aqueducs, ponts, basiliques, etc. Ce système constructif est performant, économique, rapide, et ne nécessite aucune qualification de la main-d'œuvre, une bonne partie des matériaux étant employés sans préparation préalable13.
Le Panthéon de Rome est ainsi réalisé dans une sorte de béton14.
En souvenir de l'usage qu'on fit de la pouzzolane, les cendres volantes silico-alumineuses issues de la combustion des charbons schisteux brûlés en centrale thermique, employées dans la confection des ciments contemporains, sont appelées également « pouzzolane15 », de même que tous les matériaux et roches aux vertus pouzzolaniques.
La technique du béton, diffusée dans la Gaule romaine, est encore employée au début du Moyen Âge, même si elle est progressivement moins utilisée, au profit d'autres techniques, en particulier certains mortiers, ou des éléments plus décoratifs. Des exemples de sols en béton ont été observés par les archéologues dans des édifices de la fin du Xe siècle16.
Puis les artisans dédaignent cette pierre factice et oublient son usage. C'est seulement à partir des Lumières que quelques savants s'y intéressent à nouveau14.
La révolution industrielle et la chaux hydraulique
Du temps de Bernard Forest de Bélidor (XVIIIe siècle), on faisait dans l'eau beaucoup de fondations avec des pierres qu'on jetait à l'endroit où on voulait établir des bases ; on plaçait avec ces pierres du mortier susceptible de durcir dans l'eau (qu'on obtient alors toujours par un mélange de chaux aérienne, de tuileaux ou de pouzzolane, et de sable). On donnait le nom de « béton » à ce mortier et cette manière de fonder s'appelait « fondation à pierres perdues ». Cette méthode avait le grand inconvénient d'exposer à mettre trop de mortier à certains endroits et pas assez à d'autres puisque lorsqu'on fondait à une grande profondeur sous l'eau, la mauvaise visibilité empêchait de bien distribuer le mortier. Le versement du béton sous l'eau se faisait par différentes méthodes : trémies, caisses fermées pour éviter que le mortier soit délavé le temps de son immersion, etc.17,18. Par la suite, Vicat donna le nom de « mortier hydraulique » à celui qui a la propriété de durcir dans l'eau (Vicat le nomme aussi « béton », mais il entrevoit qu'il conviendrait de donner ce nom uniquement au mortier hydraulique dans lequel on a introduit des cailloux ou de la pierraille). On a par la suite donné le nom de « béton » uniquement au mélange de ce mortier avec des pierres concassées. « Ainsi le béton n'est autre chose qu'une maçonnerie faite avec de petits matériaux ; et en faisant sur terre le mélange du mortier hydraulique avec les pierres concassées on a le grand avantage d'obtenir dans l'eau un massif bien homogène. On forme ainsi une maçonnerie très dure si le mortier hydraulique que l'on a fait est de bonne qualité. On voit donc que la qualité du béton dépend principalement de celle du mortier hydraulique »19.
La révolution industrielle et le ciment Portland
Le pont du Jardin des plantes de
Grenoble, un des premiers ouvrages au monde en béton de ciment coulé
20, construit en 1855 par Joseph et Louis Vicat.
L'opinion généralement admise dans la seconde moitié du XVIIIe siècle est que c'est l'argile qui donne à la chaux la propriété singulière de durcir dans l'eau. L’Anglais John Smeaton l'expérimente dans la construction du phare d'Eddystone. Jusqu'au début du XIXe siècle, la manière de faire le mortier, qui a presque toujours été abandonnée aux ouvriers, est l'objet de nouvelles expérimentations, éclairées par les progrès récents de la chimie, qui a été promue en science exacte. En 1796, James Parker découvre sur l'île de Sheppey, en Grande-Bretagne, un calcaire suffisamment argileux pour donner après une cuisson à 900 °C un ciment naturel à prise rapide qui est commercialisé sous la marque Ciment romain. Le ciment prompt est de même nature. Côté français, en 1818, Louis Vicat, ingénieur de l'École nationale des ponts et chaussées, expérimente les chaux hydrauliques et la possibilité de les fabriquer de manière artificielle. Sous son impulsion, en France, l'usage des chaux hydrauliques et ciments naturels se généralise et, à partir des années 1850, les ciments artificiels surcuits au nom de ciment Portland[pas clair]. Toutefois, le nom de Portland vient du brevet déposé en 1824 par le briquetier Joseph Aspdin, « ciment de Portland », pour sa chaux hydraulique à prise rapide.
C’est dans les années 1830 que l’on voit apparaître les premiers développements de ce matériau, avec notamment la construction d’une maison de trois étages en béton à Montauban, par l'entrepreneur François-Martin Lebrun, puis, à partir de 1852, le béton-pisé ou béton-aggloméré de l’industriel François Coignet. À la même époque, Joseph Lambot, puis Joseph Monier, développent les ciments armés, amenés à devenir bétons armés sous l'impulsion de François Hennebique, ou encore de l'architecte et entrepreneur Auguste Perret au début du XXe siècle. Ce dernier déclare : « Faisant au béton l'honneur de le tailler, de le boucharder, de le ciseler, nous avons obtenu des surfaces dont la beauté ferait trembler les tailleurs de pierre »14.
L'architecte Tony Garnier préconise l’usage du béton de mâchefer et le nouveau béton armé pour les travaux que lui confie le maire de Lyon Édouard Herriot ; il y réalise notamment le quartier des États-Unis. Pour sa part, Le Corbusier affirme dans sa charte d'Athènes : « Le béton est un matériau qui ne triche pas »14.
En 1929, c’est Eugène Freyssinet, ingénieur français, qui va révolutionner le monde de la construction en inventant le béton précontraint.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, l'architecte nazi Fritz Todt utilise 17 millions de cubes d’Eisenbeton pour bâtir le mur de l'Atlantique. Après le conflit, il faut reloger rapidement les populations dont les habitations ont été détruites et reconstruire des villes rasées comme Le Havre ou Lisieux ; le béton est alors utilisé. De la même façon, le développement des grands ensembles lors des Trente Glorieuses (qui sont cependant rapidement décriés) et la démocratisation du tourisme dans les stations balnéaires comme La Grande-Motte mobilisent ce matériau14.
La célèbre scène d'ouverture du film Mélodie en sous-sol (1961) d'Henri Verneuil évoque les transformations des villes par le béton. Sorti de prison, le personnage joué par Jean Gabin revient à Sarcelles pour trouver, décontenancé, sa maison entourée par des immeubles de béton : « Merde alors. […] Et dire que j'avais acheté ça pour les arbres et puis pour les jardins. Ils appelaient ça la zone verte ! »14.
À la fin des années 1980, on voit apparaître les bétons hautes performances et par la suite, de nouvelles grandes innovations vont voir le jour avec notamment les bétons autoplaçants (BAP) et les bétons fibrés à ultra hautes performances (BFUP).
Le béton de ciment est, à l'heure actuelle, le matériau de construction le plus utilisé au monde.
Les bétons
Béton de terre
La désignation « béton de terre » est récente, ce matériau est plus connu sous les termes traditionnels de pisé ou de torchis.
Les matériaux de base d'un béton de terre sont : l'argile (la plus pure est le kaolin), sable, gravier, eau. Grâce à sa cohésion interne, l'argile joue le rôle de liant, le gravier et le sable sont le squelette interne, l'eau est le lubrifiant. Le béton de terre n'a cependant pas de résistance mécanique suffisante pour autoriser des applications structurales.
L'argile, qui est susceptible de présenter des variations de volume en cas de modification de la teneur en eau, peut être stabilisée par adjonction de ciment Portland, chaux, d'armatures végétales (paille sèche coupée, chanvre, sisal, fibres de feuilles de palmier, copeaux de bois, écorces), par adjonction d'asphalte, d'huile de coco, etc., pour assurer l'imperméabilisation, par traitement chimique (chaux, urine de bestiaux, etc.), géopolymérisation, etc.2.
Le béton de terre est mis en œuvre dans les techniques de torchis (sur pan de bois et clayonnage ou dans la technique du pisé), de bauge, de brique de terre crue (ou adobe) ou dans les briques moulées mécaniquement2, etc.
Béton de chaux
Dans le cas du béton de chaux, c'est la chaux hydraulique qui sert de liant. Ce type de béton est notamment utilisé pour réaliser des dalles.
Béton de ciment
Le béton de ciment, couramment appelé « béton », est un mélange de ciment, de granulats, d'eau et d'adjuvants.
- Dénomination particulière des bétons de ciment
- béton armé : matériau composite, composé d'une armature en acier recouverte de béton ;
- béton extrudé : en technique routière, le béton extrudé est un béton coulé en place à l'aide de machines à coffrages glissants, dénommées machines à extruder ou extrudeuses. Il permet de réaliser des murets de sécurité, des bordures et des dispositifs de retenue sur des linéaires importants ;
- béton projeté ou gunite : béton propulsé, après malaxage, sur un support sous forme de jet ;
- béton autoplaçant : béton de ciment capable, sous le seul effet de la pesanteur, de se mettre en place dans les coffrages même les plus complexes et très encombrés sans nécessiter pour autant des moyens de vibration afin de consolider le mélange avec comme résultat un produit très homogène ;
- béton cellulaire : bloc isolant réalisé en autoclave ;
- béton cyclopéen : béton contenant des gros blocs de pierre, des moellons, des galets, etc. ;
- béton hautes performances : béton caractérisé par une très forte résistance à la compression ;
- béton translucide : matériau de construction en béton ayant la propriété de transmettre la lumière due à des éléments optiques intégrés ;
- bloc de béton : élément de maçonnerie moulé ;
- béton désactivé, dit aussi béton dénudé : nom donné à un béton dont la surface laisse apparaitre les granulats de couleur. Il est obtenu par pulvérisation d'un désactivant sur la surface fraiche d'un béton au moment de son coulage21. Ensuite, une fois séché, un rinçage à haute pression de la surface fait apparaitre les granulats21. Gardant la résistance du béton, il peut-être décoratif, coloré, et ce traitement lui confère des propriétés antidérapantes22.
Béton bitumineux
Le béton bitumineux (aussi appelé enrobé bitumineux) est composé de différentes fractions de gravillons, de sable, de filler et de bitume employé comme liant. Il constitue généralement la couche supérieure des chaussées (couche de roulement). L'enrobé est fabriqué dans des usines appelées « centrales à enrobés », fixes ou mobiles, utilisant un procédé de fabrication continu ou par gâchées. Il est mis en œuvre à chaud (150 °C environ) à l'aide de machines appelées « finisseurs » qui permettent de le répandre en couches d'épaisseur désirée. L'effet de « prise » apparaît dès le refroidissement (< 90 °C), aussi est-il nécessaire de compacter le béton bitumineux avant refroidissement en le soumettant au passage répété des « rouleaux compacteurs ». Contrairement au béton de ciment, il est utilisable presque immédiatement après sa mise en œuvre.
Le bitume étant un dérivé pétrolier, le béton bitumineux est sensible aux hydrocarbures perdus par les automobiles. Dans les lieux exposés (stations services) on remplace le bitume par du goudron. Le tarmacadam des aérodromes est l'appellation commerciale d'un tel béton de goudron (rien à voir avec le macadam, dépourvu de liant).
Géopolymère
Autres bétons
Le béton de chanvre est un béton isolant mêlant de la chaux formulée à de la chènevotte — du chanvre textile, chanvre industriel ou chanvre agricole — mis en œuvre sous forme de blocs préfabriqués, conglomérat isolant banché, ou projeté.
Le béton de copeaux est un mélange de copeaux de bois issu de scierie liés par de la chaux et/ou du ciment. Son avantage est son très faible cout découlant des copeaux de bois souvent mis à disposition gratuite par les scieries en tant que rebut. Ses performances isolantes sont équivalentes au béton de chanvre. Il peut aisément être mis en œuvre au niveau individuel et proposé aussi sous forme de briques ou panneaux prêts à l'emploi.
Le béton de mâchefer est constitué de granulats de type mâchefer, liés avec de la chaux et/ou du ciment23. Prôné par l'architecte Tony Garnier, il eut son heure de gloire dans la première moitié du xxe siècle, notamment pour la réalisation du stade de Gerland et du quartier des États-Unis24.
Le béton tendre est un béton composé issu d'un mélange de ciment Portland et de granulats de roches tendres (calcaire, tourbe ou argile consolidés)25, donnant au béton une consistance plutôt molle.
Impact environnemental
La bétonisation, l'action d'urbaniser à l'excès une zone caractérisée par le développement de surfaces minérales du type béton, asphalte, pierre ou acier, a des conséquences néfastes sur l'environnement et les paysages.
Consommation d'énergie
Le gros de la consommation d’énergie due au béton provient d'activités consommatrices d’énergie qui entraînent une émission plus ou moins forte de CO2 :
- l'acheminement (dérivés du pétrole pour le transport en camion du béton ou des matières premières) ;
- la confection (dans le cas du béton de ciment, mazout ou autre combustible pour cuire la roche en ciment) ;
- la consommation électrique pour brasser mécaniquement de grandes quantités de béton.
Si la consommation d'énergie est importante pour du béton de ciment ou du béton bitumineux, l'énergie grise du bloc de chanvre (énergie nécessaire à l’ensemble de la fabrication d’un produit) est inférieure à tous les autres matériaux isolants dans la masse (un rapport de 4 par rapport à la brique terre cuite et 3 par rapport au béton cellulaire).
Émissions de gaz à effet de serre
L'impact carbone varie fortement selon le type de béton : de 95 kgCO2eq / m3 pour un béton C25/30 CEMIII/B, à 396 kgCO2eq / m3 pour un béton C60/7526 CEMI.
Le poids carbone du béton vent principalement de l'utilisation de ciment de Portland dans les béton courants (en 2022). La production de ciment de Portland utilise la réaction chimique de décarbonatation qui émet du CO2 et est énergivore . dont la production est énergivore (production à 1450°C). La production du clinker qui broyé donne du ciment de Portland est responsable d’approximativement 5 % des émissions de gaz à effet de serre (GES) anthropiques8, principaux responsables du réchauffement climatique.
Des travaux tendent également d'évaluer la quantité de CO2 que le béton réabsorbera au cours de sa vie. Jusqu'à 40 % du CO2 émis lors de la production de ciment, de 1913 à 2013, aurait été ainsi capturé selon une étude enthousiaste27. Mais cela serait ignorer la production toujours croissante exponentiellement [archive], notamment depuis l'entrée de la Chine à l'OMC. Les échelles de temps ne sont bien entendu pas mises en évidence par ces études vantant la « carbonation », voulant ainsi atténuer l'impact environnemental du béton. On peut faire le même constat pour la compensation carbone en voulant planter des arbres ou des sols (cf. Félix Lallemand et Jonathan Guyot). La prise en compte de cette « carbonation » des matériaux contenant du ciment semble pourtant peu significative pour l'analyse de cycle de vie de ces produits28.
