TECHNOLOGIE DES MATERIAUX DE CONSTRUCTION

TECHNOLOGIE DES MATERIAUX DE CONSTRUCTION

NOTES DE COURS

SAMIA HANNACHI

SOMMAIRE

1.

Classification et propriétés des matériaux de construction ………..01

2.

Les granulats………..12

3.

Les liants………20

4.

Le béton……….29

5.

Les métaux et alliages………42

6.

Les céramiques et verres………57

7.

Les polymères et composites……… .68

Chapitre 1 : Classification et propriétés des matériaux

1. Introduction

Définition

Il existe plusieurs familles de matériaux et plusieurs classifications possibles.

Suivant leurs origines : Les matériaux naturels :

Les matériaux artificiels :

Les matériaux synthétiques :

Un matériau est une substance ou une matière d'origine naturelle ou artificielle utilisée pour la fabrication d'objets, de machines, ou pour la construction de bâtiments.

dictionnaire Larousse 2001

Les matériaux naturels sont, comme leur nom l'indique, issus de la nature. Les

matériaux Origine animale Origine minérale Origine végétale

naturels peuvent être d’origine animale comme la laine ou le cuir, d’origine végétale comme le coton ou le bois, d’origine minérale comme la pierre ou l'argile.

Les matériaux artificiels sont issus de la nature, mais ils sont

transformés par l’homme avant utilisation. C’est le cas de la plupart des métaux extraits à partir du minerai, ou du verre fabriqué à partir de la silice.

Matériau artificiel (verre)

Les matières premières utilisées pour la production des matériaux synthétiques sont bien sur issues de la nature, comme le pétrole par exemple. Cependant les matériaux synthétiques sont créés par l’homme à partir de procédés chimiques ce qui les différencie des autres matériaux. Les matériaux synthétiques les plus connus sont les matières plastiques.

Matériau synthétique (plastique)

2. Classification des matériaux de construction

2.1 Généralités

Sont considérés comme matériaux de construction tous les matériaux utilisés pour la réalisation de bâtiments (habitation, industriels,…) ou ouvrage d’art.

Il existe 3 grandes familles de matériaux de base :

-

-

-

Classification des matériaux

Matériaux de base

Les matériaux de construction

Les matériaux de protection

Pierres Terres cuites

Bétons Aciers Bois

Enduit Peinture

Bitume

Matériaux composites

Les métaux Les céramiques

Les polymères

2.2 Classification des matériaux a- Classification scientifique

Dans la science des matériaux, selon la composition et la structure, les matériaux sont classés comme suit :

- Métaux et alliages : - Polymères :

- Céramiques

b- classification en matériaux de base et produits :

- Matériaux de base ou matière première (Argiles, pierres, bois, calcaire, métaux - Matériaux produits et composites ; ciment (calcaire + argile), alliages, béton, ..) c- Classification pratique :

Dans la construction, les matériaux sont classés selon le domaine d’emploi et selon leurs propriétés principales (Résistance, compacité,..) comme suit :

- Les matériaux de construction (ou de résistance) : matériaux qui ont la propriété de résister contre des sollicitations (forces) importantes (poids propre, surcharge, séisme, chaleur, ..) : Pierres, bois, béton, métaux, terre cuite (Brique), etc.

- Les matériaux de protection : matériaux qui ont la propriété d'enrober et de

protéger les matériaux de construction principaux : revêtement ; enduits, peintures, bitumes, etc.

N.B.

Récemment, l’aspect écologique du matériau (Emission des gaz à effet de serre lors de l’exploitation, de la production, du transport ou de la mise en œuvre), est considéré comme très important dans le choix du matériau.

3. Propriétés des matériaux (Rappel)

Grandeurs physiques, chimiques ou mécaniques, propres au matériau. Elles sont déterminées expérimentalement.

