Mortier (matériau)

Les témoignages historiques sont ceux qui ont défié le temps. Ce sont souvent des bâtiments de prestige réalisés en bonne maçonnerie - éventuellement réalisés à la chaux. Et puis ce sont des traités d'architecture - le premier, le De Architectura de Vitruve, dont la redondance pourrait laisser croire à une permanence des préparations[10]. C'est ignorer la majorité des constructions réalisées avec des moyens plus immédiats, et qui n'ont pas franchi les âges, la simple ruine d'un toit pouvant dans ce type de construction entrainer la rapide dégradation des maçonneries. La maçonnerie antique était réalisée à la chaux, avec d'autres matériaux de moindre qualité [A 1] ou réalisées en terre. Les plus fragiles ont pour la plupart disparu. A Pompéi ou encore Herculanum, deux villes ensevelies par un volcan (le Vésuve), leur conservation est problématique[11].

Début XIX^e siècle on regroupe encore sous le nom de mortier toute espèce de mélange de terres crues ou cuites ou d'autres matières obtenues par calcination ou de chaux avec ou sans sable et de l'eau en suffisante quantité pour pouvoir le gâcher le porter et le mettre en œuvre convenablement à sa destination[12]. Dans les campagnes où les fours à chaux sont éloignés et la chaux rare et chère on se contente souvent pour faire du mortier de terre crue mais franche et un peu grasse en la délayant avec de l'eau et il s'en trouve qui a beaucoup de ténacité. Quelquefois on y mélange de la paille ou du foin haché, du regain et même de la chaux, si on en a pour lui donner plus de consistance, ou le rendre plus maniable. On s'en sert alors particulièrement pour la bauge et les torchis. Dans tous les cas le mortier fait avec du sable et de la chaux est à préférer pour les habitations si on peut s'en procurer facilement[13]:

« Pour que le mortier soit bon, la chaux doit être bonne, de même que le sable et il ne doit y avoir trop ni de l'un ni de l'autre selon la destination ; quant à l'eau il en faut toujours le moins possible : le mortier qui en a trop ne vaut rien[13].»

La nécessité d'avoir des mortiers faisant office de colle définitive ne s'impose dans les pays industrialisés qu'à la révolution industrielle. Encore au XIX^e siècle beaucoup d'ouvrages d'art sont construits sans faire usage de mortiers remarquables, et on supplée à leur fragilité relative par des entretiens fréquents des maçonneries qui se déchaussent. La construction d'ouvrages liés à la navigation - requis par une industrie en pleine croissance - allant grandissant, une réflexion s'amorce pour obtenir des mortiers résistants, faisant prise sous eau. Cela conduit à découvrir (ou redécouvrir) les chaux hydraulique et plus tard les ciments qui à partir du milieu XX^e siècle deviennent un matériau commun dans les pays industrialisés[14].

Le plâtre est un mélange pulvérulent préparé à partir de la calcination vers 120 °C - 200 °C du gypse (le sulfate de calcium dihydraté, le sulfate de chaux hydraté des anciens chimistes, la pierre à plâtre), roche sédimentaire rassemblées en masses énormes d'évaporites, que l'on retrouve parfois sous forme d'albâtre ou de cristaux de sélénite. La pierre est généralement extraite de mines ou de carrières souterraines puis cuite et ensuite cassée, broyée et moulue pour donner la poudre du plâtre.

Après gâchage à l'eau, cette poudre incolore à blanche, parfois jaune-pâle ou brune, permet l'obtention d'un matériau blanchâtre relativement durci après séchage, correspondant au gypse reformé selon la formule:

CaSO₄. ½H₂O_{poudre ou masse solide plus ou moins pulvérulente} + 3/2 H₂O _{vapeur d'eau ou eau liquide} → CaSO₄.2H₂O _{solide cristal}

La réaction s'accompagne d'une augmentation de volume.