Vide juridique autour du "béton bas carbone"
Si des solutions de « Béton bas carbone » sont de plus en plus mises sur le marché par les cimentiers, le terme « béton bas carbone » ne fait pas l’objet d’une définition officielle s’appuyant sur un cadre normatif ou réglementaire29. Ainsi, plusieurs vides juridiques ont permis des abus autour du comptage du bilan carbone des laitiers et de la fuite carbonne. Dans le dernier cas, des entreprises comme LafargeHolcim ou la start-up Cem'In'Eu importent le clinker depuis le Maroc ou la Turquie, pays ou le bilan carbone n'est pas établi. Le ciment composé de ce clinker peut ensuite être vendu légalement dans l'UE sous le nom de Béton bas carbone en évitant les contraintes réglementaires du marché européen du CO230,31,32,33.
Consommation de ressources naturelles
Disparition du sable
Dans le cas du béton de ciment, la quête perpétuelle d’agrégats adaptés dont le sable a conduit à la surexploitation de 75 % des plages de la planète, détruisant nombre d'écosystèmes littoraux6.
Durabilité
« Il convient de ne pas assimiler la durabilité d'un produit de construction à celle de l'ouvrage. En effet, il est inutile de formuler un béton intrinsèquement durable, si sa mise en œuvre au sein de la structure n'est pas conforme aux règles de l'art et si les diverses sollicitations auxquelles il est soumis n'ont pas été correctement appréciées, ce qui conduirait à ce que l'ouvrage ne remplisse pas durablement sa fonction pendant sa durée de service requise. »
— Infociment34
« Un béton durable est un béton compact (présentant une faible porosité) dont les constituants de qualité ont été bien choisis conformément aux normes. »
— Infociment34
La durabilité du béton est définie par la norme NF X60-500 — Terminologie relative à la fiabilité – Maintenabilité – Disponibilité. Octobre 1988 —:
« l‘aptitude d’un bien à accomplir une fonction jusqu’à ce qu’un état limite soit atteint »
— LERM35
Certaines attaques réduisent la durabilité du béton : la carbonatation, la corrosion des armatures (danger majeur pour la durabilité des ouvrages en béton armé), les chlorures dans le béton, l'eau de mer, la lixiviation, l'alcali-réaction (ou ASR pour alkali silica reaction), la réaction sulfatique interne, le gel et le dégel, l'écaillage du béton36.
Notes et références
- Dans le langage courant, « béton », sans précision, désigne le béton de ciment.
- René Vittone, Bâtir. Manuel de la construction, PPUR Presses polytechniques, 10 juin 2010 (ISBN 978-2880748357), consulter en ligne [archive].
- Rainer 2008, p. 223.
- Witier, p. 6.
- Treussart 1829, p. 21.
- « Nos plages à court de sable » [archive du ], sur future.arte.tv, (consulté le ).
- Amaury Cudeville, « Recycler le béton » [archive] sur pourlascience.fr, octobre 2011, p. 17-18 (consulté le 2 mai 2019).
- « Émissions du ciment, quelles perspectives » [archive] sur construction-carbone.fr (consulté le 2 mai 2019).
- L'archéologie assigne à opus signinum une autre signification, celle donnée par Pline, lecteur de Vitruve : un mortier étanche incorporant des tuileaux utilisé en application de la maçonnerie décrite plus haut. Voir à ce sujet Pierre Gros, Vitruve et la tradition des traités d’architecture. Frabrica et ratiocinatio, nouvelle édition en ligne [archive], Rome, Publications de l’École française de Rome, 2006 (ISBN 9782728310289).
- « Concrescit in petram signinum opus insudameris, et tupis durita cocipit, contrahit. » Dans Philibert Monet, Parallèle des langues latine et française, Guillaume Valfray imprimeur, 1636, consulter en ligne [archive].
- Le bois, le feuillage et les peaux d'animaux furent les premiers constituants de l'architecture naissante des pays tempérés. Pour les régions du globe où la végétation est rare, ainsi pour la plupart des rivages méditerranéens, ce fut l'argile qui fut le matériau le plus utilisé. Il est intéressant de retrouver ensuite l'argile et le bois associés, dans une architecture plus mûre, constituant les structures dites à maison à pans de bois. (Jean-Pierre Adam, La Construction romaine. Matériaux et techniques, Grands manuels picards, 6e édition, 2011.
- Louis Joseph Vicat, Traité pratique et théorique de la composition des mortiers, ciments et gangues à pouzzolanes et de leur emploi dans toutes sortes de travaux [archive], Impr. Maisonville, 1856, 103 p. (consulté le 3 mai 2019).
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- Treussart 1829, p. x1.
- Joseph Mathieu Sganzin, Programme ou résumé des leçons d'un cours de constructions, avec des applications tirées spécialement de l'art de l'Ingénieur des ponts et chaussées, t. 1, 1840, p. 55 (consulter en ligne).
- Treussart 1829, p. x2.
- Le premier ouvrage a été construit en 1840 à Grisolles par l'architecte François-Martin Lebrun. Il a fait l'objet d'une présentation à l'Académie des sciences en 1842. Il a été démoli.
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Voir aussi
Sur les autres projets Wikimedia :
- Béton, sur Wikimedia Commons
- béton, sur le Wiktionnaire
Bibliographie
- Cédric Avenier, Jean-François Lagneau (dir.), Thierry Joffroy, Sophie Paviol, Béton(s) : Séminaire et colloque internationaux 200 ans de béton, Grenoble 2017, Cahier Icomos France #29, AE&CC Ensa de Grenoble, 2018, 181 p.
- Leslie Rainer, Angelyn Bass Rivera, David Gandreau, Terra 2008 : The 10th International Conference on the Study and Conservation of Earthen Architectural Heritage, Getty Publications, (lire en ligne [archive]).
- Clément Louis Treussart, Mémoire sur les mortiers hydrauliques et sur les mortiers ordinaires, Carillan-Goeury, (lire en ligne [archive]).
- Pierre Witier et Gérard Platret, Analyse et caractérisation de matériaux de construction, Éditions Techniques ingénieur (lire en ligne [archive]).
- (en) Alan B. Poole et Ian Sims, Concrete petrography : a handbook of investigative techniques, CRC Press, , 794 p. (ISBN 978-1-85617-690-3).
Articles connexes
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Métal
En chimie, les métaux sont des matériaux dont les atomes sont unis par des liaisons métalliques. Il s'agit de corps simples ou d'alliages le plus souvent durs, opaques, brillants, bons conducteurs de la chaleur et de l'électricité. Ils sont généralement malléables, c'est-à-dire qu'ils peuvent être martelés ou pressés pour leur faire changer de forme sans les fissurer, ni les briser. De nombreuses substances qui ne sont pas classées comme métalliques à pression atmosphérique peuvent acquérir des propriétés métalliques lorsqu'elles sont soumises à des pressions élevées. Les métaux possèdent de nombreuses applications courantes, et leur consommation s'est très fortement accrue depuis les années 1980, au point que certains d'entre eux sont devenus des matières premières minérales critiques.
En astrophysique, et notamment en physique stellaire, on appelle métal tout élément chimique autre que l'hydrogène et l'hélium. Ces éléments sont produits par nucléosynthèse stellaire à partir d'hydrogène et d'hélium par fusion nucléaire, processus à l'origine de l'énergie libérée par les étoiles. De ce point de vue, la métallicité d'une étoile est la proportion d'éléments autres que l'hydrogène et l'hélium qui la constituent.
Liaison métallique et structures cristallines des métaux
Les électrons des matériaux métalliques purs ou alliés se distribuent dans des niveaux d'énergie formant un continuum entre la bande de valence, occupée par les électrons de valence, et la bande de conduction, occupée par les électrons libres injectés thermiquement depuis la bande de valence par-delà le niveau de Fermi. Ces électrons libres forment une liaison métallique délocalisée dans tout le volume du matériau. On peut se représenter un métal comme un réseau tridimensionnel de cations métalliques baignant dans un fluide d'électrons très mobiles. Le modèle de l'électron libre permet de calculer la conductivité électrique ainsi que la contribution des électrons à la capacité calorifique et à la conductivité thermique des métaux, bien que ce modèle ne tienne pas compte de la structure du réseau cristallin du métal. Certains matériaux, comme les intermétalliques, présentent des liaisons partiellement métalliques et sont donc à la limite des céramiques.
La nature électronique particulière d'une liaison métallique est responsable de plusieurs propriétés macroscopiques des métaux : le fluide d'électrons libres assure à la fois une conductivité électrique et une conductivité thermique élevées en permettant la circulation d'un courant électrique et en favorisant la propagation des phonons dans le matériau ; elle rend compte de la ductilité, de la malléabilité et de la plasticité des métaux en maintenant leur cohésion en cas de déformation brisant les autres liaisons interatomiques ; elle confère aux métaux leur absorbance et leur éclat particulier par son interaction avec les ondes électromagnétiques, ainsi que leur point de fusion et leur point d'ébullition plus élevés que les non-métaux en renforçant les autres types de liaisons interatomiques. Ces dernières, notamment les liaisons covalentes de coordination, sont responsables des différentes structures cristallines formées par les métaux solides : la plus fréquente est la structure cubique centrée, suivie de la structure hexagonale compacte et de la structure cubique à faces centrées.
Dans une structure cubique centrée, chaque atome est situé au centre d'un cube formé par ses huit atomes voisins. Dans les structures cubique à faces centrées et hexagonale compacte, chaque atome est entouré par douze autres atomes, mais l'empilement de ces atomes diffère entre ces deux structures. Certains métaux peuvent adopter des structures cristallines différentes selon la température et la pression auxquels ils sont soumis.
Tous les métaux — notamment les alliages — ne sont cependant pas cristallins, et il peut se former des alliages métalliques amorphes par trempe rapide d'alliages métalliques fondus. On utilise pour ce faire des métaux fondus dont les atomes ont des tailles sensiblement différentes, ce qui limite la cristallisation lors d'un refroidissement rapide. Également appelés verres métalliques, les alliages métalliques amorphes présentent, par rapport aux métaux usuels, une meilleure ténacité, une moindre fragilité, ainsi qu'une plus grande résistance à la déformation et à la corrosion.
La force d'une liaison métallique dépend notamment du nombre d'électrons libres par atome métallique, et atteint un maximum au sein des métaux de transition vers le milieu du bloc d au niveau de la 5e période et au-delà, parmi les métaux réfractaires. Les liaisons métalliques subsistant à l'état liquide, contrairement aux autres liaisons interatomiques, le meilleur indicateur de la force de la liaison métallique d'un métal donné est sa température d'ébullition plutôt que sa température de fusion.
Éléments chimiques métalliques
Dans le tableau périodique des éléments, les métaux occupent la gauche, le centre et une partie de la droite du tableau, séparés des non-métaux par les métalloïdes. Parmi les 110 éléments dont les propriétés chimiques ont été un tant soit peu caractérisées, on dénombre environ 86 métaux et 7 métalloïdes. La ligne de démarcation entre métaux et non-métaux du tableau ci-contre est conventionnelle : elle est arbitraire et ne marque pas une rupture nette des propriétés macroscopiques entre éléments, dont la transition entre métaux et non-métaux est relativement continue, donnant lieu à la superposition de propriétés métalliques et non métalliques chez certains métalloïdes. De plus, un même élément peut exister selon plusieurs variétés allotropiques aux propriétés davantage métalliques pour les unes et davantage non métalliques pour les autres : un bon exemple est l'étain, qui existe d'une part sous une phase α grise de structure cubique de type diamant, stable aux basses températures, aux propriétés métalloïdes proches d'un non-métal, et, d'autre part, sous une phase β blanche de structure tétragonale, dont les propriétés sont celles d'un métal pauvre.
Les propriétés des métaux eux-mêmes ne sont pas uniformes, et l'on a coutume de les classer en familles plus ou moins informelles qui rendent compte des différences de propriétés entre ces éléments. Du point de vue chimique, le caractère métallique est d'autant plus marqué qu'on se déplace vers la gauche et vers le bas du tableau. Ainsi, les éléments les plus métalliques sont les métaux alcalins, tandis que les moins métalliques sont les non-métaux diatomiques, notamment les halogènes. Entre les deux, d'autres familles d'éléments sont traditionnellement définies, comme les métaux alcalino-terreux, les lanthanides, les actinides, les métaux de transition et les métaux dits « pauvres », ces derniers étant les métaux dont les propriétés métalliques sont les moins affirmées.
Du point de vue pratique, il existe une grande variété de termes désignant des familles d'éléments métalliques et d'alliages. On parle de métaux ferreux et non ferreux selon qu'on considère les alliages contenant ou dépourvus de ferrite, respectivement. On parle de métaux nobles pour désigner les éléments métalliques résistants à la corrosion et à l'oxydation dans l'air humide : ce sont le ruthénium, le rhodium, l'argent, l'osmium, l'iridium, le platine et l'or ; le mercure est parfois également considéré comme un métal noble, tandis que le titane, le niobium et le tantale, qui sont pourtant très résistants à la corrosion, ne sont pas considérés comme des métaux nobles. On parle de métaux précieux pour désigner les métaux les plus rares et dont la valeur marchande est la plus élevée, comme typiquement l'or, l'argent, le platine et le palladium, qui ont chacun un code monétaire ISO 4217 : XAU, XAG, XPT et XPD respectivement ; les platinoïdes sont également considérés comme des métaux précieux. On parle de métaux réfractaires pour désigner les métaux particulièrement résistants aux températures élevées et à l'usure : ce sont typiquement le niobium, le molybdène, le tantale, le tungstène et le rhénium ; le technétium est également réfractaire, mais n'est généralement pas mentionné comme tel car il est synthétique et radioactif.
Propriétés des métaux
Propriétés physiques
Les métaux purs ont le plus souvent une conductivité électrique, une conductivité thermique et une masse volumique élevées. L'argent est ainsi le meilleur conducteur électrique (6,30 × 107 S/m), suivi par le cuivre (5,96 × 107 S/m), l'or (4,10 × 107 S/m) et l'aluminium (3,50 × 107 S/m). La conductivité électrique du fer est de 107 S/m, tandis que celle de l'acier au carbone 1010 (fer à 0,10 % de carbone) est de seulement 5,9 × 106 S/m, ce qui illustre l'effet des impuretés sur la conductivité des métaux.
Bien que la plupart des métaux aient une masse volumique supérieure à celle de la plupart des non-métaux, celle-ci est très variable selon les matériaux considérés. Parmi les corps simples métalliques, le lithium est le moins dense (0,534 g cm−3 à 25 °C) tandis que l'osmium est le plus dense (22,59 g cm−3). Les métaux alcalins (dont fait partie le lithium) et alcalino-terreux sont les moins denses des métaux ; ils sont également les moins durs, et les métaux alcalins ont un point de fusion particulièrement bas : hormis le lithium, ils sont tous liquides à 100 °C. La densité élevée de la plupart des métaux provient de leur structure cristalline compacte.