Les propriétés principales des matériaux peuvent être divisées en plusieurs groupes tels que:

 Propriétés physiques: (la densité; la masse volumique, l'humidité, la porosité, l'absorption, la perméabilité, le retrait (le gonflement) etc..) ;

 Propriétés chimiques: (corrosion chimique, l’attaque de l’acide, etc..)

 Propriétés mécaniques: (la résistance en compression, en traction, en flexion, torsion etc..)

 Propriétés thermiques: (la dilatation, la résistance et comportement au feu, etc..) Les caractéristiques et propriétés mécaniques principales d’un matériau sont: la résistance à la compression, la résistance à la traction, le module d’élasticité, le fluage, la fatigue, …etc.

Elles reflètent le comportement des matériaux sous l’effet des forces appliquées.

3.1 Les propriétés physiques La densité.

En sens physique ; c’est le degré de remplissage de la masse d’un corps par la matière solide.

Elle est calculée par le rapport de la masse volumique de ce matériau à celle de l'eau à une température.

Elle est exprimée sans unité.

La masse volumique apparente.

C’est la masse d’un corps par unité de volume apparent en état naturel (y compris les vides et les capillaires).

Elle est exprimée en (gr/cm³ ; kg/m³; T/m³).

La masse volumique absolue.

C'est la masse d’un corps par unité de volume absolu de Elle est exprimée en (g/cm³, kg/m³ou T/m³).

(porosité des grains exclus), après passage à l’étuve à 105 °C, notée ρ ou γ e

D'abord on remplit le tube gradué d’eau (N 1), ensuite on verse l’échantillon sec dans le tube et le niveau de l’eau va augmenter (N 2 ).

N 2 - N 1 est le volume absolu. La masse volumique absolue peut se calculer :

La porosité et compacité

- Porosité: La porosité est le rapport du volume vide au volume total.

On peut aussi définir la porosité comme le volume de vide par unité de volume apparent.

La porosité et la compacité sont liées par la relation suivante:

p + c = 1

La porosité et la compacité sont souvent exprimées en %. La somme des deux est alors égale à 100%.

L’humidité : teneur en eau

L’humidité est l’une des propriétés importante des matériaux de construction. C’est la teneur en eau réelle contenue dans les pores d’un matériau. En général l’humidité est notée W et est exprimée en pourcentage (%). On peut déterminer l’humidité d’un matériau en utilisant la formule suivante:

où

Msec – est la masse sèche de l’échantillon (aprèss passage à l’étuve) Mhum – est la masse humide de l’échantillon.

Le degré d’humidité des matériaux dépend de beaucoup de facteurs, de l’atmosphère où ils sont stockés, le vent, la température et de la porosité du matériau.

Msec : masse sèche (séchage à 105°C) ; Msat : masse humide.

La capacité d’absorption de l’eau :

L’absorption d’eau par immersion est la différence entre la masse d’un échantillon saturé dans l’eau et sa masse à l’état sec.

Essai :

- Sécher un échantillon dans une étuve à 105°C soit Msec.

- Immerger l’échantillon dans l’eau jusqu’à saturation (ΔM <0,1% après 24 H) ; soit Msat.

L’absorption d’eau se calcule comme suit :

3.2. Les propriétés chimiques

Les propriétés chimiques déterminent la stabilité chimique d’un matériau et l’aptitude de ce matériau de résister en service à l’action chimique des acides ou à l’action des facteurs atmosphériques comme l’humidité, la température,…etc.

3.3. Les propriétés mécaniques

Les propriétés mécaniques des matériaux sont caractérisées par la capacité de résister à toute sollicitation extérieure (compression traction, flexion, fluage..).

La résistance mécanique : est la capacité d’un matériau de résister à la destruction sous l’action des contraintes dues à une charge.

La résistance mécanique à la compression (à la traction) :

La résistance à la compression (à la traction) correspond à la contrainte maximale d’un matériau soumis à une charge axiale et elle est calculée par la formule suivante :

KN / cm2

Où: - P : La charge appliquée ;

- S: La surface de la section de l’éprouvette.

