Les matériaux minéraux

Les matériaux minéraux servent à fabriquer de nombreux objets de notre quotidien. Quelles sont les différents minéraux et leurs applications ?

Historique des matériaux minéraux

C’est à la Préhistoire et plus précisément à l’Âge de pierre (il y a environ 2,5 millions d’années) que remonte les premières utilisations par l’Homme des matériaux minéraux. On appelle d’ailleurs plus communément ces matériaux des “pierres” ou “roches” À cette époque, l’Homme taille le silex pour créer ses premiers outils. Petit à petit, les outils, les constructions, et les besoins des êtres humains évoluent. Cette période s’achève lorsque débute l’Âge des métaux (Âge du cuivre, Âge du bronze, Âge du fer) vers 8000 ans avant J-C.

Autrement dit, l’Homme a appris à maîtriser les matériaux minéraux (pierres) avant de maîtriser les métaux et cela a joué un rôle déterminant dans l’évolution des civilisations.De nombreuses techniques ont été développées comme l’architecture, la poterie, la verrerie, la sculpture etc. Les plus grands ouvrages que l’Homme ait construit (Pyramides d’Égypte, Monuments Grecs ou Romains, Châteaux médiévaux…) doivent leur existence à la maîtrise des minéraux et de leurs avantages.

Quelle est la différence entre un minéral et une roche ?

Un minéral est un élément qui se présente sous la forme d’un cristal. Il en existe plus de 4000 variétés, mais on en retrouve couramment qu’une douzaine (quartz, feldspath, biotite, calcite, halite, pyrite, magnétite, goethite, grenat etc.) Une roche est un matériau solide formé d’un assemblage de minéraux, un peu comme un cookie composé de pâte et de pépites de chocolat ! Une roche peut être constituée d’un ou plusieurs minéraux.

L’utilisation des matériaux minéraux

Aujourd’hui, on utilise les matériaux minéraux dans de très nombreux domaines comme la construction de bâtiment, l’outillage, la médecine, la vaisselle de cuisine, les transports, l’électronique et bien d’autres… Leurs utilisations nécessitent parfois des transformations comme la poterie, la verrerie ou bien la fabrication de béton, tandis que parfois la pierre est simplement taillée pour être utilisée telle quel. Les matériaux minéraux doivent essentiellement leur succès grâce à leurs propriétés mécaniques et thermiques.

Les roches

Les roches sont un assemblage de plusieurs minéraux tels que le mica, le quartz, le feldspath etc. Il en existe 3 principales catégories : magmatiques, sédimentaires et métamorphiques.

Les roches magmatiques se forment à partir du magma en fusion dans le manteau terrestre. Les roches magmatiques qui refroidissent lentement en profondeur sont appelées “plutoniques”, tandis que celles qui refroidissent rapidement après l’éruption d’un volcan sont dites “volcaniques”. Voici les roches magmatiques les plus couramment utilisées avec leurs propriétés :

Granite

Catégorie : Magmatique plutonique
Minéraux : Quartz, Feldspath
Masse volumique : 2.64 g/cm³
Conductivité thermique : 2,20 W/m.K
Dureté : 6 à 7 (Échelle de Mohs)
Applications : Bâtiment, Statues…

Basalte

Catégorie : Magmatique volcanique
Minéraux : Feldspath, pyroxènes, olivine
Masse volumique : 3 g/cm³
Conductivité thermique : 3,50 W/m.K
Dureté : 5 (Échelle de Mohs)
Applications : Bâtiment, Statues, Isolant thermique (Laine de roche)

Les roches sédimentaires se forment avec l’accumulation en couches de sédiments (sable, argile, gravier…) dans un bassin. Voici les roches sédimentaires les plus couramment utilisées avec leurs propriétés :

Calcaire

Catégorie : Sédimentaire
Minéraux : Calcite, Silice…
Masse volumique : 2,65 g/cm³
Conductivité thermique : 1 W/m.K
Dureté : 3 (Échelle de Mohs)
Applications : Ciment, béton, roche à bâtir…

Grès

Catégorie : Sédimentaire
Minéraux : Quartz, Feldspath, Mica…
Masse volumique : 2,6 g/cm³
Conductivité thermique : 1,3 W/m.K
Dureté : 6 à 7 (Échelle de Mohs)
Applications : Bâtiment, Statues…

