Portlandite

La portlandite est un corps chimique minéral, l'hydroxyde de calcium de formule brute Ca(OH)2. Il s'agit d'une espèce minérale naturelle rare analogue de la brucite, appartenant au système cristallin trigonal, qu'il est possible d'observer en minuscules plaques hexagonales, incolore et transparente, à éclat perlé sur les clivages. On la trouve avec les dépôts de produits de sublimation des émanations ou fumerolles volcaniques ou parmi les produits de dégradation des éjectas transformés à haute températures parmi lesquels les laves communes sur les flancs des formations volcaniques, par exemple sur le Vésuve en Italie, mais aussi avec des roches métamorphiques de contact, par exemple à Scawt Hill, comté d'Antrim en Irlande du Nord.

Portlandite
Catégorie IV : oxydes et hydroxydes[1]
Général
Nom IUPAC hydroxyde de calcium, en anglais calcium hydoxide
Numéro CAS 1305-62-0
Classe de Strunz
04.FE.05
groupe de la brucite
Classe de Dana
06.02.01.04
Formule chimique HCaO2 Ca(OH)2
Identification
Masse formulaire[2] 73,085 ± 0,005 uma
H 1,38 %, Ca 54,84 %, O 43,78 %,
Couleur incolore, blanc, blanc verdâtre, jaune clair ou pâle, etc.
Classe cristalline et groupe d'espace Trigonale (3 2/m) - hexagonal scalénoédrique,
groupe d'espace P3m1
Système cristallin trigonal
Réseau de Bravais réseau de Bravais hexagonal
a = 3,589 Å
c = 4,911 Å
Z = 1
Clivage parfait sur {0001}
Habitus cristaux aplatis hexagonaux, à six faces et souvent coupés en croix, cristaux en général plats d'aspects micacés, agrégats fibreux, masses blanches parfois fibreuses, masses pulvérulentes, poudres
Échelle de Mohs 2 à 3
Trait blanc
Éclat perlé sur clivage
Propriétés optiques
Indice de réfraction nω = 1,574
nε = 1,547
Biréfringence Uniaxe (-) δ = 0,027
Transparence transparent
Propriétés chimiques
Densité 2,23
Solubilité très faiblement soluble dans l'eau[3];
Comportement chimique fortement basique en solution aqueuse, suspension appelée lait de chaux
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

S'il s'agit d'un minéral rare dans la nature, il représente un composant très commun et une phase déterminante dans les ciments et bétons et de ce fait il est très étudié par les industries concernées par ces matériaux.

Description et dénomination, géotype

Elle a d'ailleurs été décrite en 1933 par le géologue et minéralogiste, professeur à l'université de Cambridge, Cecil Edgar Tilley à partir d'échantillons de ce dernier géotype de la colline Scawt, près de Larne. Ce métamorphisme de contact est caractérisé par le couple larnite Ca2SiO4 - spurrite Ca5(SiO4)2CO3. Il s'agit en minéralogie d'un produit d'altération de roches silico-calcaires lors des étapes du métamorphisme.

Il s'agit chimiquement de l'ancienne chaux éteinte soitCa(OH)2 qui est aussi communément un des constituants issus de l'hydratation des silicates de calcium des ciments.

Le racine du nom minéral choisi atteste que, chimiquement, c'est aussi un produit artificiel d'hydrolyse du ciment Portland[4].

Caractéristiques

La portlandite est très faiblement soluble dans l'eau, à l'instar de son homologue artificiel la chaux éteinte. Comme elle est souvent pulvérulente, sa poudre peut être transporté souvent aussi loin qu'une substance très soluble. Elle se retrouve parfois dans les milieux arides avec d'autres évaporites alcalines.

Il s'agit d'un produit basique. Une mesure de pH peut indiquer le minéral naturel ou éveiller l'attention sur sa présence à l'état pulvérulent.

La carbonatation des différentes structures bétons est une des causes essentielle de leurs dégradations naturelles, avec les attaques des ions chlorures ou sulfates, les cycles gel-dégel parfois en présence d'eau et les réactions alcalines (alcali-réaction). Elle correspond de façon prépondérante à la transformation d'un des composés minéraux du béton durci, la portlandite en calcite, au contact du dioxyde de carbone contenu dans l'air en présence de traces d'eau ou d'humidité résiduelle. Cette transformation progressive s'accompagne d'une diminution théorique du pH basique en milieu solide. Elle devient catastrophique quand la dégradation atteint l'armature métallique, favorisant le développement de la rouille.