Contrairement à la chaux, le plâtre n'a besoin du mélange d'aucune autre matière que de l'eau pour former un corps solide d'une dureté moyenne. Le plâtre malheureusement ne peut résister aux intempéries et à l'humidité et il n'est plus utilisé de nos jours que comme enduit intérieur.

La Rome antique faisait peu usage du plâtre dans ses constructions. Elle ne s'en servait que pour les enduits intérieurs, encore elle ne l'employait pas pur. Vitruve en blâme l'usage parce que le plâtre faisant corps plus promptement que le mortier avec lequel on le mêlait, l'enduit était sujet à gercer.

Les constructeurs du Moyen Âge n’ont jamais employé le plâtre dans la grosse maçonnerie (limousinerie), ni (sauf des cas très-rares) pour remplir les lits ou joints des pierres. Ils posaient toujours leurs assises de pierres à bain de mortier de chaux, et pour leurs blocages entre les parements, ils n’employaient jamais que le mortier avec du gros sable. Il arrivait cependant parfois qu’il n’était pas possible de poser des claveaux, par exemple, à bain de mortier, lorsque les cintres avaient une très-grande portée et que les arcs étaient très-épais ; alors on coulait, dans les joints, du bon plâtre[24].

Le plâtre de Paris

Le plâtre est employé - encore XIX^e siècle - pour la construction des maisons ordinaires surtout à Paris où de nombreuses carrières de plâtre sont établies (Carrières de Montmartre, etc.). Les gisements de gypse, s'y trouve lié à plus ou moins de calcaire, de marne ou d'argile. Selon le gisement différents plâtres sont fabriqués: Le gypse qui servant à fabriquer le plâtre ordinaire de construction se trouve en masse informe contenant douze centième de calcaire; Le plâtre fin, employé dans des moulage et pour le stuc est issu de gypses en cristaux; Une troisième qualité en masse homogène donne l'« albâtre gypseux », employé en ornement et dans la confection de vases. Paris exporte son plâtre en province, et jusqu'en Angleterre sous le nom de plaster from Paris[25]. Comme cette matière s'attache aux pierres et aux bois, on se sert du plâtre ordinaire pour la construction des murs, des voûtes et pour les enduits (On en recouvre les cloisons, les pans de bois, les planchers, etc.).

Le plâtre - contrairement au mortier de chaux qui se contracte - augmente de volume en faisant corps, c'est pourquoi il y avait des précautions à prendre lorsqu'on se servait du plâtre pour certains ouvrages tels que les voûtes, les cheminées[26]. On trouvait à Paris aussi des murs extérieurs jointoyés avec un mélange de plâtre, de chaux et de sable.

Le mélange chaux aérienne, plâtre et sable porte aussi le nom de « plâtre de Paris ». Ce mélange sert également à réaliser les enduits extérieurs dont certains datent du XVII^e siècle, la chaux aérienne donnant à l'ensemble sa résistance aux événements climatiques. La seule chaux supportant le mélange avec le plâtre est la chaux aérienne. En effet, la chaux hydraulique, tout comme le ciment, provoque une réaction chimique et la formation de sels gonflant nocifs aux enduits[27].

Dans La Comédie humaine de Balzac, innombrables sont les maisons de moellon enduites de plâtre et badigeonnées de jaune. De mauvais augure, elles annoncent la pauvreté ou la médiocrité petite bourgeoise. Les enduits étaient rapidement entamés par la boue, le froid et l'humidité. Le plâtre est la providence des « architectes prétentieux » qui fabriquent des « sottises en carton-pierre ». Les maçons simulaient un appareil de pierre en creusant des faux-joints dans le plâtre frais[28].