Fig. 3: Essai de compression de traction axiale

Exemple :

- La propriété principale du béton est sa résistance à la compression. Pour pouvoir évaluer la résistance à la compression, on procède à l’essai de compression; le plus connu des essais mécaniques. Il s’effectue sur des éprouvettes cylindriques de diamètre 16 cm et de hauteur 32 cm ou cubiques (10x10x10 cm). La résistance à la rupture par compression est mesurée par compression axiale des éprouvettes (voir fig. N°3).

- La propriété principale de l’acier est la résistance à la traction. L’essai de traction s’effectue sur un échantillon normalisé en acier. La barre en acier est soumise à une charge de traction sur un appareil dit « machine de traction ».

La résistance à la flexion :

C’est la résistance d’un matériau soumis aux charges de flexion. L’essai de flexion simple consiste à faire écrasé une éprouvette prismatique (ex : 4x4x16cm pour mortiers, 7x7x28 pour le béton) sur deux appuis. (Voir fig. N°4) Le résultat exprime la résistance à la traction par flexion, la traction (par flexion) correspond à la contrainte maximale calculée par la formule suivante :

KN /cm²

Fig. N°4: Essais de traction par flexion.

P : La charge appliquée ;

a : Le coté de l’éprouvette prismatique.

2.4. Autres propriétés :

La conductibilité thermique : c’est la capacité d’un matériau de laisser passer la chaleur à travers son épaisseur. Elle est appréciée au moyen du coefficient de conductibilité thermique

= la quantité de chaleur traversant un échantillon du matériau de 1 m d’épaisseur ( 1m² de surface) pendant 1 heure et la = 1 °C.

Exemple : le coefficient de conductibilité thermique du - Acier ; = 58 W/m.°C

- Béton ; = 2,9 à 3,3 W/m.°C

La dureté : est la capacité d’un matériau de résister à la pénétration d’un corps plus dure que lui. La dureté ne correspond pas toujours à la résistance d’un matériau. Plusieurs méthodes sont utilisées pour déterminer la dureté d’un corps. En matériaux de construction, la dureté est déterminée à l’aide des minerais de l’échelle Mohs. Tandis que pour les aciers, on utilise la dureté Brinell ou Rockwell.

Exemple :

- les verres : on utilise le minerai ; le diamant ou le quartz ;

- l’acier : sur un échantillon d’acier le nombre de dureté Brinell HB ˜ 150

Propriétés élastiques et plastiques : les matériaux sollicités par une charge se déforment, ils changent de dimensions et de formes.

- L’élasticité d’un corps est la propriété du matériau de rétablir sa forme et ses dimensions initiales après l’enlèvement de la charge.

- La plasticité d’un corps est la propriété du matériau de changer sa forme sans se fissurer et garder cette forme même après l’enlèvement de la charge. Ex. aciers, cuivre, pâtes d’argile…etc.

Module d’élasticité et coefficient de poisson :

Module d’élasticité (module de Young): est l’aptitude d’un matériau à l’allongement pendant le service. Ce coefficient caractérise l’élasticité d’un matériau lorsqu’il travaille en extension ou en compression. D’une manière générale, le module d’élasticité caractérise la rigidité des matériaux.

Le module d’élasticité statique en compression est déterminé graphiquement, en exploitant la courbe contrainte – déformation.

Le module d’élasticité statique noté par E, est la valeur de la pente à l’origine de cette courbe.

Il s’exprime par la relation suivante :

Où:

contrainte en MPa.

: La déformation

Le coefficient de poisson, qui exprime le rapport de la déformation transversale à la déformation longitudinale est donné par l’expression suivante :

Exemple :

Pour - Les aciers : E = 2.10 5 à 2,2.105N/mm^2.

-Les fontes : E = 0,9.105 à 105N/mm².