Les métaux sont en outre généralement caractérisés par une bonne malléabilité et une grande ductilité qui leur permettent de se déformer sans se briser. Ainsi, le cuivre pur peut être étiré pour former des fils électriques, des tuyaux (plomberie), être mis en plaque et martelé en forme de casseroles ; l'or pur peut également être mis sous forme de feuilles très fines. À l'inverse, certains éléments d'alliage permettent de durcir le métal : c'est par exemple le cas du carbone qui durcit le fer pour donner de l'acier, de l'étain qui durcit le cuivre pour donner le bronze, ou encore de l'argent et du cuivre qui durcissent l'or.
La force des liaisons métalliques est la plus élevée aux environs du centre de la famille des métaux de transition, au niveau des métaux réfractaires, car ces éléments ont un grand nombre d'électrons délocalisés dans leur structure. D'autres facteurs entrent cependant également en ligne de compte, comme le rayon atomique, le numéro atomique, le nombre d'orbitales liantes, la superposition des énergies des orbitales et le type de structure cristalline ; les structures cubiques centrées donnent ainsi des liaisons métalliques moins fortes que les structures cubiques à faces centrées et hexagonales compactes car ces dernières ont une coordinence plus élevée, c'est-à-dire qu'ils lient davantage d'atomes voisins que la première.
Les métaux ont une surface généralement brillante, et sont opaques dès que leur épaisseur dépasse quelques micromètres ; les feuilles d'or transmettent néanmoins une lumière verte.
Propriétés mécaniques
La déformation élastique des métaux peut être modélisée par la loi de Hooke lorsque la déformation est une fonction linéaire de la contrainte. L'application de forces supérieures à la limite d'élasticité ou le chauffage peuvent conduire à une déformation permanente de l'objet, ce qui correspond à une déformation plastique. Cette modification irréversible de la disposition des atomes du matériau peut résulter de l'application :
L'écoulement visqueux autour des joints de grains, par exemple, peut donner lieu au fluage ou la fatigue du métal. Il peut également contribuer à d'importants changements dans la microstructure, comme la croissance des grains et l'accroissement localisé de la densité du matériau par élimination de la porosité intergranulaire. De plus, la nature non directionnelle des liaisons métalliques pourrait contribuer de manière significative à la ductilité des métaux solides.
Propriétés magnétiques
Quelques métaux présentent des propriétés magnétiques remarquables comme le ferromagnétisme. Ce sont notamment, à température ambiante, le fer, le cobalt et le nickel. Certaines terres rares (lanthanides dans la classification périodique) sont également ferromagnétiques à basse température. Les propriétés magnétiques varient avec les alliages, ce qui peut être mis à profit pour créer des aimants puissants ou annuler le magnétisme d'un métal comme le fer.
Propriétés des oxydes
Les métaux ont tendance à former des cations en perdant des électrons. Le sodium peut ainsi perdre un électron pour former le cation Na+, le calcium deux électrons pour former le cation Ca2+, le fer deux électrons pour former le cation ferreux Fe2+ ou trois électrons pour former le cation ferrique Fe3+. Ces ions métalliques se retrouvent en solution ou dans des sels, comme le chlorure de lithium LiCl ou le sulfure d'argent Ag2S.
Les métaux réagissent avec l'oxygène de l'air pour former des oxydes de façon plus ou moins rapide : le fer forme de la rouille en plusieurs mois, voire années, tandis que le potassium brûle en quelques secondes. Les réactions suivantes sont des exemples d'oxydation de métaux :
- 4 Na + O2 → 2 Na2O ;
- 2 Ca + O2 → 2 CaO (chaux vive) ;
- 4 Al + 3 O2 → 2 Al2O3 (corindon).
Les métaux de transition tels que le fer, le cobalt et le nickel s'oxydent plus lentement car leur oxydation forme une couche de passivation qui protège l'intérieur du matériau. Certains forment une couche imperméable qui bloque complètement la progression de l'oxydation et permet de conserver pendant des décennies à la fois leur éclat métallique et leurs bonnes propriétés conductrices de l'électricité : ce sont par exemple l'aluminium, le magnésium, l'acier inoxydable et le titane. Les oxydes métalliques sont généralement basiques, par opposition aux oxydes des non-métaux, qui sont plutôt acides ; les oxydes métalliques acides se rencontrent avec les états d'oxydation très élevés, comme avec le trioxyde de chrome CrO3, l'heptoxyde de dimanganèse Mn2O7 et le tétroxyde d'osmium OsO4, qui présentent des réactions strictement acides. D'autres métaux, tels que le palladium, le platine et l'or ne réagissent pas du tout à l'air libre : pour cette raison, ils sont appelés métaux nobles.
La corrosion des métaux peut être empêchée par leur peinture, leur anodisation ou encore l'apposition d'un revêtement. S'agissant d'une réaction électrochimique, il faut, pour que la protection soit efficace, utiliser un métal plus réducteur que le métal, sinon le revêtement peut favoriser la corrosion, surtout en cas de rayures.
Alliages
Un alliage est un mélange de deux éléments chimiques ou davantage dont le principal constituant est un métal. La plupart des métaux purs sont trop mous, trop fragiles ou trop réactifs pour pouvoir être utilisés tels quels. Il est possible de moduler les propriétés des alliages en faisant varier les proportions relatives de leurs différents constituants. Il s'agit généralement de les rendre moins fragiles, plus durs, plus résistants à la corrosion, ou encore de leur donner une couleur et un éclat plus attrayants. De tous les alliages métalliques utilisés de nos jours, ceux du fer — acier, acier allié (en), acier à outils, acier au carbone, acier inoxydable, fonte par exemple — en représentent l'essentiel de la production, aussi bien en valeur qu'en volume. Le fer allié au carbone donne des aciers de moins en moins ductiles et résistants à mesure que le taux de carbone augmente. L'addition de silicium donne du ferrosilicium, souvent allié à la fonte, tandis que l'addition de chrome, de nickel et de molybdène à des aciers au carbone (à plus de 10 %) donne de l'acier inoxydable.
Outre les alliages de fer, ceux de cuivre, d'aluminium, de titane et de magnésium sont également importants d'un point de vue économique. Les alliages de cuivre sont connus sous forme de bronze depuis l'âge du bronze. Le billon était un alliage utilisé jusqu'au Moyen Âge pour faire des pièces de monnaie et constitué le plus souvent essentiellement de cuivre avec un peu d'argent et parfois de mercure. De nos jours, le bronze désigne spécifiquement un alliage de cuivre et d'étain, tandis que le laiton est un alliage de cuivre et de zinc, et que le maillechort est un alliage de cuivre, de zinc et de nickel. Ces alliages ont divers usages industriels, notamment dans les installations électriques. Les alliages d'aluminium, de titane et de magnésium ont été développés plus récemment, et sont intéressants en raison de leur grande résistance mécanique pour une masse volumique plutôt faible ; leur coût de revient est cependant élevé, ce qui restreint leur utilisation aux applications de haute technologie pour lesquelles les performances sont plus importantes que le coût. Parmi les différents alliages d'aluminium, on peut citer ceux pour corroyage et pour fonderie. Le zamak est formé de zinc allié à l'aluminium, le magnésium et le cuivre.
Outre des propriétés mécaniques remarquables, les alliages permettent également de faciliter la fusion des métaux, notamment les eutectiques. C'est par exemple le cas du système aluminium-silicium, avec un hypereutectique à environ 78 % d'aluminium, 17 % de silicium, 4 % de cuivre et 1 % de magnésium, utilisé dans l'industrie automobile, et l'alliage étain-plomb Sn63Pb37 qui fond à 183 °C — à comparer aux points de fusion respectifs de l'étain et du plomb, qui sont de 232 °C et 327 °C. L'un des alliages métalliques ayant le plus bas point de fusion est le galinstan, dont la composition massique est typiquement de 68 % de gallium, 22 % d'indium et 10 % d'étain, et qui est liquide à température ambiante. C'est également le cas de l'eutectique NaK, constitué de 77 % de potassium et 23 % de sodium, mais qui est corrosif et très inflammable à l'air libre, surtout en présence d'humidité, ce qui en limite l'usage à des applications très particulières.
Les alliages spéciaux destinés à des applications de pointe, dits superalliages, comme ceux des moteurs à réaction, peuvent contenir plus d'une dizaine d'éléments différents. Les alliages à mémoire de forme sont un autre type d'applications : les alliages Fe-Mn-Si, Cu-Zn-Al et Cu-Al-Ni, par exemple, sont assez bon marché, mais il en existe une très grande variété.
Minerais
Les métaux présentent le plus souvent un état d'oxydation positif, c'est-à-dire qu'ils tendent naturellement à former des cations. Il existe cependant des anions métalliques, avec un état d'oxydation négatif, par exemple avec certains complexes carbonyles comme Fe(CO)5− ou avec l'anion de sodium Na−1.
Étymologiquement, un métal est une substance extraite d'une mine — μέταλλον en grec ancien. En pratique, les métaux sont généralement extraits sous forme de minerais contenant les éléments recherchés. Ces minerais peuvent chimiquement être de nature très diverse. Ce sont souvent des oxydes, comme la bauxite (minerai d'aluminium), l'ilménite (minerai de titane), l'hématite et la magnétite (minerais de fer), ou encore la pechblende (minerai d'uranium). Il peut également s'agir de sulfates, comme la chalcopyrite (minerai de cuivre), la sphalérite (minerai de zinc), la molybdénite (minerai de molybdène) ou encore le cinabre (minerai de mercure). Il existe par ailleurs des silicates, comme le béryl (minerai de béryllium), des carbonates comme la dolomite (minerai de magnésium), et bien d'autres types de composés.
- Quelques exemples de minerais métallifères
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Une fois extraits des mines, les minerais sont traités pour isoler le métal recherché, le plus souvent par réduction chimique ou électrolytique. La pyrométallurgie utilise des températures élevées pour convertir les minerais en métaux bruts, tandis que l'hydrométallurgie passe par au moins une étape où le métal est solvaté dans l'eau. Les méthodes employées dépendent des métaux et de leurs impuretés.
Lorsque le minerai est constitué d'un composé ionique du métal avec un non-métal, le minerai doit généralement être fondu, c'est-à-dire chauffé en présence d'un réducteur pour en extraire le métal pur. De nombreux métaux communs comme le fer sont fondus en présence de carbone comme réducteur. D'autres métaux, en revanche, ne peuvent être réduits de cette façon, et sont purifiés par électrolyse : c'est le cas de l'aluminium et du sodium notamment. Les sulfures ne sont pas réduits directement, mais sont d'abord grillés à l'air libre pour être préalablement convertis en oxydes, qui sont ensuite traités de manière classique.
Certains minerais sont des éléments natifs, les plus connus étant le cuivre natif, l'argent natif, l'or natif, voire le fer météorique, mais il en existe bien d'autres, plus rares, comme le fer natif, le nickel natif (dans des roches d'origine météoritique (nickel-fer)), le cadmium natif, l'indium natif, l'étain natif, l'antimoine natif, le tellure natif, le mercure natif, le plomb natif, le bismuth, par exemple. Ces minerais sont solides, à l'exception du mercure, qui se présente à l'état liquide au-dessus de −39 °C dans des poches généralement de petite taille ne dépassant quelques kilogrammes de métal et le plus souvent associées à des métaux nobles, avec lesquels il forme des amalgames. Les platinoïdes existent également sous forme minérale plus ou moins pure, comme le ruthénium natif, le rhodium natif, le palladium natif, l'osmium natif, l'iridium natif et le platine natif.
Applications
Certains métaux et alliages possèdent une résistance structurelle élevée par unité de masse, ce qui les rend utiles pour transporter des charges lourdes et résister à des chocs violents. Les alliages métalliques peuvent être conçus pour avoir une résistance élevée aux contraintes de cisaillement, de flexion et de déformation. Le même métal peut cependant être sujet à la fatigue à la suite de contraintes répétées ou d'un dépassement de la contrainte maximum. La résistance et la résilience des métaux a conduit à leur utilisation courante dans la construction des gratte-ciel et des ouvrages d'art ainsi que dans celle de tous types de véhicules, d'appareils et dispositifs, d'outils, de tuyaux, ou encore de voies ferrées.
Les deux métaux les plus utilisés, le fer et l'aluminium, sont également les plus abondants dans l'écorce terrestre. Le fer est le plus utilisé des deux : il est à la base de toutes les grandes constructions métalliques (poutre, rail, coque de navire). L'aluminium est presque toujours utilisé allié à d'autres métaux afin d'en améliorer les propriétés mécaniques, dans des applications tirant profit du fait qu'il est moins dense que le fer (2,70 g cm−3 contre 7,87 g cm−3) et meilleur conducteur électrique (3,50 × 107 S/m contre 107 S/m) ; l'aluminium est par exemple utilisé préférentiellement au cuivre dans les câbles électriques à haute tension aériens.
Le cuivre reste utilisé essentiellement pour ses bonne propriétés de conducteur de l'électricité dans les câbles électriques, et de conducteur thermique dans les ustensiles de cuisine. Les propriétés de conducteur de la chaleur font de certains métaux des matériaux intéressants pour réaliser des dissipateurs thermiques destinés à éviter les surchauffes. Les métaux les moins abondants sont utilisés dans des alliages (chrome, manganèse, titane), et les plus rares interviennent souvent comme catalyseurs (platinoïdes, notamment) et parfois comme placements financiers ou en joaillerie (métaux précieux). La réflectivité élevée de certains métaux, comme l'argent, en font des matériaux de choix pour la construction de miroirs, notamment ceux des télescopes. Elle est également à l'origine de l'attrait esthétique de certains métaux utilisés en joaillerie. L'uranium est un métal qui, après séparation isotopique, permet d'alimenter des réacteurs nucléaires pour libérer leur énergie par fission. D'autres métaux, trop réactifs à l'air et/ou à l'eau sont rarement utilisés à l'état métallique (sodium, potassium, calcium).
Dans un certain nombre de cas, les métaux tendent à être remplacés par d'autres matériaux, en général pour des raisons de légèreté (polymères, matériaux composites, céramiques) ou de résistance à la corrosion ou à l'usure (céramiques). Ces matériaux ont toutefois eux aussi leurs limites par rapport aux métaux, en particulier les polymères et composites à matrice polymère ne sont pas utilisables à hautes températures et sont souvent plus souples, tandis que les céramiques résistent mal aux chocs.
Les métaux peuvent être dopés avec des molécules étrangères, qui peuvent être organiques, minérales, biologiques, ou encore des polymères. Ces molécules confèrent au métal des propriétés nouvelles qui peuvent être mises à profit pour des applications aussi variées que les catalyseurs, la médecine, l'électrochimie et la résistance à la corrosion2.