La chaux est obtenue par calcination de pierre calcaire vers 1 000 °C, dans des fours à chaux, opération pendant laquelle elle abandonne son gaz carbonique. Le produit restant, un oxyde de calcium est appelé chaux vive et prend l'apparence de pierres pulvérulentes en surface que l'on va hydrater ou éteindre par immersion dans l'eau. Cette immersion, provoque la dislocation, un foisonnement, ainsi qu'une forte chaleur. Le résultat est une pâte, qui prend le nom de chaux éteinte. C'est ce matériau plastique qui, mêlé à des agrégats, va constituer les mortiers. Une fois le mélange incorporé dans la maçonnerie, un phénomène de dessiccation suivi d'une cristallisation - en fait une carbonatation - s'opère au contact de l'air - et plus particulièrement du dioxyde de carbone présent dans l'atmosphère - qui fait retourner la chaux à l'état de calcaire. L'extinction de la chaux se faisait de préférence dans des fosses attenantes au chantier.

La présence d'argile associée au calcaire de calcination conduit à différents types de chaux. Il y a lieu de distinguer[A 2]^,[29]:

• chaux aérienne : le phénomène de cristallisation s'opère en présence d'air. Les chaux aériennes se répartissent en:
  • chaux grasses, obtenues à partir de calcaires très purs ou contenant de 0,1 à 1 % d'argile
  • chaux maigres, obtenues à partir de calcaires contenant de 2 à 8 % d'argile
• chaux hydraulique : le phénomène de cristallisation s'opère aussi en milieu aqueux, obtenues à partir de calcaires contenant plus de 8 % d'argile

Au-delà de 20 % d'argile, les calcaires sont impropres à la confection de la chaux (Vicat les appelle chaux limites. Ils trouveront par la suite à être employés dans la fabrication des ciments). À partir de 35 %, La roche devient tendre et friable. À partir de 50 % on parle de marne calcaire, elle devient plastique. Avec 70 % d'argile, elle devient marne argileuse.

La présence d'argile comme d'autres corps pouvant modifier la phase d'extinction, les Romains supposèrent, de manière erronée, que ces substances diminuaient la qualité de la chaux[30]. Les Romains n'utilisèrent donc que de la chaux aérienne. Cet état de connaissance durera jusqu'au XIX^e siècle. En 1863, il suffit d'interroger les maçons et chaufourniers sur les diverses chaux du pays pour qu'ils désignent les chaux hydrauliques comme les plus mauvaises. Il fallait insister pour qu'ils en fassent mention. Une fois découvertes leur propriétés exceptionnelles[31], les chaux hydrauliques sont alors recherchées activement.

La chaux grasse entreposée et recouverte d'argile pouvait se conserver fort longtemps, à l'état de pâte, des années éventuellement (Leon Battista Alberti rapporte -Livre II, chapitre 11 - que l'on trouva dans une fosse, de la chaux éteinte depuis environ 500 ans et que cette chaux était encore si moite si bien délayée et si mûre que le miel ni la moelle des bêtes ne l'étaient davantage). Cette caractéristique accompagnait donc les chaux grasses obtenues à partir de calcaires très pures, les marbres par exemple et était très prisée des Romains car elle permettait aux maçonneries à mesure qu'on les élève, de se tasser progressivement, assurant au niveau du joint une répartition uniforme des efforts[32].

Vers le I^er siècle apr. J.-C., la Rome antique améliore la technique de la chaux par l’incorporation de sable volcanique de Pouzzoles - la pouzzolane - ou de tuileaux broyés et tamisés. 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 vertu 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, 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'hydraulicité[33], ouvrant la voie à la découverte du ciment Portland.