Cristallochimie et cristallographie
Structure type de l'iodure de cadmium, de l'hydroxyde de magnésium ou brucite, de la portlandite... en gris le cation, en rose l'anion

La portlandite, minéral hydroxyde à structure en couches, cristallise de manière trigonale en appartenant au groupe d'espace P3m1 . Sa maille est assimilée au réseau hexagonal.

D'un point de cristallochimique, il peut se rapprocher des analogues de la brucite Mg(OH)2 comme l'amakinite (en) (Fe,Mg)(OH)2, l'ashoverite (en) Zn(OH)2, la paraotwayite (it) Ni(OH)2-x(SO4,CO3)0.5x, de la pyrochroïte (it) Mn(OH)2, de la spertiniite Cu(OH)2, de la sweetite (en) Zn(OH)2, de la théophrastite Ni(OH)2 et de la wülfingite (en) Zn(OH)2.

Toutefois, les empilements d'octaèdres formés par les ions hydroxyles reliés bords à bords la placent dans la classification de Strunz parmi le groupe de la brucite, avec l'amakinite, la brucite, la pyrochroïte (it) et la théophrastite (it) et la fougerite (Fe,Mg)6Fe2(OH)18•4(H2O).

Portlandite blanche crème associée à la sturmanite un sulfo-hydroborate calcique complexe hydraté, Mine N'Chwanning, Nord désertique de la Province du Cap, Afrique du Sud

Seul le dernier membre de ce groupe ne correspond pas à la formule type du cristal ionique M2+(OH-)2. C'est pourquoi elle ne figure dans le rassemblement de la brucite selon Dana.

Gîtologie

Outre les zones volcaniques ou de métamorphisme de contact comme à la carrière Caspar sur la volcan Bellerberg de Mayen dans l'Eifel (couple mayenite (en) - ettringite), ce minéral rare peut être contenu dans les eaux alcalines des sources thermales ayant traversé des roches ultramafiques. C'est cas pour les sources salées du Jebel Awq, à Oman.

Il peut être aussi le produit de la combustion naturelle de veine de charbon ou de puits naturel de bitume. Ces cas de formation in situ ont été relevés par exemple dans certaines mines du bassin minier charbonnier de Chéliabinsk en Russie, ou dans le désert jordanien de Magarin ou au voisinage d'Hatrurim dans le Néguev israélien à partir d'affleurement bitumineux.

Il apparaît également sur la zone de mines de manganèse de Kuruman, dans la province du Cap en Afrique du Sud. Notez les gros cristaux en tablettes de plus de 5 cm et les pièces massives trouvées dans cette partie du désert du Kalahari.

Association habituelle en paragenèse : afwillite, calcite, halite, brownmillerite (en), hydrocalumite, larnite et spurrite, mayenite et ettringite.