Spécification chimique
Les différents états d'oxydation, conformations, complexes ou formes transitoires représentent des espèces chimiques distinctes d'un élément et jouent un rôle majeur dans l'élaboration, la corrosion, ainsi que sur leur biodisponibilité et leur toxicité ou écotoxicité. Certaines espèces d'éléments traces métalliques (ÉTM) sont plus facilement assimilables par les organismes que d'autres, ce qui engendre des effets bénéfiques ou néfastes selon la nature et la concentration du métal (élément essentiel ou non).
Il ne faut pas confondre la spéciation chimique d'un élément avec son fractionnement ou sa partition. La littérature scientifique confond quelquefois ces concepts ce qui complexifie les recherches dans ces domaines.
- spéciation chimique : c'est la distribution d'un élément selon différentes catégories d'espèces chimiques dans un système ;
- fractionnement : c'est la classification d'un élément ou d'un groupe analysé par rapport à ses propriétés physiques et/ou chimiques (grosseur de particules, solubilité, force de liaison, etc.) ;
- partition : répartition d'un composé dans les différentes phases d'un système (solide, liquide, atmosphère, matière organique, etc.) selon des coefficients de partition spécifiques3.
Cette section décrit donc les principales catégories d'espèces chimiques relatives aux ÉTM et présente des exemples d'espèces chimiques de niveau toxique varié4.
Oxydation et réduction
Comme indiqué précédemment, les métaux se trouvent en général naturellement dans des minerais ; ils sont à l'état oxydé. Par exemple, le fer se trouve à l'état Fe(III) dans l'hématite, à l'état Fe(II) et Fe(III) dans la magnétite, l'aluminium dans l'état Al(III) dans la bauxite… La métallurgie primaire consiste essentiellement en la réduction du minerai pour obtenir un état d'oxydation (0).
À l'inverse, en réagissant avec l'environnement, le métal va s'oxyder et se dissoudre dans l'eau ou bien se lier à d'autres atomes ou ions, en particulier l'oxygène et l'ion hydroxyle. C'est un des mécanismes principaux de la corrosion.
L'état d'oxydation des métaux dans un système influence leurs effets sur les organismes. Par exemple, le chrome(III) est un élément essentiel (c'est-à-dire nécessaire pour le bon fonctionnement de l'organisme) et pénètre difficilement les membranes lipidiques des cellules. En revanche, le Cr(VI), qui s'avère toxique pour certains gènes, est cancérigène et pénètre facilement dans les cellules grâce à des transporteurs spécifiques. Dans d'autres cas, ce sont les formes moins oxydées qui sont toxiques, par exemple avec l'arsenic dont la toxicité est plus importante pour As(III) que pour As(V).
Composition isotopique
La composition isotopique de quelques éléments influence leur abondance ou leur toxicité dans l'environnement. Par exemple, le plomb comporte une vingtaine d'isotopes dont quatre sont stables : 204Pb, 206Pb, 207Pb et 208Pb. Les 206Pb et 207Pb proviennent de la dégradation de l'uranium et le 208Pb résulte de la dégradation du thorium, deux éléments radioactifs ; ainsi, l'abondance de ces isotopes s’accroît dans le temps, et la composition isotopique du plomb évolue donc selon les sources d'émission stimulées. Un autre exemple intéressant de variation de la toxicité est lié à la composition isotopique de l'eau (H2O) : remplacer 60 % de l'eau du corps de rongeurs par de l'H218O est sans effet alors qu'une substitution de 30-40 % de cette eau par du D2O5 engendre la mort de ces animaux.
On peut chercher à trier les isotopes, par exemple pour enrichir la matière en isotopes radioactifs, comme dans le cas de l'enrichissement de l'uranium pour produire du combustible nucléaire. On peut à l'inverse chercher à appauvrir le métal, comme dans le cas des munitions à uranium appauvri.
Les isotopes métalliques sont utilisés comme traceurs pour les phénomènes de diffusion : on élabore un métal contenant une quantité notable d'isotope radioactif, et le profil de radioactivité permet de suivre la progression de ces atomes.
Composé et complexe inorganique
Les métaux s'allient souvent à des ligands inorganiques6 pour former des composés ou complexes inorganiques possédant des propriétés physico-chimiques différentes. Par exemple, la charge, la solubilité, le coefficient de diffusion ou la force de liaison de ces composés influencent le transport et par conséquent la biodisponibilité et la toxicité des métaux dans les organismes. Par exemple, certains sels de nickel comme les chlorures (NiCl2) et les sulfates (NiSO4) sont solubles dans l'eau et de faible toxicité orale, alors que les sulfures de nickel (Ni3S2) sont pratiquement insolubles dans l'eau mais sont cancérigènes.
Composé organique
Les composés organiques tel les sucres, acides organiques, lipides ou autres composés organiques de faible poids moléculaire ont des affinités plus ou moins importantes avec les métaux. Certains d'entre eux, des acides organiques comme l'acide citrique et l'acide malique, contiennent un groupement fonctionnel (l'hydroxylcarboxyle) qui se lie facilement aux métaux et qui diminuent leur biodisponibilité; ces composés sont très étudiés en écotoxicologie terrestre car ils sont excrétés par les racines des plantes et les micro-organismes du sol, créant une synergie qui diminue la toxicité des métaux dans le sol7.
Certains composés organiques particuliers que l'on nomme chélateurs, comme l'EDTA, forment des complexes très stables avec les métaux. Les chélateurs sont des ligands solubles polydentés faiblement acides qui forment des complexes chélateur-métal thermodynamiquement forts ; ils sont quelquefois utilisés pour la restauration des eaux et des sols contaminés aux métaux ou dans les méthodes analytiques chimiques pour extraire les métaux d'une matrice.
Composé organométallique
Les composés organométalliques contiennent une liaison entre le carbone et le métal. Cette liaison peut être de nature covalente ou ionique; par exemple, les liaisons carbone-sodium et carbone-potassium sont fortement ioniques, les liaisons carbone-étain, carbone-plomb et carbone-mercure sont fortement covalentes et les liens carbone-lithium et carbone magnésium se situent entre la liaison ionique et la liaison covalente8.
Par exemple, la bioalkylation, c'est-à-dire la formation d'un alkyle (CHx) avec un métal par des micro-organismes spécifiques, est un processus fréquent dans les sols et les sédiments. Or, bien que la méthylation des métaux (lien CH3-métal) forme des composés plutôt toxiques, certains alkyles métalliques d'arsenic et de sélénium détoxifient le métabolisme de l'humain et d'autres organismes vivants. Néanmoins, la plupart des produits organométalliques résultant d'une bioalkylation sont d'origine anthropogénique, comme certains fongicides ou produits de combustion d'essence, et sont très toxiques pour le système nerveux central de certains organismes (comme les dérivés d'alkyles d'étain, de plomb ou de mercure et d'or).
Composé ou complexe macromoléculaire
Les composés ou complexes macromoléculaires sont à la limite de représentation des espèces chimiques. Ils forment malgré tout une catégorie distincte car ils jouent un rôle particulièrement important dans la biodisponibilité des métaux pour les organismes vivants. En effet, les acides humiques et fulviques résultant de la biodégradation de la matière organique sont des anions mobilisant les ÉTM contenus dans les sols et dans les eaux. Les acides humiques et fulviques ont des structures et une composition très variables et complexes mais joueraient un rôle significatif sur la spéciation des métaux.
D'autres particules organiques et inorganiques tels la biomasse et les colloïdes adsorbent les métaux et diminuent ainsi leur toxicité en réduisant leur biodisponibilité. Par contre, d'autres macromolécules anioniques des organismes vivants, comme certains acides nucléiques ou les glycosaminoglycanes, se lient involontairement aux ÉTM et provoquent des mutagenèses dommageables pour l'organisme.
Paramètres influençant la spéciation des métaux
La spéciation des métaux dans les phases aqueuses et solides est influencée par plusieurs paramètres (Voir aussi section Environnement de cette page) :
- le pH : en général, un pH acide tend à solubiliser les métaux alors qu'un pH alcalin favorise leur adsorption ;
- la matière organique : la matière organique adsorbe les métaux et est synonyme de stabilité (non biodisponibilité) ;
- la concentration des ligands : plus la concentrations des ligants inorganiques et organiques est élevée, plus le métal se lie à ce ligand et forme une espèce chimique populeuse ;
- la force du lien ionique ou covalent : plus le lien métal-composé est fort, plus l'espèce chimique associée à ce composé sera stable ;
- la stœchiométrie : les principes stœchiométriques doivent évidemment être respectés pour engendrer la formation des composés.
Cette spéciation implique que l'équilibre chimique est atteint. Or, la complexation des métaux avec les ligands inorganiques est très rapide car ils sont nombreux dans la phase aqueuse, mais la complexation des métaux avec les ligands organiques nécessite plus de temps car les sites d'adsorption ou d'attachement sont moins accessibles. Par conséquent, il est préférable d'analyser la spéciation d'une contamination métallique sur une matrice contaminée stable depuis plusieurs années qu'une matrice fraîchement contaminée avec une dynamique chimique évolutive, sans quoi les analyses risquent d'être biaisées.
De plus, la constante d'équilibre relative à la notion d'équilibre chimique peut être illustrée par la réaction :
Métaln+ + Ligandn− → Métal-Ligand
La constante d'équilibre Kéq associée à cette équation varie selon le type de lien :
- Lien ionique: ~ 100 < Kéq < 104
- Complexe: ~ 104 < Kéq < 108
- Chélateur: ~ 108 < Kéq < 1020
Ainsi, puisque Kéq est relativement faible pour les paires ioniques et plus élevée pour les complexes, les métaux préfèrent s'associer à long terme aux complexes stables qu'aux paires ioniques de plus faible énergie de liaison.
Économie et géopolitique
Raréfaction des ressources
Le développement de nombreuses industries telles que l'électronique, les technologies de l'information et de la communication, et l'aéronautique, et le pari du « tout technologique » dans la recherche du rendement et de l'efficacité, ont conduit à une augmentation sans précédent de la production et de la consommation de métaux. La période de croissance de 1990 à 2010 a conduit à un doublement de la production des principaux métaux. Alors que dans les années 1970, on utilisait moins de 20 métaux dans la table de Mendeleïev, on en consomme environ 60 depuis les années 20009.
Il y a une tendance à la baisse de concentration moyenne des minerais. Par exemple, la concentration moyenne des minerais de cuivre exploités est passée de 1,8 % dans les années 1930 à 0,8 % en 201010. Parallèlement, les réserves, exprimées au niveau de production 2008, se situent pour la plupart des métaux entre 20 et 100 ans de production annuelle11.
Géopolitique
Depuis très longtemps les mines de certains métaux (précieux ou communs mais indispensables à l'industrie), les installations de raffinage, voire certains secrets de fabrication étaient considérés comme d'intérêt stratégique par les États. Les raisons militaires et l'avènement des armes et munitions métalliques puis de l'énergie et de l'arme nucléaire ont accru l'importance de certains métaux. Même pour des métaux géologiquement non rares comme le cuivre, mais faisant l'objet d'un marché fluctuant, de fortes hausses de cuivre se traduisent aussi par l'accroissement de vols de métaux (à titre d'exemple, en France, en 2010, RFF et la SNCF ont subi 2 100 vols de cuivre (quatre fois plus qu'en 2009) qui ont causé des dysfonctionnements et plusieurs dizaines de millions d'euros de préjudice par an pour la SNCF12.
La consommation de certains métaux autrefois sans valeur s'est fortement accrue au XXe siècle, avec par exemple l'uranium (fortement demandé pour des usages militaires et civils), les métaux du groupe du platine (principalement utilisés pour les pots d'échappements catalytiques, comme catalyseur industriel ou pour les chimiothérapies anticancéreuses) la surexploitation des ressources minières les plus accessibles ou les plus « pures » et malgré les économies permises par un recyclage d'une partie des métaux constituant les produits en fin de vie ou les chutes de production, la notion de métaux stratégiques est encore prégnante. Ainsi, la France a créé13 en 2011 un « Comité pour les métaux stratégiques », chargé d'aider le ministère à élaborer et mettre en œuvre une politique rénovée de gestion de ces métaux, via notamment des approvisionnements mieux sécurisés. Le ministre chargé des matières premières en préside les trois collèges (administrations, organismes techniques et fédérations professionnelles et industriels). La FEDEREC (fédération des entreprises du recyclage) et la FEDEM (fédération des minerais, minéraux industriels et métaux non ferreux) y participent.
Environnement
Contrairement aux composés organiques, les métaux ne sont pas biodégradables par les micro-organismes. Cette caractéristique engendre certains problèmes de gestion de la contamination métallique. En effet, le sort des métaux dans l’environnement pose de grands défis analytiques ; les métaux se retrouvent sous plusieurs formes dans le sol et dans l'eau (complexe avec la matière organique du sol, avec les minéraux, précipitation, ions libres, etc.) complexifiant les prédictions de toxicité et d'écotoxicité14,15.
Toxicité et écotoxicité terrestre
La toxicité et l'écotoxicité des métaux dans les sols sont étroitement liées à leurs caractéristiques propres (radioactivité éventuelle et type de radioactivité, métal lourd, toxicité chimique, micro ou nanoparticules, etc.), spéciation chimique et biodisponibilité ; plus l'espèce métallique est libre et mobile, plus elle est biodisponible et plus il y a un risque de toxicité sur les organismes vivants. En général, les ions métalliques libres (en solution) constituent la forme chimique la plus disponible pour les organismes et donc la plus susceptible d'être toxique. Cependant, d'autres espèces ou fractions de métaux peuvent être instables et mobiles (fraction labile ou liée aux oxydes libres par exemple) et engendrer un risque pour les organismes.
Certains métaux (fer, cuivre et zinc notamment) sont des éléments essentiels. Ils sont toxiques au-delà d'une certaine dose, mais une carence entraîne des troubles métaboliques graves.
Ainsi, plusieurs paramètres influencent la toxicité des métaux dans les sols16,17:
- le pH : généralement, un pH acide solubilise les métaux normalement immobiles et augmente donc le risque de toxicité ;
- la composition du sol : les argiles et la matière organique du sol adsorbent les contaminants et les séquestrent sous forme de complexes stables faiblement mobiles, alors que les particules plus grosses comme le sable ou le gravier retiennent moins les métaux du sol ;
- le temps passé après une contamination aiguë, ou le temps durant lequel une contamination chronique a eu lieu : un site fraîchement contaminé ne présente pas nécessairement plus de toxicité qu'un site ayant subi une contamination diffuse mais étalée sur plusieurs années ou décennies ;
- le niveau de saturation des sites d'adsorption : plus les sites sont capables de fixer, les métaux approchent leur niveau de saturation, plus le métal aura tendance à se solubiliser ou se rendre biodisponible.