Le Panthéon de Rome, I^er siècle av. J.-C., un exemple exceptionnel d'ouvrage ayant défié les siècles, l'opus caementicium, mortier de chaux mêlé à des matériaux tout venant, les caementa, maçonné et non coulé, réalise une maçonnerie dont la texture peut s'apparenter au béton de ciment moderne

Dès le III^e siècle av. J.-C., un système constructif - l' Opus caementicium- s'impose sur l'appareillage en usage - le grand appareil. L' opus caementicium qui prend toute l'apparence d'un béton est composé in situ et non coulé, en utilisant matériaux tout venant, les caementa, maçonnées dans le meilleur des cas à la chaux, entre deux parois de petit appareil qui font office de coffrage perdu. Un système constructif performant, économique, rapide ne nécessitant aucune qualification de la main-d'œuvre, une bonne partie des matériaux étant employés sans préparation préalable. La systématisation de la construction en opus caementicium - associé à une main-d’œuvre servile issue de ses campagnes victorieuses, à commencer par les Guerres puniques - dressée plutôt que formée - permettra à la Rome antique de faire de l'architecture un art universel, alors qu'il était jusque-là réservé à la construction des temples et des fortifications[34].

Beaucoup d'édifices antiques réalisés en opus caementicium sont toujours debout, du fait que l'appareillage était réalisé avec soin et avec une bonne chaux. On ne parle plus de la grande majorité des édifices qui ont disparu du fait de la médiocrité des maçonneries, souvent sommairement liées à l'argile ou à de la chaux de médiocre qualité, comme c'est souvent le cas à Pompei[35].

D'après Viollet-le-Duc, au Moyen Âge, les mortiers [de chaux] sont de qualités très différentes ; ils sont de qualité médiocre pendant les IX^e, X^e et XI^e siècles. Il semble qu’alors on avait perdu les procédés de fabrication de la chaux, et ce n’est que par exception que l’on trouve, dans des édifices de cette époque, des mortiers offrant une certaine consistance. Au XII^e siècle, les mortiers commencent à reprendre de la force ; pendant les XIII^e, XIV^e et XV^e siècles, on en fait d’excellents[36].

Jusqu'au début du XIX^e siècle, la manière de faire le mortier a presque toujours été la responsabilité des ouvriers. En comparant les mortiers des anciens et surtout ceux qui ont été faits par les Romains, aux mortiers des temps modernes on suppose alors que les premiers étaient meilleurs. Plusieurs constructeurs annoncent alors avoir trouvé le secret des mortiers romains mais d'autres supposent avec raison qu'il n'a subsisté à travers le temps que les constructions faites avec de bonnes chaux dans de bons mortiers[37]. On le voit, le terme innovation technique a, à la fin du XVIII^e siècle, une signification particulière. Celle-ci est en effet généralement attachée à une découverte archéologique (On redécouvre Pompéi) qui est à la fois source et caution. Antoine-Joseph Loriot par exemple invente un mortier dont il annonce avoir déduit le procédé des diverses interprétations qu'il a cru pouvoir donner aux ouvrages de Vitruve, de Pline et des autres auteurs anciens qui traitent des mortiers. L'antiquité est un matériau manipulé[38].

Avec le XIX^e siècle, la chimie connaît un énorme progrès quantitatif, avec Antoine Lavoisier qui l'a promue en science exacte. Liés à la révolution industrielle, les progrès réalisés en métallurgie, la maîtrise des fours industriels, la diversification des combustibles, profite à tous les secteurs de l'industrie. On chauffe pour décomposer la matière, pour obtenir de nouveaux matériaux. Enfin la nécessité de grands travaux d’infrastructure (canaux, ports, urbanisme, fortification), aiguillonnée par un climat de concurrence pour la suprématie économique et politique entre l’Angleterre et la France conduit à rechercher de nouveaux mortiers[39]. On chauffe pour produire de manière effrénée.

La connaissance des réactions entrant dans la fabrication et dans la prise des chaux, dont l'usage n'a pas beaucoup évolué depuis l'antiquité, est acquise progressivement. L'intérêt scientifique se porte sur les chaux faisant prise sous l'eau, que les Romains obtenaient par adjonction de pouzzolane ou de tuileaux (au début XIX^e siècle on les nomme ciment[40]) à de la chaux grasse. On leur donnera le nom de ciment aquatique, puis les Allemands de chaux pour l'eau. C'est à Vicat que l'on doit le nom de chaux hydraulique.

