COURS MATERIAUX
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IUT d’Amiens Département de Génie Civil Avenue des Facultés, 80025 Amiens cedex 01
Cours de Licence professionnelle: Choix constructifs à qualité environnementale Année 2008/2009
Mr Benazzouk
Licence professionnelle : Choix constructifs à qualité environnementale
Développement durable
Ingénierie des matériaux
9 9 9 9
gestion de matières premières gestion des énergies gestion des déchets gestion des nuisances
Faisabilité et fonctionnalisation des matériaux de construction
Formulation fonctionnelle et caractérisation physico-mécanique
Facteurs de Durabilité et dégradation
Plan général du cours 1. Généralités sur les matériaux de construction et leurs constituants; 2. Différents matériaux de construction et leurs propriétés; 3. Techniques de mesures des propriétés des matériaux de construction; 4. Généralité sur la Durabilité des matériaux de construction; 5. Quelques exemples de dégradation; 6. Étude des Facteurs de Durabilité et diagnostic.
Présentation du cours Public ciblé Le cours «Matériaux de construction» est une des disciplines
essentielles dans le domaine du Génie Civil et de la branche des ponts et chaussées. Ce cours s'adresse en priorité aux étudiants de génie civil et aux
techniciens supérieurs travaillant dans le domaine de la construction. Il résume les différents types de matériaux de construction utilisés
ainsi que les composites dont, les constituants de base sont similaires ou proches de ceux utilisés dans la formulation des matériaux classiques (béton, mortier, composite, plâtre, argile…etc.).
Présentation du cours Objectifs généraux ¾ Connaître des différents types de matériaux de construction; ¾ Renforcer la compréhension concernant les propriétés principales des matériaux de construction et leurs domaine d’emploi le plus efficace; ¾ Permettre aux apprenants de connaître la nature, le principe de fabrication et les applications en fonction de leurs comportements; ¾ Renforcer les connaissances pour pouvoir effectuer les différents essais sur les matériaux de construction; ¾ Procédés d'amélioration de certaines propriétés des matériaux de construction; ¾ Renforcer les connaissances sur la durabilité des matériaux de construction ainsi que leur dégradation dans le temps. Il s’agit de faire une synthèse des Facteurs de Durabilité, avec une prise en compte des paramètres intervenant dans les phénomènes de dégradation.
Classification des matériaux de construction Ingénierie des matériaux Matériaux de base
• Les métaux • Les polymères • Les céramiques
Matériaux composites Matériaux de construction • Pierres • Terres cuites • Bois • Béton • Métaux, etc….
Matériaux de protection • Enduits • Peintures • Bitumes, etc…
Matériaux de construction – Généralités • Qu’est ce qu’un matériau de «construction» ? Un matériau de construction est un composite aggloméré, constitué de granulats durs de diverses dimensions collées entre eux par un liant. La matrice peut être de nature minérale ou organique.
Matériau
Représentation schématique d’un matériau de construction
Matériaux de construction – Granulats • Critères d’échantillonnage «Granulats» Un granulat est un composant important intervenant dans la fabrication et la classification des matériaux de construction. Le nom de "granulats" est un ensemble de grains inertes ou actifs destinés à être agglomérés par un liant pour former un agrégat. C’est un assemblage hétérogène de substances ou éléments qui adhérent solidement entre eux (le mortier ou le béton par exemple).
Utilisation de granulats en construction (environ 80% du poids du matériau)
Impératifs
Critère de propreté et de qualité Caractéristiques propres à chaque usage Dosage optimum en liant pour lier les granulats Critères principaux pour l’utilisation des ajouts inertes
Matériaux de construction – Granulats • Échantillonnage «Prélèvement» Les essais effectués en laboratoire portent nécessairement sur des quantités réduites de matériaux. Ceux-ci devant permettre de mesurer des paramètres caractéristiques de l'ensemble du matériau dans lequel le prélèvement a été réalisé. Il faut que l'échantillon utilisé au laboratoire soit représentatif de l'ensemble. Cette opération est généralement difficile et est parfois coûteuse, mais essentielle. En général le prélèvement d'échantillons se fait en deux temps: ¾ Prélèvement sur le chantier, la carrière ou l'usine d'une quantité de matériaux nettement plus grande que celle qui sera utilisée pour l'essai. ¾ prélèvement au laboratoire de la quantité nécessaire à l'essai et qui soit également représentative de l'échantillon de départ.
Matériaux de construction – Granulats • Types d’échantillonnages «Prélèvement» Le prélèvement d’échantillons sur le tas doit être effectué de plusieurs façons.
Ratissage Sonde taillée
Prélèvement des granulats en stock à la main et à l’aide d’une sonde calibrée Opération de quartage
Matériaux de construction – Granulats • Types d’échantillonnages «Prélèvement» L’echantillonneur permet diviser facilement en deux parties représentatives la totalité d'un échantillon, chaque moitié étant recueillie dans un bac. La répétition en cascade de cette opération, en retenant à chaque opération le contenu de l'un des bacs, permet d'obtenir l'échantillon nécessaire, après trois ou quatre opérations identiques. Récupération dans un bac
Echantillonneur pour graviers
Schéma d'une opération de répartition des granulats
Matériaux de construction – Granulats • Condition d’échantillonnage «Choix des granulats» Les propriétés physiques et mécaniques des matériaux de construction dépendent de plusieurs facteurs. Généralement on souhaite obtenir un matériau résistant, étanche et durable. Pour atteindre ce but, il faut: ¾ que le matériau à l'état frais soit facile à mettre en oeuvre et à compacter (pour réduire la porosité); ¾ un maximum de granulats par unité de volume de matériau (pour réduire la quantité de pâte liante nécessaire pour remplir les vides); ¾ un minimum de surface spécifique (pour réduire la quantité d'eau de gâchage); ¾ choisir un diamètre maximum des granulats; ¾ la proportion de chaque dimension des grains doit être choisie de façon à remplir les vides laissés par les grains de dimensions supérieures; ¾ réduire la teneur en éléments fins au minimum requis pour obtenir une bonne maniabilité. La teneur maximale admise permet également d’améliorer la compacité de la matrice et donc augmenter les résistances mécaniques.
Matériaux de construction – Granulats • Échantillonnage «Courbe granulométrique » Les courbes granulométriques des différents granulats peuvent être déterminées par l'essai de l'analyse granulométrique, suivant la norme NF P 18-560.
Analyse granulométrique correspondant à un sable
Courbe granulomètrique pour plusieurs types de granulats
Tamiseuse électrique
Matériaux de construction – Granulats • Différents types de granulats Les granulats utilisés pour les matériaux de construction peuvent être soit d'origine naturelle, soit artificiels. Ils différent par leurs caractéristiques chimique, physique et mécanique. Ils peuvent également avoir un comportement différent à travers le matériau qu’ils constituent. Des réactions supplémentaires granulat/granulats ou granulat/matrice, peuvent intervenir lors du durcissement du matériau. Les granulats naturels • Minéralogique; •Roulés (de carrières).
• Sédiments siliceux/calcaires; • Métamorphiques (Quartz…); • Eruptives (basaltes, les granites, les porphyres….).
Types de granulats Les granulats artificiels • Sous-produits industriels (laitier cristallisé, de haut fourneau…); • Granulats à haute dureté (ferreux, carborundum, réfractaires…) ; • Granulats légers (l'argile/schiste/ laitier expansé …); • Granulats très légers (l'argile ou le schiste expansé, polymère…). Types de granulats inertes ou actifs utilisés en construction
Matériaux de construction – Matrice • Qu’est ce qu’une «Matrice» ? Une matrice est un liant qui a la propriété de faire prise avec l’eau ou l’air, suivant la nature de ses constituants. Cette réaction transforme la pâte liante, qui a une consistance de départ plus ou moins fluide, en un solide pratiquement insoluble dans l’eau, pour lier le squelette granulaire qui constitue le matériau. La matrice peut être de nature minérale, ou organique.