Empreinte énergétique
Pour aller de la mine à un objet façonné, il faut passer par de nombreuses étapes et utiliser beaucoup d'équipements qui consomment de l'énergie. Les métaux étant pratiquement tous sous forme d'oxydes ou de sulfures dans la nature, il faut, pour les obtenir sous forme métallique, fournir l'énergie nécessaire à casser les liaisons chimiques correspondantes.
L'empreinte énergétique d'un métal est la quantité d'énergie nécessaire pour obtenir du métal pur. Dans ce qui suit, la quantité d'énergie est mesurée en tep (tonne équivalent pétrole), pour une tonne de métal pur.
Pour obtenir l'énergie « contenue » dans un métal « neuf », issu de la première transformation du minerai, il faut prendre en compte :
- l'énergie d'extraction du minerai ;
- l'énergie des traitements pré-métallurgiques (minéralurgie) ;
- l'énergie de la métallurgie d'élaboration ;
- l'énergie de la première transformation (fonte et affinage) ;
- l'énergie du transport éventuel entre les différentes étapes18.
- Énergie des métaux donnée par différentes sources
(en tep — tonne d'équivalent pétrole — par tonne de métal brut)
| Métal | Norgate et Rankine
(2002) | J.C. Prevot (*)
(2005) | ADEME (**)
(2006) | BRGM
(2007) | R.U. Ayres (*)
(2002) |
|---|
| Titane |
|
10,5-13,6 |
|
9,9 |
|
| Magnésium |
|
10,0-10,2 |
|
8,6 |
|
| Aluminium |
5,0 |
6,4-7,4 |
3,8 |
5,8 |
2,5 (***) |
| Étain |
|
|
|
4,6 |
|
| Nickel |
2,7-4,6 |
|
3,3 |
|
|
| Cuivre |
0,8-1,5 |
2,4-3,6 |
1,0 |
1,9 |
1,1-1,5 (***) |
| Zinc |
0,9-1,1 |
1,7-1,9 |
1,0 |
1,6 |
1,5 (***) |
| Acier |
0,5 |
0,8-1,4 |
0,4 |
0,8 |
|
| Plomb |
0,5-0,8 |
0,8-1,1 |
0,8 |
0,5 |
0,7 (***) |
(*) Source en MJ / kg et 1 MJ = 2,38 × 10−5 tep.
(**) Source en tec (tonne équivalent carbone) ; conversion utilisée : 1 tec = 1,3 tep (valeur moyenne européenne).
(***) Énergie injectée dans les procédés uniquement : hors énergie d'extraction, des intrants (acides, solvants, etc.), de transport.
La consommation énergétique totale pour la production de métaux bruts est alors de 730 à 1 070 Mtep, soit 7 à 10 % de l'énergie primaire mondiale. L'acier et l'aluminium en représentent la plus grande part, soit respectivement 544-680 Mtep et 147-288 Mtep19.
- Impact du recyclage
Les grands métaux sont globalement recyclables, et l'énergie nécessaire au recyclage est bien moindre que l'énergie nécessaire à la fabrication du métal neuf. Par exemple, pour l'acier, l'énergie nécessaire au recyclage représente 25 à 40 % de l'énergie nécessaire à la production du métal primaire. Le recyclage de l'aluminium ne nécessite quant à lui que 4 à 5 % de l'énergie requise pour la production de l'aluminium primaire20.
Astronomie
Planétologie
En planétologie, les métaux sont les matériaux les plus « lourds », comme le fer ou le nickel, qui composent le cœur des planètes rocheuses. C'est la catégorie des matériaux les plus lourds à côté des « gaz » (hydrogène, hélium), des « glaces » (composés contenant du carbone, de l'azote et/ou de l'oxygène, comme l'eau, le méthane et l'ammoniac) et des « roches » (silicates).
Cosmologie
En cosmologie, on appelle métaux tous les éléments autres que l'hydrogène et l'hélium. La teneur en ces « métaux » s'appelle en conséquence la métallicité, notée Z (X et Y représentant respectivement la proportion d'hydrogène et d'hélium).
Notes et références
- (en) James L. Dye, « Alkali metal anions. An unusual oxidation state », J. Chem. Educ., vol. 54, no 6, , p. 332
- (en) David Avnir, « Molecularly Doped Metals », Accounts of Chemical Research, vol. 47, no 2, , p. 579-592 (PMID 24283194, DOI 10.1021/ar4001982, lire en ligne [archive])
- C.H. Walker, S.P. Hopkin et al., Principles of Ecotoxicology, Boca Raton: CRC PRESS, Taylor and Francis Group, , 315 p.
- D.M. Templeton, F. Ariese et al., « Guidelines for Terms related to Chemical Speciation and Fractionation of Elements. Definitions, Structural Aspects, and Methodological Approaches », Pure Applied Chemistry, vol. 72, no 8, , p. 1453-1470
- Le deutérium est un isotope de l'hydrogène
- Sans atome de carbone
- S. Sauvé et D.R. Parker, « 14: Chemical Speciation of Trace Elements in Soil Solution », dans Chemical Process in Soils, vol. 8, Madison, Soil Science Society of America, , p. 655-688
- G. Solomons et C. Fryhle, Chimie organique [« Organic Chemistry (John Wiley & Sons, Inc.) »], Mont-Royal, Modulo Éditeur, , p. 483-484
- BG 2010, p. 24-25
- BG 2010, p. 29
- BG 2010, p. 39
- « Vols de cuivre » [archive], sur Environnement-online,
- décret annoncé par le ministre chargé de l'énergie le 26 janvier 2011
- Y. Ge, P. Murray et W.H. Hendershot, « Trace Metal Speciation and Bioavailability in Urban Soils », Environmental Pollution, vol. 107, no 1, , p. 137-144
- B. Cances, M. Ponthieu et al., « Metal Ions Speciation in a Soil and its Solution : Experimental Data and Model Results », Geoderma, vol. 113, nos 3-4, , p. 341-355
- R. Naidu, V.V.S.R. Gupta et al., Bioavailability, Toxicity and Risk Relationships in Ecosystems, Endfield: Science Publishers, Inc., , p. 58-82
- L. L'Herroux, S. Le Roux et al., « Behavior of Metals following Intensive Pig Slurry Applications to a Natural Field Treatment Process in Brittany », Environmental Pollution, vol. 97, nos 1-2, , p. 119-130
- BG 2010, p. 81-83
- BG 2010, p. 84-87
Voir aussi
Sur les autres projets Wikimedia :
Bibliographie
: document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.
- Philippe Bihouix et Benoît De Guillebon, Quel futur pour les métaux ? : Raréfaction des ressources : un nouveau défi pour la société, EDP Sciences,
- Claude Birraux et Christian Kert, députés, Rapport sur les enjeux des métaux stratégiques : le cas des terres rares, Compte rendu de l'audition publique du et de la présentation des conclusions, le .
- Christophe Bouillon et M. Michel Havard, Rapport d’information sur la gestion durable des matières premières minérales, Assemblée Nationale, , 146 p.
- Pierre-Noël Giraud et Thimothée Ollivier, Économie des matières premières, La découverte, 2015
- Michel Jebrak, Quels métaux pour demain, Dunod, 2015
- Bernadette Mérenne-Schoumaker et Claire Levasseur, Atlas mondial des matières premières : des besoins croissants, des ressources limitées, Autrement, 2015
- Philippe Chalmin, Cyclope : Les marchés mondiaux 2017, Economica, 2017 (édition annuelle)
- Guillaume Pitron, La guerre des métaux rares : La face cachée de la transition énergétique et numérique, Les liens qui libèrent,
Articles connexes
Liens externes
-
- [PDF] Rapport de la Commission européenne au Parlement européen, au Conseil, au Comité économique et social européen et au Comité des régions, sur la mise en œuvre de l’initiative « Matières premières » [archive]
- (fr) Minéralinfo, le portail français des matières premières minérales primaires et secondaires non énergétiques [archive]
- (fr) Base de données [archive] de la Société française de chimie (SFC)
- (fr) ADEME, Étude du potentiel de recyclage de certains métaux rares [archive]
- (fr) Animation, applications et recherches liées au point de vue quantique sur les métaux [archive] (Université Paris Sud)
- (fr) Les métaux dans la vie quotidienne [archive] (Université de Lorraine)
- (en) UNEP (2011) Recycling Rates of Metals - A Status Report, A Report of the Working Group on the Global Metal Flows to the International Resource Panel, Graedel, T.E. ; Allwood, J. ; Birat, J.-P. ; Reck, B.K. ; Sibley, S.F. ; Sonnemann, G. ; Buchert, M. ; Hagelüken, C. [archive]
Parpaing
Les pierres A sont des carreaux ; les pierres B, des boutisses parpaignes ; les pierres C, des parpaings.
Un parpaing (du latin perpetaneus, « ininterrompu ») est à l'origine un élément de maçonnerie taillé qui présente deux faces lisses afin de réaliser en même temps les deux faces opposées d'un mur. L'expression « faire parpaing », « traverser le mur de part en part pour en assurer la solidité », vient de là1.
Le parpaing peut varier en taille, mais est généralement d'un ratio de 5:22.
Le terme s'emploie également comme adjectif (masculin : parpaing, féminin : parpaigne) comme dans « boutisse parpaigne ».
Par analogie, le mot fut employé dès le début du XXe siècle pour désigner le bloc de béton manufacturé que l'industrie produisait de plus en plus massivement à moindre coût.
Références
Voir aussi
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Articles connexes
Bibliographie
Brique (matériau)
Pour les articles homonymes, voir brique.
Le sol d'une allée en briques.
Une brique est un élément de construction généralement en forme de parallélépipède rectangle constitué de terre argileuse crue, séchée au soleil — brique crue — ou cuite au four, employée principalement dans la construction de murs.
Histoire
La brique émaillée était déjà connue dans la Mésopotamie antique.
Un fragment de brique à décor floral exposé au musée du Louvre, utilisé comme motif d'encadrement à l'
époque achéménide, vers la fin
VIe av. J.-C.
Basilique San Petronio (
Bologne), la plus grande église
gothique édifiée en brique au monde (volume de 258 000
m3 environ).
Le besoin de se protéger de façon durable des intempéries et des prédateurs impose à l'Homme de trouver des matériaux durs et résistants[Information douteuse][réf. nécessaire][Interprétation personnelle ?]. La pierre naturelle ou les troncs d'arbre peuvent remplir cet office dans les régions où ils peuvent être facilement prélevés. Dans les pays où la végétation est rare et notamment tous les pays méditerranéens, l'argile constitue l'un des premiers matériaux de construction utilisés1 : la brique est facilement réalisable à partir d'argile ou de terre crue, on a parlé au XIXe siècle de « terre franche ». Cette brique de terre crue d’autre part, abandonnée au feu, acquiert solidité et dureté. On lui enlève surtout l'inconvénient de se délayer dans l'eau. Ce progrès profite aux briques aussi bien qu'aux tuiles, aux carreaux et à la céramique en général. Un grand et nouveau progrès est encore réalisé le jour où l'on a su recouvrir cette terre qui reste poreuse et absorbante, d'une couche vitreuse imperméable, d'une glaçure. Ce progrès profite toutefois plus aux tuiles et à la poterie, qu'aux briques pour lesquelles son usage reste marginal2. La porte d'Ishtar dans l'actuel Irak, ou le palais de Darius Ier à Suze dans l'actuel Iran, montrent l'usage maitrisé des décors en brique de terre cuite émaillée et colorée, qu'avaient les Néo-Babyloniens en -580 et d'autre part les Achéménides vers -500. Au XVe siècle, le nord de l'Italie deviendra maître dans l'art de la décoration des habitations et monuments avec des frises, des guirlandes et des festons constitués tout de briques émaillées.
D'abord modelée, la brique apparaît entre le huitième et le septième millénaire av. J.-C., dans la région du Tigre et de l'Euphrate. Les premières maisons en brique ont été découvertes en Mésopotamie — actuel Irak — et l'on estime que l'usage de la brique s'étend rapidement dans tout le Moyen-Orient3.
La brique crue est simplement moulée puis séchée au soleil, pour la rendre plus résistante. Elle permet de monter des habitations ou des monuments comme la pyramide d'Amenemhat III, mais reste fragile et résiste mal aux intempéries.
Son utilisation se généralise au quatrième millénaire, avec l'invention et l'emploi du moule à briques aux dimensions normalisées, donnant naissance aux premières cités urbaines4.
La cuisson de la brique est expérimentée en 2500 av. J.-C., en Mésopotamie et dans la vallée de l'Indus5. La cuisson permet de réaliser des constructions plus imposantes. La brique de terre cuite constitue la première pierre artificielle ou « pierre factice », longtemps avant le béton de ciment.
La Rome antique met en œuvre les briques crues dans l’opus latericium, et les briques cuites dans l’opus testaceum. Les briques sont carrées et peuvent être fractionnées en éléments rectangulaires ou triangulaires.
Si en France, Paris, tirant parti du calcaire lutécien du Bassin parisien, demeure une ville de pierre, beaucoup de villes et pays où la pierre à bâtir est rare seront des villes de brique. Le gothique de brique est un style spécifique de l'architecture gothique en Europe du Nord, en particulier dans le nord de l'Allemagne et les régions autour de la mer Baltique qui ne disposent pas de ressources en pierre naturelle, construiront en utilisant essentiellement la brique. Les édifices gothiques de briques se trouvent en Biélorussie, Danemark, Estonie, Finlande, Allemagne, Lettonie, Lituanie, Pays-Bas, Pologne, Russie et Suède. À Londres, la pénurie en pierre de taille de qualité fait de celle-ci une ville de briques.
Lors de la Révolution industrielle, les briqueteries se regroupent et forment de véritables usines. Des fours à charbon permettent d'augmenter la capacité de production : des fours plus grands, plus efficaces (le four Hoffmann, où la production de brique se fait en continu, le four Bull, etc.) et de grandes cheminées de briques deviennent les éléments caractéristiques de ces briqueteries. En France, Toulouse et ses 170 briqueteries devient un important producteur de briques6. Aujourd'hui, les briqueteries ont pratiquement disparu en Europe.
En 1830, Auguste Virebent dépose le brevet d'invention d'un système de presse à briques. Ceci est un jalon de l'industrialisation de la brique. Il met au point aussi la « plinthotomie », invention fonctionnant comme un emporte-pièce, pour découper diverses formes dans de la glaise fraîche. Cette technique permet de s'affranchir des sculpteurs, et d'industrialiser la fabrication7.
L'après-guerre marque le remplacement progressif de la brique par le béton de ciment et l'acier.