En 1796, James Parker découvre sur l'Île de Sheppey, 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 (Roman Cement). Le ciment prompt est de même nature.

Côté français, Louis Vicat, ingénieur des ponts et chaussées, part de l'opinion généralement admise à cette époque que c'est l'argile qui donne à la chaux la propriété singulière de durcir dans l'eau. Il expérimente les chaux et parcourt la France à la recherche des calcaires contenant les quantités d'argile nécessaires à leur élaboration. Sous son impulsion l'usage des chaux hydrauliques se généralise.

Ses recherches visent également à produire des chaux factices - qui font prise sous eau très promptement - à partir des produits séparés: argiles et calcaire. Il expérimente différentes combinaisons de chaux et d'argile qu'il sèche et fait cuire. Les principes actifs des mortiers hydrauliques sont, en 1828, la chaux, la silice, l'alumine, et l'oxyde de fer[41]; en 1856, la chaux, la silice, l'alumine et la magnésie[42]: « La chaux en est toujours la base essentielle on la mêle selon sa nature tantôt avec le sable seul, tantôt avec le sable et la pouzzolane tantôt enfin avec la pouzzolane seule. Nous comprenons sous ce nom de pouzzolane non seulement les produits volcaniques de l'Italie et de la France mais aussi toutes les substances analogues que l'on modifie par le feu des fourneaux et auxquelles on parvient à donner à très peu près les qualités des pouzzolanes naturelles. (...) Il suit de là que les argiles ferrugineuses, les ocres, les schistes bleuâtres, la houille, le basalte, les laves, le grès ferrugineux, etc. sont autant de matières que le feu peu ramener à l'état des pouzzolanes volcaniques[43]. »

Avec Louis Vicat, la chaux, la silice, l'alumine, et la magnésie deviennent les principes essentiels dont se composent les gangues qui lient les matériaux employés dans les constructions. Ces principes élémentaires qui combinés en proportions diverses constituent les composés connus dans l'art de bâtir sous les noms de chaux hydrauliques, ciments, et pouzzolanes composés qui concourent à la formation par voie humide des gangues qui lient les agrégats appelés mortiers et bétons. Dans ces gangues la silice joue le rôle d'acide et engendre des silicates dont les autres principes ensemble ou séparément deviennent les bases. La chaux, la silice, l'alumine et la magnésie ne se présentent pas isolées et à l'état chimique dans la nature, elles y sont au contraire engagées par voie de combinaison ou de mélange soit entre elles soit avec d'autres substances dont il serait trop dispendieux de les extraire pour en disposer individuellement. L'art consiste donc à tirer parti des produits naturels où elles entrent en proportions considérables pour arriver le plus économiquement possible au but recherché; ces produits sont d'une part les pierres calcaires pures ou argileuses ou magnésiennes et de l'autre les argiles, les sables et les substances plutoniques ou neptuniennes résultant tantôt des déjections volcaniques tantôt de la décomposition spontanée et séculaire de certaines roches[44].

Joseph Aspdin dépose en octobre 1824 un brevet et crée la marque « Ciment Portland ». C'est un jalon à partir duquel la fabrication du ciment va devenir progressivement une industrie chimique. La simple carbonatation entrant dans la solidification des chaux ne s'applique plus aux ciments. Les réactions complexes entrant dans la prise et la solidification des ciments seront longues à comprendre et à maîtriser[45]. Qu'ils soient « naturels » ou « artificiels », les matériaux (calcaire, schistes argileux et scories) finement broyés sont portés à température de vitrification (En 1927 on parle de 1 500-1 650 °C[46]), une élévation de température que seuls autoriseront les fours à calcination rotatifs (Cement kiln (en)), longs de 100 m. Le résultat appelé clinker est moulu très finement dans des broyeurs à ciment (Cement mill (en)), gigantesques cylindres remplis de billes d'acier.