EAU POUDRE
+
ou AIR
Représentation schématique d’une matrice
LIANT (MATRICE)
Matériaux de construction – Matrice • Types de «Matrices» Une matrice peut être de type minérale ou organique.
Types de matrices
Ciment
Plâtre
Hydraulique
Argile
Chaux Hydraulique ou Aérienne
Représentation schématique des différents types de matrices
Polymère (Latex, Asphalte, bitume…)
Le ciment
Matériaux de construction – Matrice • Qu’est ce qu’un «Ciment» ? Le ciment est un produit moulu du refroidissement du clinker, qui contient un mélange de silicates et d’aluminates de calcium porté à 1450–1550°C ; température de fusion. D'autres éléments (chaux, silice, alumine) viennent compléter le ciment afin de lui donner des caractéristiques différentes. Le ciment est appelé liant hydraulique, car il a la propriété de s’hydrater et de durcir en présence d’eau. Ce durcissement est dû à l’hydratation de certains composés minéraux, notamment des silicates et des aluminates de calcium. Les normes françaises NF P 15-301 (Liants hydrauliques. Ciments courants. Composition, spécifications et critères de conformité) et NF P 15-010 (Liants hydrauliques. Guide d’utilisation des ciments) distinguent, pour les ciments, des catégories qui définissent leur composition et des classes de résistance.
Le ciment
Matériaux de construction – Matrice • Préparation et propriétés générales du «Ciment » La matière première : 80% de calcaire et 20% d'argiles et autres Fabrication: Réaction entre CaO, SiO2, Al2O3 et Fe2O3 dans un four rotatif à 1450°C (clinkérisation) - Densité apparente: 2,1. - Densité réelle: 3,2 - 3,4. - Non soluble dans l’eau.
Matériaux du Bâtiment - Licence professionnelle
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Le ciment
Matériaux de construction – Matrice • Procédé de fabrication du « Ciment » • Procédé
par voie sèche: préchauffée (en poudre) à 800°C par les gaz du four; • Procédé par voie semi-sèche: la poudre est agglomérée sous forme de boulettes par ajout de 12 à 14 % d'eau; • Procédé par voie humide: la matière première est additionnée d'eau dès le broyage et manipulée sous forme de pâte fluide introduite par pompage dans des fours.
Produits d’additions lors de la clinkérisation: • Calcaire + autres produits; • Gypse; • Laitier de hauts fourneaux; • Cendres volantes. Matériaux du Bâtiment - Licence professionnelle
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Le ciment
Matériaux de construction – Matrice • Principe de l’hydratation du «Ciment» L’hydratation des composés du ciment est une réaction exothermique qui provoque une importante élévation de température. Les composés anhydres du ciment sont alors attaqués en surface par l’eau pour produire des composés hydratés. Ces derniers permettent la prise et le durcissement du matériaux.
Principales réactions du ciment avec l'eau 3CaO,Al2O3 + 3 CaSO4 + 31 H2O –––> 3CaO,Al2O3,3CaSO4,31H2O 2 (3CaO,SiO2) + 6 H2O –––> 3CaO,2SiO2,3H2O + 3 Ca(OH)2 2 (2CaO,SiO2) + 4 H2O ––> 3CaO,2SiO2,3H2O + Ca(OH)2
Le ciment
Matériaux de construction – Matrice • Principaux constituants du «ciment» hydraté La réaction d’hydratation est un processus chimique complexe où les principaux composés du ciment C3S, C2S, C3A et C4AF réagissent pour former de nouveaux composés insolubles qui durcissent avec le temps. C'est surtout l'hydratation du C3S et du C2S qui participent le plus au développement de la résistance en produisant des C-S-H. Très sommairement, la réaction d'hydratation du C3S et du C2S est la suivante :
C3S ou + C2S
H2O
La pâte de ciment hydratéé est formée par : les hydrates ; des grains de ciment non-hydraté ; des espaces capillaires ; des bulles d'air.
C-S-H + Ca(OH)2 Les hydrates comprennent : les silicates de calcium hydratés (C-S-H) ; les aluminates de calcium hydratés ; la chaux hydratée (portlandite) ; de l'eau adsorbée sur certains cristaux ; des impuretés.
Le ciment
Matériaux de construction – Matrice • Principe de la réaction d’hydratation du «Ciment» La durée de prise Æ Le ciment a une consistance pâteuse pendant la prise; Æ La prise n’est pas instantanée; Æ La durée de la prise dépend du type de ciment (2 à 3h pour le CPA).
Représentation schématique de l’hydratation du ciment
Le ciment
Matériaux de construction – Matrice • Principe de la réaction d’hydratation du «Ciment» Le phénomène d’hydratation du ciment est une réaction exothermique (prise et durcissement), qui s'accompagne d’un dégagement de chaleur. La réaction dépend: ¾ la finesse de mouture: plus le ciment est broyé fin, plus la chaleur d'hydratation est élevée; ¾ la nature des constituants: les ciments CPA et/ou avec constituants secondaires; ¾ la nature minéralogique du clinker (présence ou non d’ajouts) (CPA ou CPJ); ¾ la température extérieure. 60
Température (°C)
50 40 30 20 10 0 0
5
10
15
20
25
Temps (heures)
Calorimètre pour le test d’hydratation
Évolution de la température lors de l’hydratation du ciment
Évolution de la chaleur d’hydratation du ciment
Le ciment
Matériaux de construction – Matrice • Constituants de la réaction d’hydratation du «Ciment» Exemple de cristaux obtenus après hydratation et durcissement du ciment. Ettringite
C-S-H
Inclusion
Zone de transition
Matrice cimentaire
Portlandite
Formation des hydrates lors de l’hydratation du ciment
Indice d’Inhibition (I); Chaleur d’Hydratation (EH); Degré de la réaction d’hydratation; Analyse qualitative des hydrates (MEB); Analyse quantitative au Rayons X.
Le ciment
Matériaux de construction – Matrice • Classification des «Ciments» / désignation Désignation
Composition clinker/constit. Secondaires
Type de ciment
Utilisation
CEM I
Ciment Portland (CPA)
95% / 5%
Bétons armés, précontraints, ouvrages dont parement apparent
CEM II
Ciment portland composé (CPJ)
20-64% / 36-80% de laitier
Travaux courants en béton armé
CEM III CEM IIIC
Ciment de haut fourneau (CHF) Ciments au laitier
20-64% / 36-80% de laitier 5-19% / 81-95% de laitier
Fondations et travaux souterrains ou en milieu agressif
CEM IV
Ciment pouzzolanique (CPZ)
45-90% / 10-55% de pouzzol., cendr. volan.et fum. de silice
Béton armé dans les travaux maritimes
CEM V
Ciment au laitier et aux cendres (CLC)
20-64% / 18-50% de laitier et cend. volan.
Béton en milieu agressif
-
Ciments prompts naturels
-
Scellements et les colmatages en présence d’eau
-
Ciments alumineux fondu
-
Résistance aux hautes températures (béton réfractaire)
Le ciment
Matériaux de construction – Matrice • Classification des «Ciments» / classe de résistance
Spécification et valeurs garanties en fonction de la classe normale
Le plâtre
Matériaux de construction – Matrice • Qu’est ce qu’un «Plâtre» ? Le plâtre est une poudre blanche provenant de la cuisson d’une roche sédimentaire, le gypse. Il a la propriété de faire prise avec l’eau: c’est un liant hydraulique. Actuellement, le plâtre est le plus souvent utilisé sous forme de produits secs, préfabriqués en usine. Le plâtre s’hydrate dans la solution sursaturée en provoquant la précipitation de microcristaux : CaSO4 - 1/2(H2O) + 3/2 (H2O)
CaSO4 - 2(H2O)
La prise du plâtre s’accompagne : ¾ D’un fort dégagement de chaleur (réaction exothermique); ¾ D’une augmentation de volume due à la cristallisation rapide (0,5% au bout d’une heure et de 1% en 24 heures).