À la fin du XXe siècle, les chocs pétroliers à répétition, la prise de conscience écologique consécutive au dérèglement climatique, conduisent l'industrie briquetière à des innovations majeures pour réduire la consommation énergétique et l'impact environnemental liés à la fabrication des produits. Ainsi :
- la récupération de l’air chaud lors du refroidissement des produits dans le four qui est redirigé vers les séchoirs, permet d’économiser près de la moitié de la consommation en énergie de ces derniers,
- l’utilisation de sources d’énergie alternatives : la biomasse (ex. : déchets de bois), le biogaz (issu de centre d’enfouissement) et l’énergie photovoltaïque ou éolienne en cours de développement permettent de réduire de moitié la consommation en énergie fossile de nombreuses usines,
- un suivi rigoureux du cycle de cuisson par voie informatique et la réalisation de bilans thermiques ont permis d’optimiser le processus.
Au niveau européen, l’énergie nécessaire à la fabrication des briques (1 m2 de mur) a ainsi diminué de 39 % entre 1990 et 20078. Enfin, dans les pays industrialisés, les coûts d’approvisionnement énergétique poussent certaines briqueteries à se diversifier dans la fabrication de briques en terre crue9,10.
Fabrication en terre crue
On retrouve la technique de brique crue en Lorraine où — dit un manuel de 1825 — on construisait aussi avec des briques desséchées au soleil et posées avec un mortier d'argile, l'exécution étant facile et peu coûteuse. « On labourait en plusieurs sens une portion de terre dont la surface est calculée en raison de la dimension du bâtiment à construire ; on battait avec une masse cette portion de terre et la forme en surface unie ; puis, avec des règles et un tranchant, on coupait cette terre battue en lignes droites, espacées de 8 à 9 pouces, et par d'autres transversales de quatre à cinq pouces de distance. Tous ces carreaux ainsi tracés présentaient un champ couvert de briques. On laissait cette terre bien sécher et prendre le plus de consistance possible, et, après un temps convenable, on enlevait chaque carreau qui présentait alors la forme d'une brique de deux pouces environ d'épaisseur. C'est avec de pareilles briques qu'on élevait un bâtiment, en posant chaque assise, à la manière ordinaire, sur un lit de la même terre délayée en consistance de mortier11. »
La technique prend le nom d'« adobe » sur les bords de la Méditerranée et par voie de colonisation en Amérique latine où elle est encore le patrimoine de beaucoup de familles pauvres, qui conservent cette tradition depuis des temps immémoriaux.
La terre crue est une alternative à une industrie briquetière énergivore. Les coûts d’approvisionnements énergétiques des fours à brique poussent d'ailleurs certaines briqueteries à une inévitable reconversion dans la fabrication de briques en terre crue9,10.
Fabrication en terre cuite
Méthode traditionnelle
Fabrication traditionnelle des briques en Côte-d'Ivoire.
Avant la mécanisation, les hommes arrachaient l'argile à l'aide de fers, à plat. Une fois l'argile extraite, un travail de broyage permettait d'affiner la matière première. Ensuite, l'ajout d'eau en grande quantité permettait d'obtenir une pâte homogène, à la plasticité voulue. Le pétrissage, autrefois au pied, et désormais avec de puissantes machines, permettait d'éliminer les derniers cailloux. Cette préparation de l'argile se terminait par une phase de pourrissage, durant laquelle la terre glaise se « reposait12 ».
Son façonnage se faisait dans un moule en bois dont les bords et le fond étaient ensablés afin que la glaise n'y adhère pas. Un morceau de glaise était placé dans le moule, puis aplani. La surface était égalisée et arasée de son excédent à l'aide d'un archet ou d'une plane humide (rasadou, rasador, en région toulousaine). Le tout était démoulé et déposé sur le sol, ou sur une grille pour une première phase de séchage. Une fois durcies, les briques étaient empilées en quinconce pour faciliter la circulation de l'air entre elles. Dans la région toulousaine, ces empilements de briques étaient nommés « châteaux » et étaient stockés sous un auvent entourant le four de la briqueterie.
La cuisson s'opérait quand le nombre de briques sèches était suffisant. Elles étaient alors empilées selon le même principe à l'intérieur du four, par une étroite ouverture verticale aménagée dans un des côtés. Des rainures horizontales recevaient une planche servant de support à l'ouvrier chargé de placer les briques jusqu'en haut du four. L'ouverture était ensuite obturée avec de la terre. Le feu était allumé dans le foyer situé en sous-sol du four, et entretenu pendant plusieurs jours, avec une surveillance constante.
Ce travail manuel a donné aux briques leur forme caractéristique. Aujourd'hui, ce travail est industrialisé et permet d'obtenir différents tailles de briques, parfaitement identiques. Un système de découpage automatique façonne des briques à partir de boudins de glaise. La brique subit ensuite une série de séchages qui éviteront les fissures et les éclats lors de la cuisson13.
Méthode moderne
Extrusion des briques à travers une filière.
La fabrication d'une brique moderne passe par les grandes étapes suivantes :
- extraction de l'argile rouge et de l'argile verte. On mélange environ 10 % d'argile verte avec 90 % d'argile rouge. La terre argileuse, généralement extraite à proximité de la briqueterie, ne peut pas inclure trop de sable ;
- broyage de la terre pour obtenir la granulométrie désirée ;
- humidification et mélange des divers types de terres ; ajout d'une faible quantité de lignosulfite, résidu de l'industrie du papier, dérivé de la lignine contenue dans les arbres ; le lignosulfite facilite l'extrusion ;
- extrusion au travers de filières correspondant à une forme donnée de brique ;
- coupage ;
- séchage dans un séchoir traditionnel ou moderne type ANJOU (durée entre vingt et cinquante heures) ;
- cuisson à environ 900 °C, pendant trente heures ;
- éventuellement rectification (fraisage des bords jointifs pour faciliter le montage).
Innovations et évolutions récentes
Route Päwesin-Riewend pavée de briques, dans le
Brandebourg (Allemagne).
Grâce à de récentes innovations, la brique retrouve – depuis peu – ses lettres de noblesse. (Auparavant, elle était boudée au profit du bloc de béton, parce qu'elle souffrait d'une image de matériau du pauvre.) En perte de vitesse, elle est ainsi passée, en l'espace de quinze ans, de 4 à plus de 20 % du marché des constructions neuves[réf. nécessaire].
La principale innovation est la brique dite « à joint mince ». Celle-ci a des dimensions très régulières (tolérance de l'ordre du millimètre) qui permettent de les monter très facilement. L'assemblage ne se fait plus à l'aide de mortier, mais avec un simple joint de colle spéciale.
La brique creuse peut être caractérisée par son effet de résonateur qui permet de diminuer l'influence acoustique, si cette dernière est proche de la fréquence de résonance proprement dite. C'est-à-dire que le matériau vibre sous une gamme de fréquence acoustique bien définie ; d’où une perte d’énergie liée à ce mouvement. L'isolation acoustique est d’autant meilleure que l’on se trouve proche de la fréquence de résonance. Pour fabriquer un matériau résonateur, on construit celui-ci avec des caractéristiques géométriques particulières. On peut disposer perpendiculairement des cols à des briques pleines ou des briques ayant des cavités. Le principal intérêt de ce système est le réglage assez simple de la fréquence de résonance puisque, pour le cas des briques percées, la fréquence de résonance est directement liée au diamètre et à la profondeur des canaux. De plus, avec un ajustement correct, on peut balayer une importante gamme de fréquences pour isoler convenablement. En effet, le principal problème de ces résonateurs est le spectre sonore réduit pour lequel il est destiné.
En France
La brique a une forme caractéristique de parallélépipède rectangle. Mais sa forme peut varier en fonction de son utilisation : plus ou moins épaisse, selon qu'elle sera utilisée pour un mur ou pour une toiture. De plus, la taille de la brique est adaptée à la prise d'une seule main, ni trop grosse et ni trop lourde, tandis que l'autre main manipulera le mortier. On distingue en Europe deux grands types de briques : celles issues de la brique romaine (briques foraines du Midi toulousain par exemple), plus grandes et plus plates, et celles appelées « briques du nord » (majoritaires en France). Une caractéristique fondamentale des « briques du nord » est que « la longueur (la panneresse) est deux fois égale à l'épaisseur (la boutisse), plus un joint14 ».
Une brique d'un mur d'une épaisseur de 38 cm pèse environ 20 kg et peut supporter 200 tonnes.
La brique Dufayel est de couleur crème.
La "Brique de sable" est une dénomination pour une brique de couleur allant du blanchâtre au jaune, ayant notamment servi à la construction de certains édifices gothiques en brique du nord de la France.
Dimensions des briques
Selon les régions et les époques, les briques traditionnelles ont des dimensions variables (sauf indication, les dimensions sont exprimées en cm dans l'ordre suivant : longueur × largeur × hauteur) :
- brique de Ninive : 52 × 27 × 15 ;
- brique de Toulouse (appelée également « brique foraine ») : 42 × 28 × 4,5 ;
- brique de Bourgogne : 22 × 11 × 6 (c'est un arrondi dans le système métrique de 8 × 4 × 2 pouces) ;
- brique de Paris : 21,5 × 11 × 5,5 (c'est un arrondi dans le système métrique de 8 × 4 × 2 pouces). Selon qu'on considère ou non l'épaisseur du joint, ces dimensions peuvent être 21,5 × 10,3 × 6,5 cm
- brique de Rome : 38 × 15 × 10 ;
- brique Saint-Bernard : 33 × 16,26 × 8,13 (c'est un arrondi dans le système métrique de 1 × 1/2 × 1/4 pied) ;
- brique de Leers : 22 × 10,5 × 6 (ou 5 et 4).
Appareils
La « brique du nord » pleine, par la régularité de ses dimensions, se prête à des dispositions variées :
- l'appareil en panneresses n'a qu'une brique d'épaisseur, il convient aux cloisons ;
- l'appareil à la française : alternance de lits de briques identiques deux à deux, un lit de boutisses et un lit de panneresses ;
- l'appareil à l'anglaise, les lits : alternance de boutisses et de panneresses ;
- l'appareil des moines, les lits : alternance d'une boutisse et de deux panneresses ;
- etc.
En revanche, de par leur format et leur forme plate, les briques issues de la brique romaine se prêtent mal à ces jeux d'appareil.
Typologie des briques
On distingue différents types de briques.
Brique crue
- La brique crue : constituée de terre crue et fibrée de paille, de lin, de crin,elle peut prendre aussi le nom d'adobe, de banco, etc.
- L'adobe.
- La brique de terre compressée.
- L'opus latericium (appareil en briques crues), mode de construction romain entièrement en briques crues.
- La latérite : terme attribué à Francis Buchanan-Hamilton (1807) pour décrire un matériau argileux servant à la construction, exploité dans les régions montagneuses de Malabar en Inde. Ce matériau y présente l'aspect d'un dépôt ferruginisé situé à faible profondeur dans le sol. Lorsqu'il est frais, il peut être facilement découpé en blocs réguliers à l'aide d'un instrument tranchant. Exposé à l'air, il durcit rapidement et résiste alors remarquablement aux agents météorologiques. Il en résulte son emploi comme matériau de construction comparable à celui des briques.
Brique cuite
- La brique cuite pleine, matériau traditionnel très ancien, avec une variante appelée brique pleine perforée (les perforations sont perpendiculaires au plan de pose de manière à ne pas diminuer sa résistance à la pression),
- la brique cuite creuse, inventée au XIXe siècle, plus légère (et donc moins coûteuse à transporter) et plus isolante, est devenue la plus utilisée, Ses perforations sont parallèles au plan de pose.
La brique pleine peut être laissée apparente, ou être employée comme matériau de parement, tandis que la brique creuse, qui présente l'avantage d'être plus légère et plus isolante, est généralement en contre-façade et éventuellement enduite.
La ville de Toulouse doit son surnom de « ville rose » à l'utilisation de la brique apparente, dans la plupart de ses constructions. Le monument de briques le plus remarquable de France est la cathédrale Sainte-Cécile d'Albi (Tarn). Voir aussi la cathédrale de la Résurrection d'Évry.
En Allemagne, en Angleterre, en Belgique, en Écosse, aux Pays-Bas, dans les régions autour de la mer Baltique, ainsi que dans le Nord de la France, à partir des années 1930, la brique est employée en parement dans la technique du mur creux15.
- L'opus testaceum (de testaceus, en « terre cuite ») est un appareil de construction romain entièrement en briques cuites.
Brique de divers matériaux
Brique en fonction de ses propriétés
- La brique légère et isolante qui flotte sur l'eau (citée par Strabon, Pline et plusieurs autres auteurs anciens qui évoquent des « terres légères » exploitées à Pitane) et en Asie ou encore en Espagne (à Calento) ou des terres dites « farines fossiles » utilisées en Grèce et en Toscane. Le savant italien Fabroni a utilisé une terre silico-magnésienne sans consistance mais qui mélangée à un vingtième environ d'argile plastique produisait des briques aussi résistantes que des briques ordinaires, mais très poreuses, conduisant mal la chaleur ou le froid et flottant sur l'eau16.
- La brique non gélive, brique qui ne se dégrade pas par l'effet du givre.
- La brique réfractaire, pour la construction des fours, chaudières, foyers, cheminées, etc.
- Les briques creuses à petits alvéoles verticaux (comme Monomur©17), désormais devenues le principal produit des briquetiers français[réf. nécessaire], permettent, lorsque l'épaisseur du mur est suffisante, de se passer de toute isolation supplémentaire sous un climat tempéré européen.[réf. souhaitée] Elles font de plus bénéficier les occupants de l'habitation de leur forte inertie thermique (conservation de la fraîcheur en été, de la chaleur en hiver) et des qualités propres à la terre cuite (régulation d'humidité, absence de fibres ou de produits chimiques…). Et à l'encontre de l'idée reçue selon laquelle une brique est fragile, certaines briques modernes sont appropriées pour la construction aux normes anti-sismiques.
Des briques de formes variées permettent de construire une maison quasiment entièrement en briques. Murs, planchers, linteaux, cheminées, cloisons (coupe-feu, coupe-bruit…) peuvent être faits en brique, seules les fondations sont coulées et la toiture en bois et tuiles et les ouvertures en bois ou verre.
Économie
Le métier de la fabrication de briques reste largement local (compte tenu de son poids, le transport de la brique sur longue distance n'est pas rentable) et souvent artisanal.
Le leader mondial de la fabrication des briques est la société autrichienne Wienerberger, qui possédait en 2008 deux cents sites de production dans vingt-six pays18.[Passage à actualiser]
Illustrations
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La polychromie peut jouer un rôle esthétique important.
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Route de brique, Klein Behnitz (district de Nauen, Brandenburg, Allemagne).
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Détail de l'appareil (district de Nauen, Brandenburg, Allemagne).
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La brique peut être émaillée, colorée et moulée de manières variées, ce qui en fait un matériau de construction et de décoration facile à mettre en œuvre et souvent moins coûteux que la pierre.
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Maison construite en briques, à Carling.
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Hôtel du Vieux Raisin à Toulouse (XVIe siècle). La pierre est utilisée en complément pour les décorations des fenêtres.
