Voir la source de Bélite


La '''bélite''' est un minéral industriel important dans la fabrication du [[ciment Portland]]. Son constituant principal est le [[silicate dicalcique]], de [[formule brute|formule]] {{fchim|Ca|2|SiO|4}} (ou {{fchim|2 CaO · SiO|2}}, {{fchim|C|2|S}} en [[notation cimentière]]).

== Étymologie ==
Le nom a été donné par Törnebohm en 1897 à un cristal identifié lors d'une étude microscopique du ciment Portland<ref>Jean-Pierre Bournazel, Yves Malier, Micheline Moranville Regourd, 1998, ''Concrete, from Material to Structure '' RILEM Publications, {{ISBN|2-912143-04-7}}.</ref>. Belite est un nom d'usage courant dans l'industrie du ciment, mais n'est pas un nom minéral reconnu. Il se produit naturellement comme le minéral [[larnite]], le nom étant dérivé de [[Larne]], [[Irlande du Nord|en Irlande du Nord]], la ville la plus proche de Scawt Hill où il a été découvert<ref>{{Ouvrage|prénom1=William Alexander|nom1=Deer|prénom2=R. A|nom2=Howie|prénom3=J|nom3=Zussman|titre=Disilicates and ring silicates|date=1997-05-01|pages totales=248–249|isbn=9781897799895|titre chapitre=Larnite}}</ref>.

== Composition et structure ==
[[Fichier:BeliteXtalStruc.jpg|vignette|256x256px| Structure cristalline simplifiée de la bélite]]
La bélite est présente dans le ciment Portland qui diffère par sa composition du [[Silicate de calcium|silicate dicalcique]] pur. C'est une [[solution solide]] qui contient des quantités mineures d'autres [[oxyde]]s en plus de CaO et SiO<sub>2</sub>. La composition type de la bélite est<ref>Taylor H.F.W. (1990), ''Cement Chemistry'', Academic Press, 1990, {{ISBN|0-12-683900-X}}, {{p.|10-11}}.</ref> :
{| class="wikitable"
! width="60" |Oxyde
! width="60" | Masse %
|-
| CaO
| 63,5
|-
| SiO<sub>2</sub>
| 31,5
|-
| Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| 2.1
|-
| Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
| 0,9
|-
| MgO
| 0,5
|-
| SO<sub>3</sub>
| 0,1
|-
| Na<sub>2</sub>O
| 0,1
|-
| K<sub>2</sub>O
| 0,9
|-
| TiO<sub>2</sub>
| 0,2
|-
| P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
| 0,2
|}

Sur cette base, la formule peut être exprimée sous la forme Ca<sub>1,94</sub> Mg<sub>0,02</sub> Na<sub>0,01</sub> K<sub>0,03</sub> Fe<sub>0,02</sub> Al<sub>0,07</sub> Si<sub>0,90</sub> P<sub>0,01</sub> O<sub>3,93</sub> . En pratique, la composition varie avec la composition massique du [[clinker]], sous réserve de certaines limites. La substitution des ions calcium ou des ions orthosilicate nécessite que les charges électriques soient maintenues en équilibre. Par exemple, un nombre limité d'ions orthosilicate (SiO<sub>4</sub><sup>4−</sup>) peuvent être remplacés par des ions [[sulfate]] (SO<sub>4</sub><sup>2−</sup>), à condition que pour chaque ion sulfate, deux ions [[aluminate]] (AlO<sub>4</sub><sup>5−</sup>) soient également substitués.

== Polymorphes ==
Le silicate dicalcique est stable et se prépare facilement à partir de CaO réactif et de SiO<sub>2</sub> à 300 °C. La forme basse température est la γ-bélite, ou chaux [[olivine]]. Cette forme ne s'hydrate pas et est évitée dans la fabrication du ciment.

Lorsque la température augmente, elle passe par plusieurs états [[Polymorphisme (chimie)|polymorphes]] :
{| class="wikitable"
|+
!Température °C 
!Nom
!Cristal
|-
|>1425
|ɑ
|Hexagonal
|-
|1160-1425
|α'<sub>H</sub>
|Orthohombrique
|-
|680-1160
|α'<sub>L</sub>
|Orthohombrique
|-
|500-680
|β
|monoclinique
|-
|<500
|γ
|orthorhombique
|}

== Hydratation ==
La bélite est le minéral du ciment Portland responsable du développement de la [[Résistance des matériaux|résistance]] "tardive". L'autre silicate, l'[[alite]], apporte une résistance "précoce", en raison de sa plus grande réactivité. La bélite réagit avec l'eau (grossièrement) pour former [[Silicate de calcium hydraté|des hydrates de silicate de calcium]] (CSH) et de la [[portlandite]] (Ca(OH)<sub>2</sub>) selon la réaction :