Le plâtre
Matériaux de construction – Matrice • Procédé de fabrication du «plâtre» La fabrication du plâtre comprend les opérations suivantes : L’extraction du gypse; Le broyage du gypse (concasseur); La cuisson (entre 120 et 160°C ÆCaSO4,1/2H2O), 9 Sous pression atmosphérique par voie sèche; 9 Par voie humide dans des fours autoclaves.
Le broyage du plâtre (1500 et 12000 cm2/g); Le mélange Æ homogénéité du produit + incorporation d’adjuvants; Le silotage; L’ensachage. Matériaux du Bâtiment - Licence professionnelle
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Le plâtre
Matériaux de construction – Matrice • Préparation du « plâtre » La matière première : le Gypse - Densité : 2.32 - 2 formes de gypse : ¾ Le gypse cristallisé (sélénite) ¾ Le gypse fibreux, cohérent à grains fins blancs - Peu soluble dans l’eau Matériaux du Bâtiment - Licence professionnelle
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Le plâtre
Matériaux de construction – Matrice • Propriétés générales du « plâtre » La prise CaSO4,1/2H2O + 3/2 H2O –––> CaSO4,2H2O (réaction inverse de celle de la fabrication) Réaction rapide : forte élévation de température (25 à 30°C) + augmentation de volume (1% en 24 heures)
La durée de prise Æ Le plâtre a une consistance pâteuse pendant la prise; Æ La prise n’est pas instantanée. Matériaux du Bâtiment - Licence professionnelle
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Le plâtre
Matériaux de construction – Matrice • Différents types de «Plâtres» et désignation Conformément aux dénominations de la norme NF B 12.301, il existe différentes variétés de plâtres: Type de plâtre plâtre gros plâtre fin pour enduit manuel (enduit) plâtre fin manuel à très haute dureté (enduit) plâtre fin manuels allégés (enduit) plâtre fin à projeter plâtre pour protection incendie
constituants Secondaires Sable, ou sable/chaux. agents retardateurs de prise Vermiculite / perlite / minérales résistantes au feu.
fibres
La chaux
Matériaux de construction – Matrice • Qu’est ce qu’une «Chaux» ? La chaux est un liant de construction qui résulte de la calcination à 900 °C d'un calcaire à haute teneur en carbonate de calcium(CaCO3). La classification actuelle des chaux de construction distingue plusieurs types de chaux: Type de chaux
Fabrication / Propriétés
Chaux vive
Résultat de la cuisson (calcination) du calcaire dans des fours spéciaux, à une température comprise entre 900°C et 1100°C.
Chaux aérienne
Obtenue à partir de calcaires pur ne contenant pas ou peu de matières étrangères (moins de 7%) et pas d'argile. Elle a la propriété de faire prise et durcir à l'air en réagissant avec le dioxyde de carbone (CO2) qu'il contient (carbonatation).
Chaux grasse
Chaux aérienne, à cause de l'onctuosité qu'elle procure aux mortiers. Chaux aérienne en pâte, obtenue par extinction de chaux aérienne par excès d'eau (procédé de fabrication par immersion).
Chaux hydraulique naturelle
Chaux obtenue à partir de calcaires contenant en quantité plus ou moins grande des argiles (10 à 25% en général). Elle a la propriété de faire prise et durcir avec l'eau.
Chaux hydraulique artificielle, chaux magnésienne ou dolomitique, chaux maigre
Provenant d'un mélange de calcaire et de carbonate de magnésium.
L’argile
Matériaux de construction – Matrice • Qu’est ce qu’un «Argile» ? L'argile est une roche sédimentaire, composée de minéraux spécifiques, silicates en général, d'aluminium plus ou moins hydratés, qui présentent une structure feuilletée (phyllosilicates) qui explique leur plasticité, ou bien une structure fibreuse (sépiolite et palygorskite) qui explique leurs qualités d'absorption. L'argile, par la nature colloïdale de ses particules de silicates, développe, en présence d'eau, des propriétés spécifiques permettant le façonnage par : ¾ coulage (comportement rhéologique des suspensions aqueuses, cohésion et plasticité des tessons formés) ; ¾ calibrage, étirage, pressage en pâte molle (cohésion et plasticité) ; ¾ pressage unidirectionnel (cohésion des masses granulées à faible teneur en eau). Il est souvent nécessaire de procéder à l'ajout de particules non colloïdales aux argiles (matériaux dégraissants) afin de maîtriser les propriétés du matériau lors du façonnage et du séchage..
L’argile
Matériaux de construction – Matrice • Différents constituants de l’«Argile» ? Les argiles sont constituées d'un mélange de silicates, dits minéraux des argiles (kaolinite, illite, montmorillonite), et des constituants fins tels que : silice, minéraux micacés, calcaire, composés ferrugineux, matières organiques…etc. Type de constituant
Propriétés
Silice (quartz libre)
modifie les propriétés des minéraux argileux en jouant un rôle de dégraissant (diminution de la plasticité et du retrait de séchage, amélioration du comportement à la défloculation)
Composés ferrugineux
Ils constituent des fondants énergiques et ont une action colorante importante (rouge foncé à jaune).
Calcaires
Au-dessus de 1000 oC, la présence de calcaire favorise le grésage de l'argile, mais son action est brutale. Ils conduisent à des produits non poreux.
Minéraux micacés
Il se trouvent en quantité notable dans les argiles dites grésantes.
Matières organiques
Elles jouent un rôle important sur les propriétés rhéologiques des argiles.
Les terres cuites
Matériaux de construction – Matrice • Qu’est ce qu’une «Terre cuite» ? La terre cuite est une matière obtenue par la cuisson d'argile. Les matériaux de terre cuite sont utilisés depuis plusieurs siècles dans le bâtiment. Ils se sont adaptés à l’évolution de la construction et à ses impératifs. Les caractéristiques des produits de terre cuite permettent à ceux-ci d’être employés dans toutes les parties de la construction avec efficacité. Aujourd'hui, la "terre cuite" désigne souvent une céramique restée poreuse en son cœur. Les caractéristiques des produits de terre cuite permettent à ceux-ci d’être employés dans toutes les parties de la construction avec efficacité. Ce sont essentiellement les briques, les tuiles, les éléments pour planchers, les conduits de fumée, les carreaux rustiques, des éléments de décoration, etc. Les matières premières le plus couramment utilisées dans la fabrication des produits de terre cuite sont les argiles d’une part, et les éléments dégraissants d’autre part.
Les terres cuites
Matériaux de construction – Matrice • Fabrication de la « terre cuite » Fabriquées à partir de minéraux argileux (argiles kaolinitiques ou illitiques)
+ Æ Du sable fin (30 à 40%), Æ Des oxydes et hydroxydes de fer (couleur rouge) Æ Du calcaire Æ Des matières organiques (brûlent à 400°C et colorent les argiles cuites) Æ Des sels solubles (nuisibles : sulfates)
Les terres cuites
Matériaux de construction – Matrice • Principes de fabrication de la « terre cuite » Argiles, Argiles constituants majoritaires Æ extraites en carrière à l’aide d’engins mécaniques puissants (excavateur, bulldozer). Après stockage, l’argile subit une série de traitements: • Broyage • Malaxage • Humidification • Addition d’ajouts Æ pâte homogène présentant la plasticité voulue
Les terres cuites
Matériaux de construction – Matrice • Principes de fabrication de la « terre cuite » Le façonnage La pâte est ensuite façonnée de différentes façons Æ Produits pleins, creux ou perforés : Pâte ferme (5 à 6% d’eau) Æ briques pleines pressées, Pâte demi-ferme (10 à 15% d’eau) Æ tuiles mécaniques formées sous presse, Pâte molle (15 à 25%) pour le filage sous vide.