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Vocabulaire
- Briqueter : contrefaire la brique sur le plâtre avec une impression de couleur d'ocre rouge, et y marquer les joints avec un crochet, ou bien en détrempant de l'ocre avec le plâtre, tirer les joints au crochet et les remplir en plâtre blanc19
Notes et références
- Jean-Pierre Adam, La Construction romaine. Matériaux et techniques, Grands manuels picards, 2011, 6e édition, 367 p. (ISBN 9782708408982).
- Louis Alphonse Salvétat, Leçons de céramique professées à l'École centrale des arts et manufactures, ou Technologie céramique : comprenant les notions de chimie, de technologie et de pyrotechnie, applicables à la fabrication, à la synthèse, à l'analyse à la décoration des poteries, Mallet-Bachelier, 1857, 458 p.. Consulter en ligne [archive].
- Sandrine Banessy et Jean-Jacques Germain, La Brique. L'or rouge du Midi Toulousain, Tourisme Médias Éditions, 2004 (ISBN 2-915188-04-1), p. 12-13.
- Philippe Roi et Tristan Girard, « Le moule à briques normalisé et la main », La Théorie sensorielle, vol. 1 : Les Analogies sensorielles, First Edition Design Publishing, 2013, 330 p. (ISBN 978-1-622874-85-9), p. 45-53.
- Sandrine Banessy et Jean-Jacques Germain, La Brique. L'or rouge du Midi Toulousain, p. 53.
- Sandrine Banessy et Jean-Jacques Germain, La Brique, l'or rouge du Midi Toulousain, p. 63.
- « La dynastie Virebent » [archive], mairie de Launaguet (consulté le ).
- Transfert de technologies écologiquement rationnelles : études de cas extraites du portefeuille de projets du FEM sur le changement climatique, Global Environment Facility, 15 novembre 2012. Des fours à brique haut rendement énergétique pour le Bangladesh. Consulter en ligne [archive].
- Fermeture d'une briqueterie sur le site « Belgique : la briqueterie Wienerberger de Wanlin ferme » [archive], lesarchivesdelaterrecuite.blogspot.com (consulté le 24 mai 2019).
- « La briqueterie de Wanlin revit, sous le nom d’Argibat » [archive], www.lalibre.be (consulté le 24 mai 2019).
- A. Sénac et J. J. Jung, Bulletin des sciences agricoles et économiques, quatrième section du Bulletin universel des sciences et de l'industrie, vol. 3 1825, (consulter en ligne [archive].
- Sandrine Banessy et Jean-Jacques Germain, La Brique. L'or rouge du Midi toulousain, p. 48-50.
- Sandrine Banessy et Jean-Jacques Germain, La Brique. L'or rouge du Midi Toulousain, p. 52.
- Sandrine Banessy et Jean-Jacques Germain, La Brique. L'or rouge du Midi Toulousain, p. 51.
- André Bergeron, Rénovation des bâtiments, ouvrage réalisé sous la responsabilité du Cegep du Vieux Montréal, Presses de l'Université Laval, 2000. Consulter en ligne [archive].
- Bulletin de la Société de l'industrie minérale [archive], Dunod, juillet-septembre 1856 (consulté le 24 mai 2019).
- Marque déposée de la Fédération française des tuiles et briques.
- Les Échos, 13 novembre 2008, p. 21.
- Sandrine Banessy et Jean-Jacques Germain, La Brique. L'or rouge du Midi Toulousain, p. 14.
Bibliographie
- Philippe Araguas, Brique et architecture dans l'Espagne médiévale, Madrid, Bibliothèque de la Casa de Velazquez, 2, .
- Daniel Baduel, Briqueteries et tuileries disparues du Val-d'Oise, Saint-Martin-du-Tertre, Office de tourisme., , 298 p. (ISBN 2-9515713-1-3)
- Sandrine Banessy et Jean-Jacques Germain, La Brique. L'or rouge du Midi toulousain, Toulouse, Tourisme Médias Éditions, , 96 p. (ISBN 978-2-915188-04-2 et 2-915188-04-1).
- James W. Campbell et Will Pryce, L'Art et l'Histoire de la brique. Bâtiments privés et publics du monde entier, Paris, Citadelles & Mazenod, (ISBN 978-2-85088-208-1 et 2-85088-208-9).
- Pierre Chabat, La Brique et la Terre cuite, Paris, .
- Thomas Coomans et Harry van Royen, Medieval Brick Architecture in Flanders and Northern Europe, Coxyde, Ten Duinen, Novii Monasterii, 7, .
- M. Kornmann et CTTB, Matériaux de construction en terre cuite, fabrication et propriétés, Paris, Septima, , 275 p. (ISBN 978-2-904845-32-1 et 2-904845-32-1).
- J.-M. Morisot, Tableaux détaillés des prix de tous les ouvrages du bâtiment, Carilian, (lire en ligne [archive]).
- (en) Andrew Plumridge et Wim Meulenkamp, Brickwork : Architecture and Design, Londres, Seven Dials, , 224 p., poche (ISBN 978-1-84188-039-6 et 1-84188-039-6).
- Martin Sauvage, La Brique et sa mise en œuvre en Mésopotamie. Des origines à l’époque Achéménide, Paris, Éditions recherches sur les civilisations, , 482 p. (ISBN 2-86538-272-9).
- Série Studien zur Backsteinarchitektur, Berlin, Éditions E. Badstübner et D. Schumann, 7 vol., depuis 1997.
- Série Berliner Beiträge zur Bauforschung und Denkmalpflege, Petersberg, Éditions J. Cramer et D. Sack, 5 vol., depuis 2004.
Voir aussi
Articles connexes
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Tuile
Toiture de tuiles (et tuiles d'about) dans un hutong, Chine
Une tuile Écouter est un élément de construction utilisé dans le bâtiment comme pièce de couverture de bâtiment et de chaperon de mur. Ce terme dérive du mot latin tegere qui signifie « couvrir ». La forme tuile est due à la métathèse du i de tuile. Le terme toit a la même origine1. Les tuiles sont généralement fabriquées dans des tuileries.
Les tuiles sont le plus souvent en terre cuite, quelquefois en béton de ciment voire autrefois en pierre (dans la Grèce antique, des temples furent couverts de tuiles en marbre, inventées selon Pausanias par un certain Byzès de Naxos, qui le premier tailla le marbre en forme de tuile2). Des tuiles de bronze doré couvraient la coupole et le fronton du Panthéon (Ier siècle av. J.-C.), aujourd'hui remplacées par des tuiles en terre cuite3.
Il existe plusieurs types de tuiles, décrits ci-après. Les régions où l'argile est abondante en utilisent le plus (en plaine, à moins de 500 mètres d'altitude en général). Elles sont assez lourdes pour ne pas s'envoler facilement sur des pentes de toit faibles et peuvent être clouées ou fixées par crochets ou des vis sur des toits pentus. Seule la tuile plate mince fixée est facilement utilisée jusqu'à la verticale. Depuis peu apparaissent des tuiles solaires captant la chaleur ou produisant de l'électricité photovoltaïque.
Différents types de tuiles
Il y a la tuile plate, la tuile canal, la tuile panne, la tuile à emboîtement, et la tuile en bois.
Tuile plate
Tuiles alsaciennes dites Biberschwanz (« queue de castor »)
La tuile plate de forme rectangulaire, garnie au dos d'un ergot permettant de l'accrocher aux liteaux, est la tuile historique du Bassin parisien, conçue pour des toits dont la pente fait 45° voire un peu plus, de même que l'ardoise qui la remplace dans les régions où existent des gisements (Bretagne, Maine, Anjou, Ardennes, Massif Central, ainsi que certaines régions pyrénéennes). Elle est présente sur la majeure partie du territoire français, y compris dans le Sud-Ouest (Périgord, Quercy et jusqu'en Béarn), hormis les zones de plaine où prédomine l'architecture de tradition méditerranéenne.
Elle survit à Paris même sur les plus anciennes constructions restées intactes au centre des anciens villages absorbés par la ville, comme le village de Vaugirard au cœur du 15e arrondissement.
Cette tuile est fréquemment appelée « tuile bourguignonne » ou « tuile de Bourgogne », bien qu'elle ne soit aucunement spécifique à cette région et ne soit pas présente dans la totalité de celle-ci (à partir de Tournus en Saône-et-Loire apparaissent les tuiles canal et les toits à faible pente). En fait, la particularité bourguignonne réside dans l'utilisation, sur des bâtiments de prestige (églises, châteaux), de tuiles plates vernissées de différentes couleurs, appareillées de façon à produire des motifs géométriques variés, tels qu'on peut les admirer sur les toits des hospices de Beaune, de la cathédrale de Langres,…
La même tuile est également présente dans la plus grande partie de l'Angleterre (sauf, là encore, là où elle est concurrencée par l'ardoise), qui l'a transmise jusqu'aux États-Unis et en Australie.
Dans l'Est de la France, en Franche-Comté et particulièrement en Alsace, apparaît une variante généralement de plus grand format et de proportions plus oblongues, caractérisée par son côté inférieur arrondi (raison pour laquelle on parle alors de « tuiles en écailles » ou de Bieberschwanz (« queue de castor' »). Celle-ci domine également dans toute l'Allemagne centrale et du Sud, ainsi qu'en Suisse et dans pratiquement toute l'Europe centrale.
L´avantage de cette tuile, c´est que la pose peut se faire de plusieurs manières différentes :
1. La pose « simple » : les tuiles sont posées côte à côte, les jointures alignées dans le sens vertical. L'étanchéité du joint entre deux tuiles est assurée par une étroite et mince languette de châtaignier, l'échandole ou « Schendel ». Elle était utilisé de préférence pour couvrir les toits des granges et des dépendances (les surfaces non-habitées).
2. La pose « double » : Les tuiles se recouvrent de moitié en hauteur grâce à l´arrondi de la tuile, et les rangs sont également décalés de moitié latéralement, ainsi les interstices ou jointures des tuiles sont toujours recouvers par la tuile du dessus et dessous, on gagne ainsi en efficacité en supprimant le recours aux échandoles pour assurer l'étanchéité, une meilleure tenue au vent mais on augmente le poids, elle est souvent réservée pour la couverture de l'habitation principale (de la ferme).
3. La couverture « couronnée » ou à l'allemande : est une variante, plutôt rare, de la précédente : les lattes de toit étant plus espacées, le nez de la deuxième rangée de tuiles s'accroche non pas à la latte elle-même, mais aux talons des tuiles de la première rangée et ainsi de suite.
Tuile canal
Toit en tuile canal d'une bergerie située dans la commune de Bouyon (06)
Toit à Skanör en Suède, avec utilisation d'une tuile posée à l'envers sur les angles (construction de 1777)
Toit refait à neuf en tuiles romaines dans le nord de la Meuse
La tuile canal, appelée aussi tuile ronde, tuile creuse ou tuile méditerranéenne, très utilisée dans le sud de la France, s'inspire des formes et surtout de l'aspect, une fois posée, des tuiles romaines telles qu'on peut encore en voir sur les toitures des vieux quartiers des villes italiennes. Ces tuiles étaient de forme différente selon qu'il s'agissait de la tuile du dessous, plate avec deux bords latéraux relevés, ou de celle de dessus, de section semi-circulaire (tegula et imbrex).
Les tuiles canal, qui ont voisiné en France avec les tuiles romaines, étaient fabriquées moulées à partir d'un à-plat de terre de forme rectangulaire et ensuite coupées sur les bords au moulage ou bien à partir d'un trapèze de terre. Un ergot moulé en bout extrême pour accrochage à la volige ou ergot en bout correspondant au pureau (partie découverte) permettait l'accrochage sur les pentes assez fortes (à partir de 30°). Ces tuiles historiques étaient scellées avec des patins de mortier, au mortier de chaux dans certains cas de froidure de climat. La tuile canal ne supporte pas la neige qui s'insère, les forts vents qui font refluer l'eau dessous4.
La tuile canal historique a un profil de creux plutôt fort et même ogival, ou assez aplati selon la région qui va de la Vendée (où elles sont toutes scellées ( pour résister au vent qui les déplacerait et la pluie battante) à l'Alsace (petit module au Moyen Âge) et Lorraine en passant par l'Aquitaine et la Provence, on en trouve aussi en Champagne orientale (sur des bâtiments ruraux construits en profondeur et dont les toits étaient à faible pente). La tuile canal est essentiellement une tuile méridionale4.
La tuile de courant historique est plus large que la tuile de couvert. Elle est en général posée simplement sur un voligeage horizontal calée par des morceaux de tuile (casseaux) posés creux vers le bas ou bien calée par des lattes verticales. Les tuiles canal voisinent traditionnellement dans l'architecture de certaines régions (Périgord par exemple) en toiture à plusieurs pans avec des pans couverts avec des ardoises ou des lauzes. La tuile est posée ordinairement en alignement des rangs et plus rarement en quinconce de rangs avec ressaut entre les rangs permettant une pente plus forte sans glissement (le bas du creux de la tuile de courant supérieure reposant sur le haut du dos de la tuile de couverture elle-même au-dessus des bords jointifs des tuiles de courant inférieures). La tuile canal historique est posée par des maçons expérimentés (qui utilisent fortement le mortier et rendent la toiture en général assez lourde et avec un risque de glissement) ou des couvreurs qui utilisent plutôt des cales faites de morceaux. On utilise donc soit du mortier soit une chanlate bois suivant son métier pour la tuile d'égout. Un chéneau peut être disposé en imbrication sous la tuile d'égout (peu courant). La rive de toiture quelle que soit sa façon est protégée par des tuiles de couvert mises en couches (jusqu'à trois)4.
La tuile canal historique couvre des toitures rampantes (8 % de pente maximum), ou des terrasses non accessibles cachées ou non par des murs acrotères, le matériau étant de faible estime pour les architectes classiques. Elles présentent des difficultés pour couvrir des pans coniques dont les alignements dans le sens de la pente se réduisent de deux à un à certains niveaux : cela demande des tuiles de rang supérieur plus larges pour en recouvrir deux. Elles rendent quasi impossible la couverture des dômes. Les tuiles peuvent être vernies ou émaillées et sont alors plus résistantes. Les tuiles historiques sont remplacées sur les monuments par des tuiles récupérées ou artisanales. Les tuiles canal associées aux carreaux (brique plate) permettent de constituer des avant-toits, les génoises4.
La légende veut qu'autrefois, pour lui donner sa forme, l'argile à l'état de pâte était moulée sur la cuisse, en précisant parfois « sur la cuisse de femmes... », ce qui pourrait avoir un rapport avec le qualificatif, encore attaché aux tuiles canal de grandes dimensions, de: « tige de botte ». En fait, on se servait de gabarits en bois sur lesquels la pâte, préformée en galette, était plaquée.
