La fabrication de liants par calcination de la pierre (dans les fours à calcination) est aussi ancienne que l'art du potier. L’homme a dû s'apercevoir très tôt que certaines pierres constituant le foyer de leur four s’effritaient à cause de la chaleur en produisant une poudre qui se solidifie sous l’effet de l’humidité.

On appelle mortier un mélange constitué d’un liant et d’agrégats. On utilise les mortiers en maçonnerie pour sceller ou enduire. Il en existe de différents types. Nous nous intéresserons à trois d’entre eux :

• le mortier de chaux, déjà connu dans l’antiquité, qui est un mortier « sec » (ou aérien),
• le plâtre,
• le ciment de Portland, qui rentre dans la catégorie des mortiers hydrauliques.

Mortier de chaux

La chaux vive est obtenue par calcination de pierre calcaire vers 1000°C dans des fours à chaux. Au cours de cette opération le carbonate de calcium dégage du gaz carbonique :

Le produit résultant, un oxyde de calcium, prend l'apparence de pierres pulvérulentes en surface. L’opération suivante consiste à éteindre la chaux vive en l’hydratant :

On obtient un hydroxyde de calcium. Cette hydratation provoque la dislocation de la chaux vive et dégage une forte chaleur. Le résultat est une pâte à laquelle on a donné le nom de chaux éteinte. C'est ce matériau plastique qui, mêlé à des agrégats, va constituer un mortier. Une fois le mélange incorporé dans la maçonnerie, un phénomène de dessiccation suivi d'une cristallisation (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 fait de préférence dans une fosse ou un récipient proche du chantier. La présence d'argile associée au calcaire lors de la calcination conduit à différents types de mortier. 

On dit du mortier de chaux que c’est un liant aérien dans la mesure où la prise résulte de l’action de l’air (plus précisément du dioxyde de carbone) sur la chaux éteinte. Si le mortier de chaux est connu depuis l’antiquité, on doit à Louis Vicat, un ingénieur né en 1766, la première analyse scientifique des propriétés des différentes formes de mortier de chaux, et en particulier des proportions nécessaires de chaux, silice, alumine et magnésie pour obtenir un mortier aux propriétés souhaitées.

Plâtre

Le sulfate de calcium anhydre CaSO₄ (aussi appelé anhydrite) est un solide minéral de structure ionique composé d'anions sulfate SO₄^2- et de cations de calcium Ca²⁺. On le trouve le plus souvent sous sa forme hydratée CaSO₄.2H₂O plus connue sous le nom de gypse. Le gypse est un minéral solide et léger, également de structure cristalline.

Le gypse est constitué de feuillets de CaSO₄ maintenus entre eux par des forces de Van der Waals véhiculées par les molécules H₂O. Au sein de ces feuillets, les ions SO₄^2- ont une structure tétraédrique centrée. Les cations Ca²⁺ trouvent leur place dans ce dispositif, chacun d’entre eux étant relié à plusieurs anions et à deux molécules d’eau.

La calcination du gypse conduit à sa déshydratation partielle. L’hémihydrate de sulfate de calcium CaSO₄.1/2H₂O est connu en minéralogie sous le nom de bassanite. La bassanite se présente sous la forme d’une poudre blanche composée de microcristaux. C’est tout simplement… du plâtre !

Mélangé à un volume convenable d’eau en dessous de 42 degrés, le plâtre va former des cristaux de plus grande taille. Lorsque la solution est sursaturée, les ions et les molécules d’eau se rapprochent au gré de leurs affinités chimiques et électriques et s’associent pour former des grains insolubles dans l’eau. C’est la nucléation. Des cristaux de gypse en forme d’aiguilles fines et enchevêtrées vont alors constituer après un temps de séchage (évaporation des molécules d’eau en excès) un solide qui occupe tout le volume dans lequel on l’a moulé.

La réaction est exothermique, ce qui favorise le séchage. Le volume du mélange augmente et occupe ainsi tout le volume dans lequel il a été introduit. Le plâtre est incombustible et c’est un bon isolant thermique. Exposé longuement à une forte chaleur, il perd néanmoins progressivement ses caractéristiques mécaniques (évaporation de l’eau). C’est donc un retardateur thermique et non pas un matériau réfractaire.

Le plâtre est connu depuis l’antiquité, les égyptiens l’utilisaient déjà dans l’ornementation de leurs temples et de leurs tombes.

Ciment

Le ciment est un liant constitué d’une matière pulvérulente qui forme avec l’eau ou avec une solution saline une pâte homogène et plastique. En durcissant, le ciment est capable d’agglomérer diverses substances (sable ou granulats).

Le ciment dit « de Portland » est, par exemple, composé d’un produit appelé clinker obtenu par calcination à 1400 degrés de calcaire et d’argile (des aluminosilicates). Le clinker contient environ 60% de Ca₃SiO₅, 20% de Ca₂SiO₄, 15% de Ca₃Al₂O₅ et 5% de Ca₄Al₂Fe₂O₁₀. C’est la réaction entre le calcaire, l’argile et l’eau qui solidifie l’ensemble et permet d’emprisonner le sable ou les granulats. Ainsi par exemple, le silicate tricalcique Ca₃SiO₅ réagit avec l’eau pour donner du silicate de calcium hydraté (C-S-H : calcium silicate hydrate) en dégageant beaucoup de chaleur :

C’est le silicate de calcium hydraté qui est le principal responsable de la cohésion du ciment.

Initialement, le ciment forme une gangue hydraulique qui durcit en quelques jours, atteignant alors son maximum de résistance. Une fois durci, le ciment conserve sa résistance et sa stabilité, même sous l’eau. Le mortier de ciment est plus résistant que les mortiers de chaux mais il présente quelques inconvénients. Sa rigidité en fait un matériau qui a tendance à fissurer sous l'action des écarts de température et son imperméabilité l'expose aux moisissures. Il doit donc toujours rester aéré. En maçonnerie traditionnelle, il est utilisé sous forme de parpaings. La forme creuse des parpaings permet la circulation d’air.

Béton

Le béton est un matériau composé de granulats minéraux (sable, graviers) mélangés à un liant et à de l'eau. Il est coulé ou moulé à l'état liquide avant de "prendre", c'est à dire de se solidifier. Le liant peut être l'argile (torchis, pisé), le ciment (béton de ciment, ou tout simplement béton) ou du bitume (béton bitumeux, utilisé pour réaliser des enrobés de chaussée ou de tarmac). Dans l'antiquité égyptienne et romaine le liant utilisé était la chaux mélangée à l'argile. A partir du Ier siècle, les ingénieurs romains ont ajouté de la pouzzolane à la chaux.

Le béton armé apparaît au milieu du XIXème siècle. Le béton précontraint est mis au point en 1929 par Eugène Freycinet. Il permet d'augmenter considérablement la résistance du béton à la traction du béton traditionnel. La précontrainte est assurée par des câbles.