Le façonnage donne au produit sa forme définitive
Les terres cuites
Matériaux de construction – Matrice • Principes de fabrication de la « terre cuite » Le séchage • Les produits crus sont séchés dans des tunnels • Le séchage a pour but d’éliminer l’eau contenue dans l’argile Æ argile plus plastique • Contraction pendant le séchage : 3 à 8%. ÆSéchage à vitesse limitée • Densité : entre 1.4 et 2.2
Les terres cuites
Matériaux de construction – Matrice • Principes de fabrication de la « terre cuite » La cuisson • Elle s’effectue dans des fours de plusieurs types : - Fours Hoffmann à feu mobile et produits fixes, - Fours tunnels à feu fixe et produits mobiles. • Combustibles : charbon broyé, fuel, gaz naturel….
Les terres cuites
Matériaux de construction – Matrice • Principes de fabrication de la «terre cuite» Le refroidissement et le conditionnement • brusque retrait à 600°C dû au quartz Æ Nécessité de prendre des précautions au refroidissement et de maîtriser la baisse de la température. rature
• Les produits sont ensuite conditionnés et palettisés sous une enveloppe de plastique rétractable.
Matériaux du bâtiment Plan général du cours I.
Les matières plastiques
II.
Le verre
III.
Les peintures et vernis
IV.
Propriétés du matériau plâtre
V.
Propriétés des terres cuites
VI.
Propriétés des bétons
Matériau plâtre
1. Les propriétés générales du plâtre • Le comportement au feu - Excellent rempart contre le feu - Plâtre non revêtu : Classement M0 (incombustible) - Utilisé comme « coupe-feu »
• L’isolation et le comportement acoustique Æ le plâtre améliore l’insonorisation
Matériaux du Bâtiment - Licence professionnelle
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Matériau plâtre
1. Les propriétés générales du plâtre • L’isolation thermique ¾ Seul ou en association avec d’autres matériaux, le plâtre améliore l’isolation des parois ¾ Faible conductivité thermique (entre 0.50 et 0.25 W/m K)
• La régulation de l’hygrométrie (humidité de l’air) ¾ En raison de sa porosité, il permet de réduire l’humidité de l’air ¾ Attention! Æ l’humidité (atmosphérique ou de ruissellement) est nuisible au plâtre (plâtre éventé)
Matériaux du Bâtiment - Licence professionnelle
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Matériau plâtre
2. Les différents types de plâtre Les produits commercialisés se différencient par: Leur granularité (plâtre gros « G », plâtre fin « F »); Leur mode de mise en œuvre (manuelle « M » ou par projection « P »); Leur temps d’emploi :1- court; 2 - allongé; 3 – long;
Leur dureté, normale « N » ou très haute « THD »; Les mélanges et ajouts.
Matériaux du Bâtiment - Licence professionnelle
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Matériau plâtre
2. Les différents types de plâtre Plâtre gros : Refus au tamis de 800 microns : entre 5 et 20% Usages : - Rattrapage d’irrégularités importantes - Montage de maçonnerie - Temps de prise: de 8 à 25 mn
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Matériau plâtre
2. Les différents types de plâtre Plâtres fins : Refus au tamis de 800 microns < 1% Refus au tamis de 250 microns : environ 25% Usages : - Enduits intérieurs - A très hautes dureté Æ cages d’escalier, couloirs, hall d’entrée - Temps de prise > 30 mn
Matériaux du Bâtiment - Licence professionnelle
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Matériau plâtre
2. Les différents types de plâtre Plâtres fins à projeter : - Projection Æ machine légères et maniables Æ double le rendement des plâtriers - Prise lente pour permettre la projection Usages : enduits intérieurs Plâtres pour protection incendie : - Ajout de vermiculite, de perlite, de fibres minérales Æ meilleure résistance au feu - Application par projection en mono-couche Matériaux du Bâtiment - Licence professionnelle
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Matériau plâtre
2. Les différents types de plâtre Plâtre à usages particuliers : - Plâtre à briqueter Æ montage de cloison en briques ou parpaings
- Plâtre-chaux Æ réfection de murs extérieurs - Plâtre de surfaçage Æ corrections de défauts - Plâtre de moulage Æ granulométrie très fine - Plâtre pour préfabrication Æ carreaux de plâtre, cloisons, corniches
Matériaux du Bâtiment - Licence professionnelle
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Matériau plâtre
3. La mise en œuvre du plâtre Les précautions à prendre Le plâtre oxyde le fer Le plâtre frais, en raison de sa porosité, craint le gel
Les emplois du plâtre • Liant de briques pour la construction de cloisons intérieures • Enduit de plafond ou de cloisons • Éléments préfabriqués collés (carreaux de plâtre) • Plaques de plâtre associées ou non à un isolant (placoplâtre®, Placocem)
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Blocs de plâtre
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Matériau plâtre
Pour plus d’informations : ORGANISMES OFFICIELS LIÉS AU METIER DU PLÂTRE Union nationale des entrepreneurs plâtriers, plaquistes, staffeurs et stucateurs, UNEP 9 rue La Pérouse, 75784 Paris Cedex 16 Tél. : 01 40 69 52 14.
Chambre syndicale des entrepreneurs de staff, stuc et activités annexes 10 rue du Débarcadère, 75017 Paris Cedex 17 Tél. : 01 40 55 14 40.
Matériaux terres cuites
1. Les propriétés générales Densité : entre 1.4 et 2.2 g/cm3 (la résistance augmente avec la densité), Une brique convenable n’est pas friable, Porosité < 18%, La présence de grains de chaux (CaO) dans les briques insuffisamment cuites Æ Gonflements ultérieurs en présence d’humidité.
Matériaux terres cuites
1. Les propriétés générales Efflorescences sous forme de tâches blanchâtres en surface Æ Présence de sels solubles véhiculés par l’eau. Essais de gel : perte de masse inférieure à 1% après 25 cycles de gel-dégel. Résistances mécaniques en compression entre 12.5 et 80 Mpa. Parfaitement ininflammable, matériau privilégié pour la constitution de parois anti-feu (classement M0 et M1).
Matériaux terres cuites
2. Les produits fabriqués Éléments pour revêtements de sols, de murs ou de routes Blocs perforés (perforations verticales)
Conduits de fumées Briques plâtrières (perforations horizontales)
A parois pleines
A parois alvéolées
Matériaux terres cuites
3. Les produits fabriqués Poutrelles mixtes Terre cuite
Charpente terre cuite-béton
Béton Terre cuite
Tuiles à emboîtement ou glissement Tuiles « petit moule »
Poutrelles en béton précontraint + sous-face en terre cuite
Tuiles « grand moule »
Matériaux terres cuites
Pour plus d’informations : ORGANISMES OFFICIELS LIÉS AU METIER DE LA TERRE CUITE CTTB, le centre technique des tuiles et des briques http://www.cttb.fr Adresse de correspondance : 17, rue Letellier - 75015 Paris Adresse physique : 200, avenue du Général de Gaulle - 92140 Clamart
Les bétons
1. Généralités sur les bétons Le béton est un matériau composite aggloméré constitué de granulats durs de diverses dimensions collées entre eux par un liant. Types de liant: • Ciment (Béton hydraulique); • Bitume, goudron, asphalt (Béton hydrocarboné); • Résine (Béton de résine (liant de polymère thermoplastique/thermodurcissable); • Argile (béton d'argile).
Types d’agrégats : grains de pierre, sable, gravier, cailloux; autres…. Types d’additifs : Fummées de silice, Pouzolannes, laitiers, adjuvants, fluidifiants, accélératieu/retardateur de prise, entraîneur d’air….
Eau : double rôle d'hydratation du ciment et de facilitateur de la mise en œuvre (ouvrabilité)
Les bétons
2. Fabrication du béton • Types de Bétons Il existe deux catégories de bétons, classé en quatre groupes, selon sa masse volumique ρ
Béton type « béton dense »: 9 béton très lourd : ρ > 2500 kg/m3 ; 9 béton lourd (béton courant) : ρ entre 1800 et 2500 kg/m3 ;
Béton type « béton leger »: ¾ Béton de granulats légers ρ = 500 à 1800 kg/m3 ¾ Béton très légers et bétons cellulaire ρ < 500 kg/m3.