Les tuiles canal, telles qu'elles sont fabriquées de nos jours, sont en général identiques par leur forme, qu'il s'agisse de la tuile du dessous (tuile « de courant ») aussi bien que de la tuile du dessus (imbrice ou tuile « de chapeau » ou « de couvert »). Elles sont de section tronconique : le diamètre de base est plus petit à une extrémité qu'à l'autre (le diamètre de base extérieur du haut de la tuile est le même que celui de l'intérieur du bas de la tuile, ce qui permet de les emboîter). Elles sont fabriquées mécaniquement par extrusion (filées) au travers d'une filière de section demi-circulaire, puis par découpage des bords de façon à obtenir la forme tronconique requise. Des moulures préfabriquées imitent la frise donnée par la tuile canal.
L'assemblage généralisé actuel des tuiles canal est le plus simple. Il est fait sur voligeage horizontal ou bien sur lattes suivant la pente. Il est classique, fait deux par deux, une tuile dessous (de courant) avec le dos en bas et petit bout en bas, une tuile dessus (de couvert) avec le dos en haut, les alignements de tuiles superposées mises en tête-bêche. Ainsi l'eau qui ruisselle sur le dos des tuiles de dessus est recueillie par le canal que constituent les tuiles de dessous. L'égout peut être constitué des tuiles de courant, on y ajoute aussi une gouttière pendante. Des tuiles de rive standard existent pour les pignons.
L'étanchéité de ces toitures, généralement de faible inclinaison (15 à 30 %5), étant limitée par le manque de recouvrement, des films plastiques ou des enduits de bitume sont disposés en sous-face des tuiles qui doivent être ventilées.
Tuile panne
Fréquemment appelée aussi « panne flamande », c'est une tuile généralement de larges dimensions, caractérisée par sa section en S et son double emboîtement latéral et supérieur. Fortement associée à l'architecture flamande-néerlandaise et à la civilisation hanséatique, elle est répandue le long des côtes de la mer du Nord et de la Baltique, y compris dans les pays baltes et jusque dans le sud de la Finlande. On la rencontre également dans l'est de l'Angleterre. Elle est traditionnellement présente en France au nord de la Somme.
Tuiles à emboîtement
En 1841, Xavier Gilardoni invente une tuile à emboîtement (improprement appelée "tuile mécanique") et à canaux d'écoulement intérieur, inspirée du principe de la tuile flamande historique et économisant poids et surface en évitant la fixation individuelle de chaque tuile sur la charpente comme c'est le cas pour les tuiles plates. Facile d'emploi, stable au vent, elle peut s'adapter à toutes les pentes de toits. Souvent décriées pour leur aspect banal, ces tuiles industrielles ont été par la suite déclinées dans différents profils et coloris visant à leur conférer un meilleur aspect esthétique
Tuiles en bois
Façade ancienne recouverte de bardeaux de châtaignier, à
Alençon.
Fabrication traditionnelle des essis (tuiles en bois) dans les Vosges
Les tuiles ou bardeaux en bois, comme l'essi (ou essie) utilisée dans les Vosges ou l'ancelle et le tavaillon, utilisés dans le Jura et les Alpes, ont été de tous temps très employées dans les régions de montagne, mais aussi en Normandie où elles sont appelés essentes. Une grande partie des maisons du Mont-Saint-Michel sont ainsi couvertes de tuiles en bois. L'église Sainte-Catherine à Honfleur dans le calvados est également protégée par des essentes en façade et sur son clocher séparé. Travaillé par fendage, le bois de châtaignier, fibreux et capable de résister très longtemps aux agents naturels, est préféré dans cette application, mais on emploie aussi le chêne, plus coûteux, ainsi que le robinier ou le mélèze.
Notons que les stavkirker de Norvège, églises entièrement en bois, sont toutes dotées de couvertures en bois dont certaines sont en place depuis des siècles.
Tuile faîtière, Chine, Dynasties Ming et Qing,
XVIIe et
XVIIIe siècles
Tuiles accessoires
Il s'agit de tuiles dont la forme permet une finition de la toiture, comme le faîtage (tuiles faîtières), le contour de cheminée, les bordures (tuiles de rive), les demi-tuiles pour une pose « croisée », les tuiles chatières de ventilation, les tuiles à douille pour raccorder les conduits de ventilation (cuisine, salle de bain...), les tuiles en verre pour laisser pénétrer la lumière du jour dans certaines parties du toit, etc.
Tuiles et environnement
Les tuiles et les briques cuites présentent de nombreux avantages environnementaux mais consomment une quantité significative d'énergie (avec émissions de gaz à effet de serre associées) pour leur séchage (30 % de la consommation d'énergie dans les tuileries industrielles) et cuisson.
De nombreux pays et entreprises veulent améliorer le bilan énergétique et environnemental des tuileries. Par exemple, le plan national français de réduction des émissions de gaz à effet de serre, limitait les émissions d'équivalent CO2 dues au secteur « briqueterie et tuilerie » à 1,34 Mt/an pour la période 2005–2007. La production augmentant de 2 % environ par an, ceci correspond à une réduction de 15 % des émissions de CO2. La FFTB (Fédération française des tuiles et briques), aidée par l’ADEME et l'UE dans un projet DIDEM Life ont visé à réduire de 30 % ce CO2 par séchage dans de l'air saturé en humidité pulsé à haute température6.
Innovations
Différents modèles de tuiles transparentes et/ou de bardeaux solaires ont été mis au point pouvant contribuer à l'autoconsommation et au développement de bâtiments à énergie positive.
En 2008, Frédéric Marçais descendant de huit générations de couvreurs a inventé une tuile capable de transmettre la chaleur issue du rayonnement solaire vers un réseau caloporteur. Les tuiles conservent une apparence ordinaire et sont réalisées à l'aide de matériaux traditionnels7. Cette innovation a reçu la médaille d'or du salon des inventions de Genève en avril 2010. Des travaux réalisés par l'université d'Évry-Val d'Essonne ont mis en évidence les performances thermiques . Ils ont été présentés lors de la conférence du « Sustainable Intelligent Manufacturing » organisée par le polytechnic institut of Leiria en juin et juillet 2011 8. (Autre exemple, des tuiles de verre peuvent générer de 300 à 500 kWh/m2/an d'énergie thermique (récupérée par un fluide caloporteur sous-jacent) pour un coût évalué à 200 €/m²9)
Des tuiles peuvent aussi être photovoltaïques ; en France, Imerys10FranceWatts puis en 2013, SunPartner ont présenté leurs solution dont Wysips. Aux États-Unis en 2016, Elon Musk de Tesla a présenté plusieurs modèles de tuiles et ardoises photovoltaïques esthétiquement très proches des tuiles ou ardoises traditionnelles 11.
En 2009, des ingénieurs récemment diplômés du MIT ont inventé une tuile modifiant son albédo pour passivement climatiser les bâtiments. Elle devient noire pour absorber la chaleur quand il fait froid et blanche pour renvoyer 80 % du rayonnement quand il fait chaud. Un polymère en solution est enfermé sous une couche de plastique transparent et au-dessus d'une couche noire ; le polymère reste en solution quand il fait froid, et il forme des gouttelettes blanches qui s'assemblent pour rendre la tuile blanche quand il fait chaud. Ses inventeurs estiment que cette tuile pourrait - sans autre source d'énergie - faire économiser 20 % des coûts de climatisation. Ces derniers ont annoncé aussi chercher à produire une peinture qui se comporterait de cette manière, pouvant être pulvérisée sur des toitures et murs existants12.
Expressions
- C'est la tuile ! : Sur un toit, avec le temps, les tuiles peuvent casser sous l'effet de la grêle, du gel, d'une visite de la toiture, ou encore glisser. Il arrive qu'un morceau de tuile tombe sur un passant, d'où l'expression « c'est une tuile » (aussi « se prendre une tuile »), suggérant un malheur accidentel et inattendu.
- Tuile aux amandes : Par analogie, gâteau sec en forme de tuile ronde, moulé à l'aide d'un rouleau à pâtisserie.
Bibliographie
Références
- Définitions lexicographiques [archive] et étymologiques [archive] de « tuile » dans le Trésor de la langue française informatisé, sur le site du Centre national de ressources textuelles et lexicales
- Pausanias Description de la Grèce [archive]
- Des tuiles de bronze doré couvraient la coupole et le fronton, et des poutres du même métal soutenaient le toit du portique. En 663, Constance II, empereur d'Orient, transporta les tuiles à Constantinople, et Urbain VIII prit le bronze du portique pour couler l'artillerie du château Saint-Ange et les colonnes du baldaquin de Saint-Pierre. C'est au XVIe siècle, au moment où florissaient les arts et l'érudition, sous les yeux des archéologues romains, que ce crime de lèse-antiquité fut commis ». Dans Jacques-Paul Migne. Encyclopédie théologique: ou, Série de dictionnaires sur toutes les parties de la science religieuse. 1851. books.google [archive]
- Traité de couverture traditionnelle, Pierre Lebouteux, Éd H.VIAL 2001
- Page de travaux.com [archive]
- (fr) Bilan Life Innovation [archive] (voir page 61) [PDF]
- Article revue Chaud Froid Performance N° 736 juillet-août 2010 intitulé: Associer tuiles solaires et réseau caloporteur pour produire de l'eau chaude
- Proceedings of SIM 2011 (ISBN 978-989-8481-03-0)
- Batiactu (2013), Des tuiles en verre pour capter la chaleur solaire [archive], publié le 13/09/2013
- BatiActu (2016), Imerys investit dans le solaire de toiture [archive], publié 13/04/2016, modifié le 16/09/2016
- Batiactu (2016) Le toit solaire de Tesla veut marier esthétisme et performance [archive] G.N., publié 02/11/2016
- Enerpress, n° 9931, 20 octobre 2009, brève intitulée « Une tuile qui s'adapte aux conditions climatiques »
Voir aussi
Articles connexes
Canalisation
Sections de canalisation enterrée.
Une canalisation est un tuyau ou un canal1 destiné à l'acheminement de matières gazeuses, liquides, solides ou polyphasiques.
Il s'agit d'un tuyau, dont le diamètre nominal (DN) peut aller de 30 mm environ (un pouce un quart) pour des fluides spéciaux jusqu'à plus de 3 m pour les adductions d'eau.
Le terme pipeline est utilisé pour les conduites de fluides sous pression et sur de grandes distances.
Pour une canalisation de petit diamètre (< 30 mm environ), on parle de tuyauterie.
Différentes types de canalisations sont fabriquées et posées par des entreprises et corps de métiers spécialisés pour l'eau potable, le gaz, le pétrole, l'oxygène, l'hydrogène, les eaux résiduaires et dégouts et divers autres fluides, dont caloporteur ou porteurs de frigories, pour les réseaux de chaleur et les réseaux de froid. Il existe en France une organisation professionnelle dénommée « les Canalisateurs » (rassemblant environ 300 entreprises en 2019), membre de la Fédération nationale des travaux publics (FNTP)2.
Parmi les enjeux de ce secteur figurent la sécurité (ex. : risques d'explosion ou de feu pour les canalisations d'hydrocarbures ou de fluides sous très haute-pression, risques toxiques et écotoxiques avec les canalisations en amiante-ciment qui se dégradent plus vite que celles construites avec d'autres matériaux…) et la lutte contre les fuites, la cartographie des réseaux souterrains, la recherche de nouveaux matériaux, les réseaux intelligents, l'installation de canalisations « sans tranchées »…
Histoire et étymologie
Les plus anciennes canalisations répertoriées datent des civisalisations de l'Egypte à la Mésopotamie. Elles étaient constituées de tunnels creusés à même la roche (« qanat »), ou de conduites réalisées en bois, avec de troncs d'arbres évidés, taillées dans la pierre, formées d'éléments d'argile et de cuivre3.
Les romains utilisèrent le plomb à leur disposition. Malheureusement, celui ci est source de saturnisme notamment quand l'eau qui y circule est naturellement acide et/ou chaude et du fait des relargages de plomb induits par le potentiel électrochimique dú à la corrosion galvanique4.
En Europe, le plomb a été abondamment utilisé jusque dans les années 19604, à l'avênement de « l'eau courante », c'est-à-dire l'eau distribuée sous pression ;
Sous Napoléon III, le plan d'urbanisation dirigé par le baron Haussmann comprend également un volet d'égénieire de l'Eau Destinée à la Consommation Humaine (EDCH). Le système d'approvisionnement en eau potable des immeubles avec évacuation des eaux usées d'Eugène Belgrand (1810-1878) est retenu. C'est le coup d'envoi de l'eau sous pression avec des stations élévatoires, des réservoirs construits sur tout le territoire pour acheminer et stocker l’eau captée des sources ou des rivières.
Toutefois, depuis bien longtemps le plomb donne mauvais goût à l'eau et l'habitude est prise d'y méler du vin ou du pastis. En France, le plomb est définitivement honni lorsqu'est démontré que le saturnisme lui est imputable. Il fut ainsi de moins en moins utilisé des années 1960 jusqu'en 1995, année à partir de laquelle l'emploi de tuyaux de plomb dans les nouveaux réseaux de distribution d'eau potable (EDCH) fut interdit par décret5. Ainsi subsiste-t-il de moins en moins de tuyaux de plomb dans les branchements entre réseaux privés et publics de distribution d’eau, dans les réseaux intérieurs du domaine privatif.
En 2012, une modélisation a estimé6 que 2,9 % environ des logements français recevaient encore une EDCH contenant plus de 10 μg/L de plomb et une étude de 2015, basée sur des prélèvement a montré que près de 4 % (3,9 %) des logements recevaient une eau non conforme chargée de plomb. Toutefois, dans 14 départements aucune non-conformité n'a été détectée4 mais force est de constater que les données sur le domaine privé sont très peu documentées et que les réseaux rénovés sont publics (régions, communes et établissements sous admnistration publique, tels que les écoles, crèches, hôpitaux, etc.)4.
Types de canalisation
En français, la désignation d'une canalisation dépend de ses caractéristiques physiques et du nom de la matière à acheminer. De manière générale, le suffixe -duc — de l'adjectif latin ductus, dérivé du verbe ducere, diriger — permet de construire le mot adéquat par adjonction de la matière :
- on appelle canal ou d'aqueduc les canalisations acheminant les eaux destinées à la consommation humaine (EDCH), qu'elle soit industrielle ou alimentaire; toutefois, lorsque l'écoulement se fait à l'air libre, on parle de conduite, de conduite hydraulique mais d'émissaire lorsque l'écoulement a lieu à travers des tuyaux ;
- on appelle égout les canalisations évacuant les eaux usées d'une agglomération ;
- on utilise le terme de saumoduc pour l'eau salée (saumure) ;
- concernant les arbres ébranchés non équarris (« grumes »), transportés par flottaison de l'abattage à la scierie on parle de canal de flottage ou d'arboriduc ;
- pour les différentes suspensions minérales, on parle de minéroduc et spécifiquement ;