Les roches métamorphiques sont le résultat de la déformation de roches sédimentaires ou de roches magmatiques sous l‘effet de la température et de la pression à des profondeurs de plusieurs kilomètres. C’est pour ça qu’elles ont des dessins parfois colorés. Voici les roches métamorphiques les plus couramment utilisées avec leurs propriétés :

Ardoise

Catégorie : Métamorphique
Minéraux : Quartz, Muscovite, Illite
Masse volumique : 2,75 g/cm³
Conductivité thermique : 2,50 W/m.K
Dureté : 5,5 (Échelle de Mohs)
Applications : Toitures, ardoises, billards…

Marbre

Catégorie : Métamorphique
Minéraux : Calcite, Mica, Graphite…
Masse volumique : 2,7 g/cm³
Conductivité thermique : 2,08 à 2,94 W/m.K
Dureté : 3 à 4 (Échelle de Mohs)
Applications : Revêtement sol, crédences, plans de cuisine…

Les gemmes

Les gemmes sont des pierres précieuses, organiques ou fines. Elles sont toutes solides et résistantes aux rayures. Les gemmes ont des couleurs très attrayantes et sont employées dans la composition de bijoux depuis l’Antiquité. La science de l’étude de ces pierres s’appelle la gemmologie.

Pierres précieuses

On considère les 4 gemmes (diamant, rubis, saphir et émeraude) comme précieuses par leur rareté, leur qualité, leur pureté et leur beauté.

Diamant

Le diamant est un minéral cristallin pur de forme cubique entièrement composé de carbone (C). Il est généralement de couleur jaune, gris ou brun et plus rarement bleu, vert, rouge, violet, blanc ou translucide. Avec une masse volumique de 3,51 g/cm³, c’est une pierre relativement lourde. Sa propriété exceptionnelle reste sa dureté de 10 (maximum sur l’échelle de Mohs). Le diamant est utilisé en joaillerie, en outillage de coupe ou de forage, en optiques lasers et de nombreuses autres applications.

Saphir

Le saphir est un minéral principalement constitué d’oxyde d’aluminium (Al2O3). Il appartient à la variété des Corindons. Des impuretés de titane, de fer, ou de vanadium lui donne diverses couleurs (bleu, jaune, rose, vert, orange ou multicolore). Sa masse volumique de 3,95 à 4,03 g/cm³ en fait une pierre lourde. Sa dureté est de 9 sur l’échelle de Mohs. Le saphir est principalement utilisé en joaillerie, en optique et en horlogerie.

Rubis

Comme le saphir, le rubis est un minéral principalement constitué d’oxyde d’aluminium (Al2O3). Il appartient aussi à la variété des Corindons. Il contient seulement des impuretés de chrome lui donnant sa couleur rouge. Sa masse volumique de 3,97 à 4,05 g/cm³ en fait une pierre lourde. Sa dureté est de 9 sur l’échelle de Mohs. Le rubis est principalement utilisé en joaillerie, en horlogerie et en polissage mécanique.

Émeraude

L’émeraude est un minéral de la variété des béryls (Be3Al2Si6O18). Il appartient au groupe des silicates. Il contient des impuretés de chrome, de vanadium et parfois de fer, lui donnant sa couleur verte. Sa masse volumique est de 2,7 à 2,9 g/cm³. Sa dureté est comprise entre 7,5 et 8 sur l’échelle de Mohs. L’émeraude est principalement utilisé en joaillerie.

Pierres fines

Les pierres fines sont aussi appelées “semi-précieuses”. Elles désignent l’ensemble des autres pierres utilisées en joaillerie. On y retrouve par exemple : l’agate, l’améthyste, le jade, les opales, le quartz rose, la topaze, la turquoise et beaucoup d’autres…

Pierres organiques

Les pierres dites “organiques” sont des gemmes qui ne sont pas d’origines minérales. On y retrouve : l’ambre, le corail, la nacre, les perles ou le jais… Elles sont également employées dans la confection de nombreux bijoux.

Les céramiques

Les céramiques regroupent de nombreux matériaux solides obtenus grâce à la cuisson d’agiles. Le plus souvent, on utilise des argiles qui contiennent du quartz et du feldspath.

  • Les objets céramiques sont modelés à température ambiante puis cuits à des températures élevées sans aller jusqu’à la fusion
  • Pour le verre, la technique est différente : les minéraux sont d’abord cuits jusqu’à leur fusion et une fois que la matière devient liquide : on modèle l’objet tout en le laissant refroidir.