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3. Propriétés des bétons Les résistances mécaniques en compressions obtenues classiquement sont de l'ordre de : Æ Bétonnage sur chantier : 25 à 35 MPa Æ Bétonnage soigné en usine (préfabrication): 40 à 60 MPa Æ Béton Hautes Performances : jusqu'à 200 MPa
Formulation des bétons Æ Le choix des proportions de chacun des constituants d'un béton dépend des propriétés mécaniques et de mise en œuvre souhaitées. Æ Béton sur chantier: 800 litres de gravillons et 400 litres de sable par mètre cube de béton pour 350 à 400 kg de ciment
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2. Différents types de bétons •Bétons denses Béton aggloméré : Æ Béton imitant la pierre, ou parpaing.
Béton armé : Æ Le béton armé a été inventé par Joseph Monier (brevets en 1870). Le béton de ciment présente une excellente résistance à la compression Faible résistance à la traction donc à la flexion ª Incorporer des armatures en acier destinées à s'opposer et à reprendre les contraintes de traction
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2. Types de bétons Béton armé : Béton classique contenant une armature métallique
Les bétons
2. Types de bétons Béton précontraint : Æ Il s'agit de techniques inventées par Eugène Freyssinet en 1928, qui consistent à tendre (comme un ressorts) l’armature du béton, et donc à comprimer, au repos, ce dernier. Dans la pré-tension (le plus souvent utilisée en bâtiment),
les armatures sont mises en tension avant la prise du béton La
post-tension consiste à disposer les câbles de précontrainte dans des gaines incorporées au béton. Après la prise du béton, les câbles sont tendus au moyen de vérins de manière à comprimer l'ouvrage au repos.
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2. Types de bétons Béton précontraint :
Les bétons
2. Types de bétons Béton de résine : Le béton de résine est constitué d'un liant de polymère organique synthétique, parfois thermoplastique mais généralement thermodurcissable (polyester et époxy) , et d'une charge minérale.
charges utilisées : • du sable ( mortier de résine) ; • la pierre concassée, le gravier, le calcaire, la craie, le condensât de silice (poudre de silice, poussière de silice), le granit, le quartz, l'argile, le verre expansé et les fines métalliques ; • un durcisseur (agent de réticulation et un catalyseur); • fibre de verre, voile à base de fibre de verre, tissus et fibres métalliques
Les bétons
2. Types de bétons Béton de résine : Avantages : • faible temps de prise et de délai d'obtention de la résistance maximale; • faible quantité de liant, en fonction de la finesse de la charge; • Bonne résistance à l'action des produits chimiques et corrosifs; • Faible absorption d’eau et stabilité aux gel/dégel • grande résistance mécaniques (polyester/époxy).
Inconvénients : • Réalisation complexe • Instabilité dimensionnelle ; • Taux élevé de fluage (restriction pour l’utilisation en charpente); • Coût élevé.
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2. Types de bétons Quelques propriétés du Béton de résine
Les bétons
2. Types de bétons Béton Hautes Performances (BHP) : Les bétons à hautes performances présentent une durabilité améliorée et une résistance accrue. Ils peuvent supporter des charges supérieures ou permettre des constructions plus élancées. Ils peuvent également présenter des formes plus complexes et permettent de réaliser de plus grandes portées. par une meilleure adhérence entre les granulats et la matrice de ciment. En outre, la résistance de la matrice sera pratiquement égale à la résistance des granulats. La découverte de superplastifiants très performants a constitué un véritable tournant. L’action de ces adjuvants est de rendre le béton nettement plus fluide, sans ajouter d’eau. Les superplastifiants ont créé la base du développement des bétons à hautes performances (BHP), dont les applications se retrouvent principalement dans le secteur du béton préfabriqué.
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2. Types de bétons Béton Hautes Performances (BHP) : La résistance à la compression peut atteindre 200 MPa. Béton hautes performances
Béton classique
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2. Types de bétons Béton Hautes Performances (BHP) : Principe du superplastifiant: • La surface de chaque grain de ciment contient des charges électriques libres; • Les charges opposées s’attirent mutuellement d’où la formation des agglomérats; • L’eau de gâchage qui se trouve entre ces floculats sera emprisonnée. Elle ne contribue plus à la fluidité de la pâte de ciment
Des charges opposées sur la surface des grains de ciment provoquent la floculation
Les bétons
2. Types de bétons Béton Hautes Performances (BHP) : Action du superplastifiant: • Les superplastifiants empêchent la formation
néfaste des conglomérats; • Les molécules du superplastifiant se fixent par adsorption sur l’interface entre le grain de ciment et l’eau de gâchage. • le superplastifiant forme une charge négative autour de chaque grain de ciment • les grains se repoussent les uns des autres. La dispersion qui en résulte réduit la viscosité de la pâte de ciment et augmente l’ouvrabilité.
Les bétons
2. Types de bétons Béton Hautes Performances (BHP) : Effet du superplastifiant: • Réduction de la porosité • Augmentation de la compacité • Utilisation de renfort
Méthode: • Diminution de la quantité d’eau; • Amélioration de l’ouvrabilité; • Utilisation d’un superplastifiant.
Les bétons
2. Types de bétons Béton Hautes Performances (BHP) : Propriétés: • Durabilité améliorée face aux agressions physico-chimiques (perméabilité réduite, meilleure protection de l’armature contre la corrosion, réduction de la pénétration des ions chlore, diminution du risque de réaction alcali-silice, meilleure résistance au gel,…). • En règle générale, une fluidité très élevée à l’état frais. Cette caractéristique facilite la mise en oeuvre du béton, même dans les zones à densité d’armature élevée. • Résistance accrue au jeune âge. Cette propriété permet de réduire le temps de coffrage et d’accélérer la mise en précontrainte. Des délais d’exécution raccourcis sont donc envisageables. • Une résistance finale accrue après durcissement, ce qui permet de réduire les sections du béton et, dès lors, la diminution du poids de la construction ; • Un module d’élasticité supérieur, susceptible d’améliorer la stabilité aérodynamique de ponts élancés. • Un retrait réduit, qui s’avère avantageux pour la maîtrise des déformations d’une construction, ainsi qu’en ce qui concerne les pertes de précontrainte; • Matériau moins résistant au feu.
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2. Types de bétons Béton Auto-plaçant (BAP) : Le béton est auto-placant (SCC, self compacting concrete) s’il se met en place sans compactage ni vibration complémentaire. Il remplit de lui-même les moindres interstices en suivant le principe des vases communicants. Il est auto nivelant dans le cas d’un plancher. Il fait appel à l’utilisation d’adjuvants spécifiques à action fluidifiante, avec une nette augmentation du taux de fillers.
Conditions de fabrication du BAP: • Volume de pâte (ciment + additions + eau + air) élevé; • Réduction de la taille des granulats (pour éviter les frottement); • Limitation de la quantité de granulats (granulats / sable =1); • Quantité de fines élevée (cendres volantes et autres), avec un rapport e/c faible (0.5 à 0.55); • Utilisation de fluidifiant (dérivés cellulosiques, de polysaccharides ou de suspensions colloïdales).
Les bétons
2. Types de bétons Béton Auto-plaçant (BAP) : Propriétés: • • • • • •
Étalement au cône de 60 à 80 cm (test d’étalement); Ouvrabilité importante (cône d’Abrams ou maniabilimètre); Mobilité importante en milieu confiné ou non (ferraillage ou non); Compacité élevée et stabilité au tamis; Mise en place par le seul effet de son poids; Performances mécaniques au moins égales à celle du béton normal.