Lieux d'occurrences
  • Afrique du Sud
mine de Black Rock ou mine Wessels à Hotazel ou mine N'Ch'wanning à Kuruman dans le champ minier de Manganèse du Kalahari
Mine de Palabora, Phalaborwa, Province de Limpopo
  • Allemagne
carrière de Zeilberg, Maroldsweisach, Franconie bavaroise
Feuerberg,
Emmelberg, Übersdorf, Daun dans le massif Eiffel, Rhénanie-Palatinat
volcan Bellerberg, Ettringen près de Mayen dans le massif Eiffel
Mine Lichtenberg, Gera, Thuringe
  • Australie
Carrière de granite, Lac Boga, Province de Victoria
  • Belgique
Mine Saint-Jean, Montignies-sur-Sambre
  • Canada
Mine du géant Mascot(te), Hope, Colombie Britannique
Oka dans le massif des Laurentides au Québec et ancien cratère météoritique de Kativik, Nord Québec
  • Chine
Mines manganisifères de Hougou-Dapingshan, Mian, Hanzhong, Shaanxi
  • États-Unis
Anciennes mines de charbon de Virginie
  • France
Mines de Boisséjour, Ceyrat, Puy-de-Dôme
zone de métamorphisme de Lapanouse-de-Sévérac, Aveyron
Mines de Cu et Pb Les Rats, au Crozet, La Pacaudière, Loire
  • Grande-Bretagne
Scawt Hill, comté d'Antrim en Irlande du Nord (géotype)
Carneal, Glenoe, comté d'Antrim
  • Italie
Carrière de Campomorto, Momalto di castro, Province de Viterbe
Carpenara, Province de Gênes, Ligurie
Colle Fabbri, Spolète, Ombrie
Vésuve, Campanie
  • Portlandite blanche associée à l'ettringite, volcan Bellerberg, Ettringen, District de Mayen dans l' Eiffel
    Israël
Bassin d'Hatrurim et formation homonyme, Néguev
  • Jordanie
Maqarin
  • Hongrie
dans la puszta de Kanya ou Kányáspuszta, Monts Matra
  • Mexique
Cerro de la Coronita, Cuernavaca, Morelos
  • Norvège
Mines de fer du Kongsberg, Buskerud,
  • Oman
sources salées du Jebel Awq
  • Palestine
Ma'aleh Adumim ou Djebel Harmun, dans les formations géologiques d'Hatrurim
  • Pologne
mine de Dąbrowka Wielka, près de Katowice, Haute Silésie
  • Roumanie
colline Cornet, Hunedoara
  • Russie
mine de charbon de Korkino, Bassin minier de Chéliabinsk, Oural méridional
Dépôt de Khiagda, plateau de Vitim, République de Bouriatie
  • Suède
Alnö, Sundsval
  • Tadjikistan
Zones de roches alcalines, Dunkelsdyksky, Mont Pamir
  • Tunisie
Djebel Sekarna, Siliana
  • autres anciennes mines de charbons
  • autres affleurements bitumineux

Usages

Il s'agit de la chaux éteinte des anciens chimistes. Elle peut s'employer, là où elle est présente et suivant ces qualités (impuretés), pour la fabrication de liant ou de ciment.

Il est probablement très rare, mais pas à exclure a priori, que le minéral naturel soit utilisé pour neutraliser les terres trop acides, en chimie des sels de calcium, des peintures, voire pour durcir les produits à base de caoutchoucs ou en pétrochimie.

Il s'agit aussi d'un minéral de collection, en particulier pour sa valeur scientifique.

Bibliographie
  • Alain Morandeau, Carbonatation atmosphérique des systèmes cimentaires à faible teneur en portlandite, Thèse de génie civil, Université Paris Est, 2013. Thèse en ligne
  • Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (M. Thiery, G. Villain, V. Baroghel-Bouny du B.C.C., G. Platret, E. Massieu du P.C.M., Intervention commune sur le thème " Un modèle d’hydratation pour le calcul de la teneur en portlandite des matériaux cimentaires comme donnée d’entrée des modèles de carbonatation" aux Journées Ouvrages d’Art du réseau des L.P.C. à Lyon, Résumé et texte
  • G. Arliguie, J. Grandet, J. P. Ollivier, "Orientation de la portlandite dans les mortiers et bétons de ciment Portland: Influence de la nature et de l’état de surface du support de cristallisation", revue Materials and Structures, , Volume 18, Issue 4, p. 263-267.
  • Deux articles en anglais concernant la portlandite dans la revue American Mineralogist 19: 35 (1934) et 48: 924-930 (1963).
  • Henderson D M, Gutowsky H S, "A nuclear magnetic resonance determination of the hydrogen positions in Ca(OH)2 T = -190 °C ", American Mineralogist 47, 1231-1251 (1962) texte Pdf

Autres articles

Liens externes

Notes et références
  1. La classification des minéraux choisie est celle de Strunz, à l'exception des polymorphes de la silice, qui sont classés parmi les silicates.
  2. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  3. environ 1,85 g/litre à 0 °C, 1,2 g/litre à 20 °C, 0,66 g/litre à 80 °C
  4. Tilley, Mineralogical Magazine: 23: 419,(1933) Article fondant la dénomination par CE Tilley Notons que la réaction pouzzolanique pour obtenir des pouzzolanes artificielles à base de chaux et de silice humide consomme de l’hydroxyde de calcium ou portlandite, contrairement à l’hydratation du clinker ou du ciment Portland qui en libère .
  5. doi: 10.1021/es402061c. Epub 2013 Sep 11.
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