Historiquement, les céramiques servaient à fabriquer des poteries pour la cuisine ou construire des habitations. Petit à petit, leurs propriétés ont conduit l’Homme à s’en servir dans pleins d’autres domaines : l’électricité, l’électronique, l’automobile, la médecine, ou l’aéronautique. Très dures et résistantes, les céramiques ont cependant une masse volumique (densité) inférieure à celle des métaux.

Ingrédients de la céramique : les argiles

Ce sont les matières premières des céramiques. Les argiles servent à la création de briques, tuiles, poteries, porcelaines, faïences, carrelages etc. Mélangées à la paille, elles servent aussi à faire du torchis dans la construction de maisons au Moyen-Âge. L’argile est une roche très friable sous forme de poudre à l’état sec. Au niveau microscopique, elle se compose d’une multitude de minéraux (feldspaths) mobiles pouvant accueillir de l’eau pour former une pâte visqueuse. Une fois séchée ou cuite, l’argile devient dure. Il existe différentes sortes d’argiles et voici les plus couramment utilisées :

Kaolinites

La kaolinite (ou Kaolin) est une argile principalement composée de silicate d’aluminium (Al2SiO5) résultant de la décomposition du feldspath. Elle ne contient pas de fer d’où sa couleur blanche. Découvert en Chine vers la fin de l’Antiquité, le kaolin permet de fabriquer de la porcelaine. Aujourd’hui, il est aussi utilisé dans la médecine, les cosmétiques et l’industrie. Il existe aussi dans la variété des kaolinites : les halloysites Al2Si2O5(OH)4

Smectites

La plus connue est  la montmorillonite dont le nom provient de la ville de Montmorillon (Vienne) où elle a été étudiée pour la première fois. C’est une argile composée de silicate d’aluminium et de magnésium hydraté. Elle se retrouve souvent de couleur verte, grise ou bleue. La montmorillonite est utilisée en pharmacie contre les gastro-entérites et dans la construction pour les mortiers. Parmi les smectites, on retrouve également la Terre de Sommières connue pour son pouvoir détachant car elle est très absorbante.

Illites

Elles doivent ce nom à l’état de l’Illinois aux États-Unis où elles ont été étudiées pour la première fois. Les argiles illites sont riches en calcium et en fer. Elles sont pour cela très souvent de couleur rouge ou jaune. Très répandues, elles servent à la fabrication de nombreux objets en terre cuite et sont considérées comme de moins bonne qualité que les montmorillonites.

Argiles grésantes

Ce sont des argiles plastiques à forte teneur en silice. Leur vitrification s’effectue entre 1200°C et 1300°C. Les argiles grésantes sont utilisées au Moyen-Âge pour fabriquer de la vaisselle puis au 19ème siècle dans la fabrication de carrelages de sol et de canalisations. Lors de la cuisson, les argiles grésantes se vitrifient légèrement et deviennent étanches.

Les différentes céramiques

La terre cuite

La terre cuite est l’un des plus anciens matériaux céramiques de construction et reste essentiellement utilisée pour les poteries et les matériaux de construction (briques, tuiles…). La terre cuite est une céramique poreuse. Elle est constituée d’argiles à forte teneur en fer qui lui donnent cette couleur orange. Les objets en terre cuite sont modelés puis cuits à des températures comprises entre 850°C et 1000°C pendant plusieurs heures.

Les faïences

La faïence est un matériau céramique apparu au Moyen-Orient qui est élaboré grâce à 2 cuissons. Les objets en faïence (biscuits) sont modelés à partir d’argiles ferrugineuses ou kaoliniques. Ils sont cuits une première fois à des températures comprises entre 1000°C et 1200°C. Une fois cuit, le biscuit encore poreux reçoit alors une couche d’émail qui l’imperméabilise. Une seconde cuisson à 980°C permet de fixer l’émail. La faïence s’est beaucoup développée au 16ème siècle (Renaissance) grâce à la fabrication de vaisselles décorées.

Le grès cérame

À ne pas confondre avec la roche “grès”. Le grès cérame est une céramique composée d’argile grésante qui est vitrifiée, imperméable et très dure. Les objets en grès cérame sont moulés puis cuits à des températures comprises entre 1100°C et 1300°C. Ce matériau s’est beaucoup développé au 19ème siècle grâce à la fabrication de carrelages de sol ou de canalisations.