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2. Types de bétons Béton Auto-plaçant (BAP) : Propriétés de mise en œuvre/tests normalisés:
Étalement Ouvrabilité
Mobilité (boite en U) Stabilité
Les bétons
2. Types de bétons Béton Auto-plaçant (BAP) : Avantages du BAP: pour la mise en oeuvre : • diminution du temps de coulée/rapidité de mise en oeuvre ; • suppression de la vibration et donc des nuisances sonores; • meilleures conditions de travail (appréciation des conditions de travail « non bruyantes » ; • possibilité de couler des bétons dans des endroits inaccessibles ; • possibilité de couler des voiles de grande hauteur en une seule opération. • augmentation de la durée de vie des coffrages.
Les bétons
2. Types de bétons Béton Auto-plaçant (BAP) : Avantages du BAP: sur la qualité du béton : • parfait remplissage des éléments fortement ferraillés ; • obtention d’une bonne qualité de parement (surface de béton lisse et donc moins de pores et de défauts en surface) ; • Réalisation de formes plus sophistiquées; • Bon enrobage des armatures en aciers; • d’une manière générale, obtention d’une meilleure qualité du béton, in situ, pratiquement indépendante du savoir-faire des ouvriers durant la réalisation ; cela va dans le sens d’une durabilité accrue des ouvrages.
Les bétons
2. Types de bétons Béton Auto-plaçant (BAP) : Avantages du BAP: concernant la conception : • permet d’envisager de nouveaux types d’éléments en béton ; • possibilité d’intégrer des réservations dans le coffrage. • Gain de productivité. • moins d’intervenant en haut des banche.
Désavantages du BAP: • Surveillance des étanchéités des coffrages ; • coffrages plus lourds pour reprendre la pression exercée (pression hydrostatique du béton frais); • coût des matières premières, de la fabrication et du contrôle; • adaptation de la planification du chantier.
Les bétons
3. Mise en oeuvre Béton Auto-plaçant (BAP) : Exemples de réalisation: BAP coulé sur chantier Auto nivelant
BAP dans la préfabrication
Les bétons
3. Mise en oeuvre Béton Auto-plaçant (BAP) : Exemples de réalisation: Banche :
Le béton peut être teinté dans la masse en y incorporant des pigments naturels ou des oxydes métalliques; Il peut aussi être traité à l'aide d'adjuvants pour être rendu hydrofuge (il devient alors étanche, empêchant les remontées capillaires); Moulé ou banché, le béton peut prendre toutes les formes.
Les bétons
2. Différents types de bétons Bétons légers Béton de granulats légers (plein ou creux) : Les bétons légers, c'est à dire ceux dont la masse volumique à l'état sec est inférieure à 1800 kg/m3, sont employés dans le génie civil depuis le début du 20ème siècle, dans les pays développés d'Europe (France, Allemagne), d'Amérique (USA) et d'Asie (Japon et ex URSS). Depuis, les applications ne cessent de se multiplier à cause des avantages que présente ce produit tant sur le plan économique que technique. Il est obtenu à partir de béton dans lequel, a été rajouté des granulats légers (sciure, polystyrène, ponce, granulat de bois, de schistes, argile expansé …etc.), permettant de réduire la masse volumique du produit fini. Le procédé permet d’améliorer les performances thermiques du produit.
Les bétons
2. Différents types de bétons Bétons légers Béton de granulats légers (plein ou creux) : Avantages : • Structure porteuse, suivant sa résistance (classes de la RILEM); • Béton de faibles densités (de 0,2 à 1,8); • utilisation de différents type de matrice; • utilisation de déchets sous forme de granulés/fibres/ajouts inertes; • Possibilité d'obtenir, pour certains types de bétons légers, des résistances mécaniques élevées malgré la faible densité du produit; • Possibilité de réduire la sensibilité à l’eau (améliorer la durabilité); • Isolation thermique et phonique renforcée; • Bon comportement au feu.
Les bétons
2. Différents types de bétons Bétons légers Classification des Bétons de granulats légers (RILEM) : Classe
I
II
III
Type de béton
Construction
Construction et isolant
Isolant
Masse volumique sèche (1) (kg/m3)
< 2000
Non précisée
Non précisée
Résistance à la compression (2) (MPa)
> 15,0
> 3,5
> 0,5
Coefficient de conductivité thermique (W/mK)
-
< 0,75
< 0,3
Suivant recommandation RILEM N°10-2 pour (1) et N°4 pour (2) de Novembre 1975
Les bétons
2. Différents types de bétons Bétons légers Béton cellulaire (autoclavé): Les bétons cellulaires (bétons très légers) dont les masses volumiques sont inférieures à 500 kg/m3. Ils sont utilisés dans le bâtiment, pour répondre aux problèmes d'isolation. (phonique et thermique ). Lors de sa réalisation, on incorpore des produits moussants créant des porosités dans le béton. Cette structure cellulaire peut être créée soit par ajout d’adjuvants (agent entraîneur d’air, agent moussant), soit par ajout de l’Aluminium pulvérulent, en réaction avec la chaux libérée lors de la réaction d’hydratation du ciment. Il se distingue par une porosité fermée importante.
Les bétons
2. Différents types de bétons Bétons légers Béton cellulaire (autoclavé): Conditions de fabrication du béton cellulaire: • Volume de pâte (ciment + additions + eau + air) normal; • Réduction de la taille des granulats (pour éviter la ségrégation); • Quantité de fillers élevée (ajout de cendres volantes et autres…); • rapport e/c faible (optimal pour la stabilité du réseau poreux); • Utilisation d’adjuvants (dérivés organiques ou suspensions colloïdales); • Possibilité d’autoclavage; • Une stabilisation du réseau poreux est nécessaire; • Matières premières abondantes utilisées en quantités moindres que pour le béton classique. Utilisation en blocs ou en panneaux.
Les bétons
2. Différents types de bétons Bétons légers Classification des Bétons cellulaires (RILEM): Classe
II
III
Type de béton
Construction et isolant
Isolant
Masse volumique sèche (kg/m3)
Non précisée
Non précisée
Résistance à la compression (1) (MPa)
> 2,5(2)
> 0,5
Coefficient de conductivité thermique (W/mK)
< 0,75
< 0,3
(1) Résistance mesurée sur cubes, suivant les spécifications de RILEM N°24 (2) Dans certains pays, la résistance à la compression peut être inférieure à 2,5 MPa.
Les bétons
2. Différents types de bétons Bétons légers Béton cellulaire (autoclavé): Avantages : • bon isolant thermique grâce aux cellules d’air; • moins de matières premières; • déchets de production peuvent être recyclés en granulats; • rapidité de pose; • plus légers que le parpaing; • hygro-régulation; • confort acoustique; • résistance au feu; • structure porteuse, suivant la RILEM.
Les bétons
2. Différents types de bétons Bétons légers Béton cellulaire (autoclavé): Inconvénients : la fabrication du ciment requière beaucoup d’énergie et reste très polluante; • isolation phonique insuffisante si utilisé sans complément d’isolant; • matériau friable résistant mal à l'usure; • l'aluminium est suspecté dans certaines maladies neurologiques.
•
Les bétons
2. Différents types de bétons Bétons légers Structure poreuse des Bétons cellulaires (autoclavés) Matrice
Densité 0,65
Bulles d’air
Densité 0,50
Les additifs et adjuvants
Les additifs et les adjuvants Les additifs • Les renforts; • Les charges; • Les stabilisants; • Les anti-oxydants; • Les colorants et les pigments.
Les additifs et adjuvants
Les additifs et les adjuvants Les adjuvants • Les réticulants;
• Les fongicides (contre les parasites);
• Les gonflants;
• Les ignifugeants (contre les incendies);
• Les anti-UV;
• Accélérateur/Retardateur de prise;
• Les anti-statiques;
• Plastifiant/Fluidifiant/entraîneur d’air....