<chem>\underbrace{{2 Ca2SiO4}}_{{Belite}} + \underbrace{{4 H2O}}_{{Water}} -> 3 CaO . 2 SiO2. 3 H2O + \underbrace{{Ca(OH)2}}_{{Portlandite}}</chem><chem>\underbrace{{2 Ca2SiO4}}_{{Belite}} + \underbrace{{4 H2O}}_{{Water}} -> 3 CaO . 2 SiO2. 3 H2O + \underbrace{{Ca(OH)2}}_{{Portlandite}}</chem><chem>\underbrace{{2 Ca2SiO4}}_{{Belite}} + \underbrace{{4 H2O}}_{{Water}} -> 3 CaO . 2 SiO2. 3 H2O + \underbrace{{Ca(OH)2}}_{{Portlandite}}
</chem>

Cette réaction rapide est "chimiquement analogue" à la lente hydratation naturelle de la [[forstérite]] (l'extrémité magnésienne de l'[[olivine]] ) conduisant à la formation de [[Serpentinite|serpentine]] et de [[brucite]] dans la nature, bien que la cinétique d'hydratation de la bélite artificielle mal cristallisée soit beaucoup plus rapide que l'altération lente de la [[forstérite]] bien cristallisée dans des conditions naturelles.

<chem>\underbrace{{2 Mg2SiO4}}_{{Forsterite}}
 +\underbrace{{3H2O}}_{{Water}} -> \underbrace{{Mg3Si2O5(OH)4}}_{{serpentine }} + \underbrace{{Mg(OH)2}}_{{brucite }}</chem>

La phase [[Hydrate|hydratée]], [3 CaO · 2 SiO<sub>2</sub> · 3 H<sub>2</sub>O], est appelée phase « [[Silicate de calcium hydraté|C-S-H]] ». Elle se développe sous la forme d'une masse d'aiguilles [[Enclenchement|imbriquées]] qui fournissent la résistance du système de ciment hydraté. Une réactivité relativement élevée de la bélite est souhaitable dans la fabrication du ciment Portland, et la formation de la forme γ non réactive doit être rigoureusement évitée. Ceci est réalisé par un refroidissement rapide, formant des cristaux petits, déformés et très défectueux. Les défauts fournissent des sites pour l'attaque initiale de l'eau. L'absence de refroidissement rapide du clinker conduit à l'inversion de la bélite en forme γ. La forme γ a une structure et une densité sensiblement différentes, de sorte que l'inversion conduit à la dégradation du cristal et de sa matrice environnante, et peut également déclencher la décomposition de l'[[alite]] voisine. Ceci s'observe macroscopiquement sous forme de « saupoudrage » : les [[Nodule (géologie)|nodules]] de clinker tombent en une fine [[poussière]].

== Détection ==
[[Fichier:ClinkerPetrog01.jpg|vignette|250x250px| Section de clinker 0,15 x 0,15 mm]]
Les minéraux du clinker de [[ciment Portland]] peuvent être observés et quantifiés par microscopie [[Pétrographie|pétrographique]]. Les nodules de clinker sont coupés et broyés en une surface plane et polie. Les minéraux exposés sont rendus visibles et identifiables en [[Eau-forte|gravant]] la surface. La surface peut alors être observée en lumière réfléchie par [[Microscope optique|microscopie optique]]. Dans l'exemple, un nodule de clinker a été poli et attaqué avec de la vapeur [[Fluorure d'hydrogène|de fluorure d'hydrogène]]. L'alite apparaît en marron, la bélite en bleu et les phases fondues en blanc. [[Microscope électronique|La microscopie électronique]] peut également être utilisée, auquel cas les minéraux peuvent être identifiés par analyse à la microsonde . La méthode privilégiée pour quantifier avec précision les minéraux est la [[Cristallographie aux rayons X|diffraction des rayons X]] sur le clinker en poudre, en utilisant la technique d'analyse de [[Méthode de Rietveld|Rietveld]]. La bélite est beaucoup plus difficile à broyer dans un broyeur à ciment que l'alite.

== Notes et références ==
{{références}}

== Voir aussi ==
* [[Serpentinite|Réaction d'hydratation de la forstérite (olivine) en serpentinisation]]
* [[Notation cimentière|CCN]], notation chimiste du ciment

{{Portail|minéraux et roches}}

[[Catégorie:Ciment]]
[[Catégorie:Silicate de calcium]]