La porcelaine

La porcelaine est fabriquée à partir de kaolin. Les objets en porcelaine sont moulés puis cuits à des températures comprises entre 1200°C et 1400°C. Lors de la cuisson, la pâte est vitrifiée au point d’être très blanche et même translucide à faible épaisseur. C’est un excellent matériau pour la vaisselle car elle est imperméable et d’une grande résistance. Attention à la casse 😉

Le verre

Le verre est un matériau céramique minéral. Il est obtenu par fusion à haute température (1000°C) de silice provenant du sable (quartz), de chaux ou de soude. Il peut aussi être recyclé à partir d’objets usagés en verre comme des bouteilles par exemple. C’est un matériau généralement transparent qui peut être coloré en y ajoutant des impuretés métalliques. Il est aussi très cassant et coupant.

Contrairement aux autres céramiques, le verre est d’abord chauffé pour être amené à sa température de fusion puis façonné par la suite. On peut réaliser de nombreuses formes et ainsi de nombreux objets (vases, bouteilles, verres, vitres, lentilles optiques…). Il entre aussi dans la composition du cristal ou de la laine de verre pour l’isolation thermique des maisons.On utilise le verre dans le bâtiment pour construire des parois vitrées, des verrières, des vitres de portes et/ou fenêtres. Dans l’ameublement, il compose parfois des tables, des meubles et des ampoules d’éclairage.

Les matériaux minéraux de construction

Les roches et les céramiques telles que la terre cuite ou le verre sont très utilisées dans la construction. Mais les matériaux minéraux les plus incontournables dans dans le bâtiment sont les poudres minérales comme le ciment, le plâtre ou des mélanges tels que le béton.

Ciment

Le ciment est une poudre minérale qui forme une pâte lorsqu’elle se mélange avec de l’eau et qui durcit en séchant. On appelle cela : un liant hydraulique. Le ciment s’obtient à partir de calcaire et d’argile calcinés que l’on appelle aussi clinker. Selon son utilisation, il existe 5 types de ciments : le ciment colle, le ciment joint, le ciment de construction, le ciment pour béton et le ciment de maçonnerie. Le temps de séchage peut varier selon sa composition et peut être très rapide dans certains cas.

Le ciment est utilisé :

  • dans la composition du béton,
  • dans la composition du mortier pour revêtir les façades,
  • pour lier les briques dans la construction de murs,
  • et pour coller les carrelages et les faïences.

Plâtre

Le plâtre est un matériau céramique minéral qui s’obtient à partir de la cuisson du gypse qui est une roche riche en sulfate de calcium hydraté. À l’instar du ciment, le plâtre est aussi un liant hydraulique. Il forme une pâte lorsqu’on le mélange avec de l’eau et durcit après un temps de séchage.Il présente quelques qualités pour l’habitat car il est un bon isolant thermique, phonique et régule l’humidité dans la maison.

Le plâtre se travaille sous différentes formes : plaques, blocs, enduits, plâtre à coller, plâtre à jointoiement

On l’utilise pour construire :

  • chapes, cloisons
  • stuc, staff,
  • doublages, plafonds, faux-plafonds,
  • moulures, décorations, rosaces

Béton

Le béton est un matériau minéral composite obtenu à partir d’eau, de ciment et de granulats (sable et/ou graviers). Comme un gâteau, le béton sous forme de pâte est coulé dans un moule que l’on appelle : coffrage. Puis après séchage, on obtient un matériau très dur et très résistant sur le plan mécanique. Si on ajoute une armature métallique on obtient du béton armé.

Il existe différents types de bétons : le béton aggloméré, le béton armé, le béton de ciment, le béton de bitume, le béton cellulaire, le béton végétal (chanvre ou paille) etc.De couleur grise, le béton peut être coloré par l’ajout de pigments ou d’oxydes métalliques.

Le béton est utilisé pour construire des :

  • blocschapesdalles
  • mursparpaings
  • des poutrelles et beaucoup d’autres éléments.

À retenir

  • C’est à l’Âge de pierre (il y a environ 2,5 millions d’années) que remonte les premières utilisations par l’Homme des matériaux minéraux.
  • Un minéral est un élément qui se présente sous la forme d’un cristal.
  • Les roches sont un assemblage de plusieurs minéraux tels que le mica, le quartz ou le feldspath
  • Une gemme est une pierre précieuse, organique ou fine. Les gemmes sont toutes solides et résistantes aux rayures.
  • Les céramiques regroupent de nombreux matériaux solides (terre cuite, verre, porcelaine…) obtenus grâce à la cuisson d’agiles.
  • Dans le bâtiment on utilise des poudres minérales et des mélanges comme liant hydraulique telles que le ciment, le plâtre ou le béton.

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