• Les tensio-actifs;
Durabilité
1. Généralités sur la Durabilité Les matériaux de construction doivent remplir le rôle auquel ils sont destinés non seulement pendant une courte période de temps suivant leur installation, mais aussi pendant un intervalle de temps raisonnablement long. On parle communément de la durabilité d'un matériau comme s'il s'agissait d'une propriété fondamentale définie comme la période de temps pendant laquelle, le matériau accomplira une fonction utile. La vie utile d'un matériau en place dépend cependant de la combinaison des facteurs d'environnement auxquels il est soumis, et de ses propriétés. C'est ainsi qu'il faut toujours tenir compte des conditions particulières ambiantes lorsque l'on considère la durabilité, ou vie du matériau en service. Il est nécessaire de disposer d'informations détaillées lorsqu'il s'agit de mettre au point et d'interpréter une méthode quelconque d'essai accéléré, ayant pour objet d'améliorer les prédictions relatives au comportement.
Durabilité
1. Généralités sur la Durabilité La Durabilité: capacité à conserver les fonctions d’usage pour lesquelles il a été conçu (fonctionnement structurel, sécurité, confort des usagers...); IL faut maintenir son niveau de fiabilité et son aspect, dans son environnement avec des frais de maintenance et d’entretien aussi réduits que possible (mise en service d’une maintenance préventive). La durabilité est directement liée à l’environnement immédiat ou futur des ouvrages et parties d’ouvrage. Les influences externes sont: intempéries, agressivité des sols, atmosphères chimiquement agressives, etc…. Les performances à obtenir peuvent être établies à partir de seuils à respecter en fonction de la durée de service souhaitée.
Durabilité
1. Généralités sur la Durabilité Agressions chimiques:
• liquides; (eaux polluées, eau de mer, eaux chargées en ions (sols)); • solides; (sels gypseux) • gazeuses.(air pollué, CO2, O2, ) Liste d’agresseurs chimiques:
• acides; (carbonique, nitrique, formique, urique, lactique...) • bases; (amines, KOH, NaOH,...) • alcools; (groupement COOH, ou combiné,...) • sels; (chlorures, nitrates, sulfates, sulfures,...) • bactéries; • eau pure;
(champignons: elles se nourrissent de chaux !) (elle peut se charger en ions!)
Durabilité
1. Généralités sur la Durabilité Interactions environnement/matériaux En raison des interactions physico-chimiques et physico-mécaniques entre les matériaux et leur environnement, il existe des phénomènes susceptibles de provoquer des dégradations considérables, si l'on ne prend pas les précautions nécessaires. Ces dégradations, qui peuvent être chimiques, physiques ou mécaniques, engendrent très souvent la ruine de la structure.
Eléments à risque: Dans le cas d’une matrice de ciment, ce sont les éléments cristallins (Portlandite, chaux...), qui sont les plus sensibles aux agressions chimiques car moins stables. Les problèmes du ciment viennent donc particulièrement de la chaux!
Durabilité
1. Généralités sur la Durabilité Interactions environnement/matériaux Dégradations
Chimiques
• Carbonatation; • Corrosion; • Lixiviation; • Décalcification; • Action des Chlorures...
Physiques
• Retrait et gonflement; • Dilatation thermique; • Fissurations; Gel/dégel. • Décohésion dans la matrice; • Absorption d’eau.....
Mécaniques
• Phénomènes de Fatigue; • Baisse des perform. méca.; • Fluage; • Déformée (plasticité)....
Durabilité
1. Généralités sur la Durabilité Interactions environnement/matériaux La prédiction exacte du comportement d’un matériau exige une connaissance complète de ses propriétés, des processus qui interviennent lors de l'interaction avec son environnement, et des facteurs environnementaux à l'action desquels, il sera soumis. Seuls les "tests accélérés", sont susceptibles d’approcher le comportement véritable. Propriétés du matériau
Durabilité
Interactions matériau/environnement
Ajustement Comportement in situ
Tests accélérés (Facteurs de Durabilité)
Durabilité
1. Généralités sur la Durabilité Interactions environnement/matériaux/Critères d’exposition La prise en compte de l’environnement se fait par les classes d’exposition:
X0
Courantes
Particulières
Choix de la classe d’exposition
XC
0 = 0 agression C = Carbonatation
XF
F = Froid
XS
S = Sels marins
XD
D = sels Divers
XA
A = Attaques chimiques Responsabilité du clientprescripteur
Durabilité
2. Quelque propriétés des matériaux (État frais) Ouvrabilité/Affaissement (Cône d’Abrams NFP 18-451):
Chois de e/c pour affaissement Normal (cas d’un béton) Observation
Affaiss. (cm)
Classe
ferme
De 0 à 4
S1
plastique
De 5 à 9
S2
très plastique
De 10 à 15
S3
fluide
Supérieur à 16
S4
Chois de e/c pour Maniabilité normale (cas d’un mortier) Temps
,
Consistence
Durabilité
2. Quelque propriétés des matériaux (État frais) Ouvrabilité/ Essai d'étalement sur table/Flow test (ISO 9812)
Classe d’étalement
Ouvrabilité/ Essai Vébé (ISO 4110)
Classe de consistance
Consistomètre
Durabilité
2. Quelque propriétés des matériaux (État frais) Essai de compactage (ISO 4111)
Classe de compactage
Essai de mobilité en milieu confiné (Boite en U) Mesure de : • Hauteur de remplissage; • Temps correspondant.
H = 340 – h h
Mesure du temps pour une hauteur de remplissage de h=30 cm.
Durabilité
2. Quelque propriétés des matériaux (État frais) Essai de stabilité au tamis • Qualification du béton vis à vis la ségrégation • Evaluer le pourcentage de laitance; • Evaluer la stabilité du matériau frais
Durabilité
2. Quelque propriétés des matériaux (État frais) Autres essais comparatifs
Durabilité
2. Quelque propriétés des matériaux (État frais) Air occlus (Aéromètre - NF EN 12350-7)
Entre 4 et 8% pour le béton
Temps de prise (l’appareil Vicat - NF P 18-356):
Début de prise
Fin de prise
Durabilité
2. Quelque propriétés des matériaux (État durci) Masse volumique apparente (NF EN 12390-7)
Masse volumique Absolue (pycnomètre liquide/gaz)
Durabilité
2. Quelque propriétés des matériaux (État durci) Auscultation sonore (Module d’élasticité dynamique) CL =
E.(1 − ν ) ρ .(1 + ν )(1 − 2ν )
CL : célérité de l’onde (m/s) ; E : module d’élasticité dynamique (MPa) ; ρ : masse volumique apparente (kg/m3) ; ν : coefficient de Poisson.
Ed = ρ.CL2
(1 + ν)(1 − 2ν) (1 − ν)
Module d’élasticité dynamique
Retrait et Gonflement (Rétractomètre) Types de retraits:
∆l(t) = L(t) - L(t0)
• Le retrait plastique; • Le retrait endogène (ou retrait chimique d’hydratation); • Le retrait de séchage. Retrait/Gonflement important
Apparition de Fissurations
Durabilité
2. Quelque propriétés des matériaux (État durci) Porosité gaz/liquide (Prosimètre Hélium, Mercure)
Compacité
c P (%)+c (%)=100%
Durabilité
2. Quelque propriétés des matériaux (État durci) L’humidité
Dépend de
Gs – est la masse sèche d’échantillon (après séchage à l’étuve) Gh – est la masse humide d’échantillon.
• Conditions de cure; • Nature des granulats; • Porosité du matériau; • Température...
L’absorption de l’eau (Méthode d’immersion) Dépend de
Gab – est la masse absorbante. Gs – est la masse sèche d’échantillon. V0 – est le volume apparent du matériau.
• Conditions de cure; • Nature des granulats; • Porosité du matériau; • Conditions de saturation.