La fabrication du clinker est pointée du doigt, fin XX^e siècle, comme responsable d’approximativement 5 % des émissions de gaz à effet de serre (GES) anthropiques[47] à l'origine du récent réchauffement climatique.

On distingue deux types de liants dans la confection des mortiers et bétons :

• les liants hydrauliques : poudre minéralogique qui forme avec l'eau, une pâte faisant prise et durcissant à l'abri de l'air et notamment sous l'eau (tous les ciments et la chaux hydraulique naturelle -- code produit NHL) ;
• les liants aériens : poudre minéralogique qui forme avec l'eau, une pâte faisant prise et durcissant grâce au dioxyde de carbone contenu dans l'air (chaux grasse et chaux aérienne éteinte pour le bâtiment -- code produit CL, anciennement CAEB).

Le mortier de chaux grasse fait prise en contact avec l'air. Il durcit en surface et reste souple à l'intérieur de la maçonnerie. Cette qualité en fait un mortier qui reste élastique et donc qui ne fissure pas. Ce mortier est employé dans la maçonnerie traditionnelle de pierres ou de briques. Mais il ne doit pas être utilisé dans un milieu humide (cave, mur souterrain, etc.).

Le mortier de chaux hydraulique est fabriqué à partir de calcaire argileux. Il fait sa prise même sans contact avec l'air, sous l'eau par exemple. Ce mortier est employé dans la maçonnerie traditionnelle de pierres ou de briques. Deux avantages sont qu'il reste plus flexible que le mortier de ciment et est perméable à la vapeur d'eau, donc régule l'humidité ambiante. En revanche, il est plus technique et lent à mettre en œuvre, et demande des conditions de température et hygrométrie plus étroites (néanmoins courantes en zone tempérée).

Le mortier de ciment est plus résistant que les mortiers de chaux mais il reste imperméable à l'air, par conséquent, il maintient l'humidité dans une maçonnerie traditionnelle de pierres qui doit toujours être aérée. Ce mortier doit être utilisé uniquement pour la maçonnerie des blocs de béton ou autrement dit de parpaings en ciment. Sa rigidité en fait un matériau qui a tendance à fissurer sous l'action des écarts de température, notamment alternances gel et dégel, tandis que son imperméabilité l'expose aux moisissures. En revanche, il est plus facile, rapide, et tolérant à mettre en œuvre.

Le mortier bâtard permet d'avoir un ciment qui respire un peu sans trop absorber l'eau ; il convient bien pour crépir et ne se fissure pas comme un ciment fort. De plus, la chaux augmente le pouvoir collant du mortier, ce qui est appréciable en enduit vertical. La perméabilité d'un mortier bâtard à la vapeur d'eau diminue proportionnellement au pourcentage de ciment qu'il contient. Il est utilisé également pour la fixation d'éléments de maçonnerie demandant une résistance mécanique plus importante (scellements, etc.).

Le mortier est une matière plastique qui fait sa prise progressivement selon l'hygrométrie ambiante et les types de mortier ; il est décoffrable au bout de quelques jours et atteint 90 % de sa solidité au bout de 21 jours sans adjuvant. Dans la construction moderne, l'emploi d'accélérateur de prise est systématique afin d'augmenter la « rotation » des coffrages métalliques modulaires (24 heures après le coulage). L'ajout d'adjuvant plastique augmente la plasticité et la facilité de mise en œuvre du mortier frais. L'ajout d'adjuvant hydrofuge rend le mortier fini imperméable. Pour supprimer les poches d'air prisonnières lors du coulage, le mortier est vibré à l'aide d'aiguilles vibrantes haute fréquence (pour le bricoleur on peut utiliser une perceuse à percussion sur le coffrage) ; un vibrage trop important détruit le mortier en séparant trop franchement les composants (sable au fond, ciment au milieu et eau en surface).