Durabilité
2. Quelque propriétés des matériaux (État durci) Absorption capillaire (Sorptivité) x
Face imperméabilisée Niveau d’eau constant
i = S. t + i0
Eprouvette
Support
Eau
Vitesse d’absorption d’eau
i : coefficient d’absorption capillaire (mm3/mm2). S : sorptivité du matériau (m/s1/2) ; i0 : coefficient empirique
Perméabilité (gaz / Liquide)
Porosité perméabilité
Durabilité
2. Quelque propriétés des matériaux (État durci) Résistances mécaniques (Compression) Echantillon
Schéma
Formule de calcul
Matériaux testés
Dimension des échantillons (cm)
Cube
Béton Mortier Roche naturelle
15x15x15 7,07x7,07x7,07 10x10x10 15x15x15 20x20x20
Cylindre
Béton Mortier Roche naturelle
d=15 ; h=30 d=h= 5; 7; 10; 15
Échantillons assemblés
Brique
a=12; b=12,3; h=14
La résistance dépend de
type 40 x 40 x 160 mm 100 x 100 cm
• Conditions de cure; • Nature des granulats; • Porosité du matériau; • Adhérence des granulats • Nature de la matrice....
Types: 160 x 320 mm 110 x 220 mm
Durabilité
2. Quelque propriétés des matériaux (État durci) Résistances mécaniques (Traction par flexion) Echantillon
Schéma
Formule de calcul
Prismatique Brique
Matériaux Dimension des testés échantillons (cm)
Ciment Brique
4x4x16 15x15x15
type 4 points
Prismatique
La résistance dépend de
Béton Bois
15x15x60 2x2x30
• Conditions de cure; • Nature des granulats; • Porosité du matériau; • Adhérence des granulats
type 3 points
Durabilité
2. Quelque propriétés des matériaux (État durci) Résistances mécaniques (Traction pure/Fendage) Cylindrique Prismatique
Cylindrique
La résistance dépend de
Béton
5x5x50 10x10x80
Armature d0=1; l0=5; l≥10
Béton
d=15; l=30 d=16; l=32
• Conditions de cure; • Nature des granulats; • Porosité du matériau; • Adhérence des granulats; • Défauts de fabrication.
Durabilité
2. Quelque propriétés des matériaux (État durci) Déformabilité (diagramme contrainte/déformation) Module d’élasticité:
σ=E.ε et ε = ∆l / l (loi de Hooke)
Dureté du matériau (Scléromètre EN 12504-2) • Vérification de l’homogénéité de la structure; • Estimation de la résistance; • Dégradation du matériau; • test de rebondissement.
Durabilité
2. Quelques types de dégradations du matériau Corrosion corrosion de l’acier dans le béton.
• Présence des chlorures, oxygène, acides, sulfates, etc ...; • Porosité importante du matériau; • Perméabilité importante (percolation); • Présence de fissures; • Carbonatation; • Qualité médiocre des constituants²; • Circulation libre de l’eau…. Le principe de corrosion
Matrice à pH très basique (12,5-13)
Phénomène de carbonatation
Phénomène de Dépassivation, pH
Durabilité
2. Quelques types de dégradations du matériau Principe de la Corrosion corrosion de l’acier dans le béton.
Présence des chlorures, oxygène, acides, sulfates, etc Les réactions chimiques sont: Fe ⇒ Fe²+ + 2eH2O + 2O2 + 2e- ⇒ 2 OH-
Les réactions chimiques sont: Fe2+ + 2Cl- ⇒ FeCl2 FeCl2 + 2H2O ⇒ Fe(OH)2 + 2H+ + 2Cl-
Durabilité
2. Quelques types de dégradations du matériau Exemples de dégradations Corrosion de l’acier dans le béton.
corrosion de poutres de pont
• Expansion de l’acier (5 fois le volume); • Apparition de la rouille; • Décollement du béton • Éclatement du béton
Corrosion par piqûres liées aux chlorures.
Durabilité
2. Quelques types de dégradations du matériau Diagnostic de la Corrosion
Durabilité
2. Quelques types de dégradations du matériau Diagnostic de la Corrosion • Potentiel de corrosion
• Résistivité du béton
ρ = 2 Re φ • φ: diamètre du disque • Re: Résistance
• Densité de courant
Durabilité
2. Quelques types de dégradations du matériau Test accéléré de Corrosion
Etat des armatures Schéma électrique
Durabilité
2. Quelques types de dégradations du matériau Exemple de resultats du Test accéléré de Corrosion Rupture d’un composite après 35 jours d’immersion dans une solution de Chlorure de Sodium
Rupture du mortier après 7 jours d’immersion dans une solution de Chlorure de Sodium
6
Composite CFC 25%
5
Matériau de référence Potentiel (V)
4 3
Rupture
2 1 0 0
10
20 Temps (Jours)
30
40
Durabilité
2. Quelques types de dégradations du matériau Phénomène de carbonatation phénomène de vieillissement naturel qui conduit à la formation de carbonates de calcium par réaction entre la portlandite (la chaux) et le dioxyde de carbone (CO2).
Carbonatation
Réaction chimique de carbonatation H2O + bases alcalines
CO2 + Ca(OH)2
CaCO3 + H2O
Réaction très favorable pour une humidité comprise entre 60 et 80%. Réaction très peu favorable pour une humidité supérieure à 80%. Réaction quasiment impossible en présence d’eau (humidité 100%).
Durabilité
2. Quelques types de dégradations du matériau Exemples de dégradations
Carbonatation du béton.
• Dissolution des hydrates; • Augmentation de la porosité; • Apparition des fissures; • Pénétration d’agents agressifs; • Corrosion des armatures; • Éclatement du béton.
Corrosion des armatures Zone carbonatée
Fissures
Durabilité
2. Quelques types de dégradations du matériau Diagnostic de la carbonatation • Test à la phénolphtaléine
Technique basée sur mesurer la profondeur de carbonatation, suivant le pH du milieu
Zone carbonatée Zone non carbonatée
• microscopie électronique à balayage • Microscopie optique sur lames minces
Durabilité
2. Quelques types de dégradations du matériau Diagnostic de la carbonatation • microscopie électronique à balayage
Non carbonaté
carbonaté
Durabilité
2. Quelques types de dégradations du matériau Phénomène de Gel/Dégel phénomène qui crée des désordres dûs aux conditions atmosphériques. Son action est de réduire les performances mécaniques.
Gel/Dégel
Bulle d’air Vase d’expansion En gelant, l’eau augmente son volume de 9% créant des contraintes dans les capillaires. Les cycles de gel et dégel sollicitent fortement le béton, jusqu’à la fissuration.
Durabilité
2. Quelques types de dégradations du matériau Comment s'en prémunir et comment la prévoir Limiter l’effet du Gel/Dégel !! Utilisation d’adjuvants (Hydrofuges pour limiter l’absorption d’eau). Utilisation d’entraîneurs d’air (vase d’expansion). Réduction de la porosité dans le matériau. Respecter les Normes pour avoir des matériaux de bonnes qualités
Durabilité
2. Quelques types de dégradations du matériau Diagnostic de l’effet du Gel/Dégel • Tests Mécaniques Technique basée sur la mesure de la baisse des résistances mécaniques.
• Évaluation visuelles de l’état du matériau Examen de la décohésion des particules et apparition de fissurations.
• Evaluation du Facteur de Durabilité Technique basée sur la mesure du module d’élasticité dynamique (auscultation sonique).
0 0 1 . E N E0
D F
⎛ =⎜ ⎝
−
⎞ ⎟ ⎠
E0 et E: Modules d’élasticité dynamique avant et après
les cycles de gel/dégel.
N: Nombre des cycles de gel/dégel.
Durabilité
3. Exemples d’altérations des matériaux
Traces d’humidité
Ecaillage Cloquages
Micro-organismes
Conclusion
Conclusions L’objectif de ce cours est, dans un premier temps, un rappel sur les matériaux utilisés en construction ainsi que les différents constituants employés pour leur fabrication. Le principe de fabrication, les propriétés principales des matériaux et les applications en fonction de leurs propriétés ont été rapportés. Dans un deuxième, l’objectif était de renforcer quelques connaissances sur la durabilité des matériaux de construction ainsi que leur dégradation dans le temps. Il s’agissait de faire une synthèse globale sur les Facteurs de Durabilité, avec une prise en compte des conditions environnementales intervenant dans les phénomènes de dégradation.
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