Les tableaux ci-dessous 1.1 et 1.2 résument la forme et les dimensions des éprouvettes ainsi que les méthodes utilisées pour déterminer respectivement, la résistance à la compression et la résistance en traction des différents matériaux.

Chapitre 2 : Les granulats

I. Introduction

1. Définition

On appelle granulat un ensemble de grains minéraux, de dimensions comprises entre 0 et 125 mm, de provenance naturelle ou artificielle, destinés à la confection :

• des mortiers, des bétons,

• des couches de fondation, des couches de base et de roulement des chaussées, • et des assises et des ballasts de voies ferrées.

Ils sont appelés fillers, sablons, sables, gravillons, graves ou ballast suivant leurs dimensions.

2. Origine des granulats

 granulats naturels Les granulats sont obtenus

- en exploitant des gisements de sables et de graviers d’origine alluvionnaire terrestre ou marine, granulats roulés ou semi-concassés).

- en concassant des roches massives (calcaires ou éruptives) ou encore - par le recyclage de produits tels que les matériaux de démolition.

 Granulats artificiels

Des granulats artificiels peuvent être employés pour réaliser des bétons à usages spécifiques.

- Sous-produits industriels, concassés ou non Les plus employés sont le laitier cristallisé concassé et le laitier granulé de haut fourneau obtenus par refroidissement à l’eau.

- Granulats à hautes caractéristiques. Il s’agit de granulats élaborés industriellement pour répondre à certains emplois, notamment granulats très durs pour renforcer la résistance à l’usure de dallages industriels (granulats ferreux) ou granulats réfractaires.

II. Les caractéristiques des granulats

Les granulats doivent répondre à des exigences et des critères de qualité et de régularité qui dépendent de leur origine et de leur procédé d’élaboration. Les granulats sont donc spécifiés par deux types de caractéristiques.

• Des caractéristiques intrinsèques, liées à la nature minéralogique de la roche et à la qualité du gisement, telles que, par exemple :

– la masse volumique réelle ; – l’absorption d’eau et la porosité ; – la sensibilité au gel ;

– la résistance à la fragmentation et au polissage;

– la gélivité.

• Des caractéristiques de fabrication, liées aux procédés d’exploitation et de production des granulats telles que, en particulier :

– la granularité ;

– la forme (aplatissement) ; – la propreté des sables

1. Les caractéristiques géométriques

 Echantillonnage

Les essais effectués en laboratoire portent nécessairement sur des quantités réduites de matériaux, en général le prélèvement d'échantillons se fait en deux temps:

a) 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.

b) Au laboratoire, prélèvement de la quantité nécessaire à l'essai et qui soit également représentative de l'échantillon de départ.

Prélèvement sur tas normaux

a) à la main, à l'aide d'une planche ou d'une plaque métallique.

b) à la main, sur tas d'éléments grossiers (gravier concassé) par ratissage dans un récipient.

c) au moyen d'une sonde, ouverture 4 ~ 6 cm, longueur 60 ~ 100 cm, extrémité taillée en sifflet.

Prélèvement en laboratoire (échantillonnage en laboratoire)

Le passage de l'échantillon total prélevé sur le tas à l'échantillon réduit, nécessaire à l'essai, peut se faire par quartage ou à l'aide d'un échantillonneur. L'échantillon doit être séché à l'étuve à 105 ºC s'il est exempt de minéraux argileux, ce qui est rare, ou à 60 ºC dans le cas contraire.

Opération de quartage

Echantillonneur

Cet appareil de laboratoire, permet de diviser facilement en deux parties représentatives la totalité d'un échantillon initial, chaque moitié étant recueillie dans un bac de manière séparée.

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.

 Granulométrie

La granulométrie permet de déterminer l’échelonnement des dimensions des grains contenus dans un granulat.

Elle consiste à tamiser le granulat sur une série de tamis à mailles carrées, de dimensions d’ouverture décroissantes et à peser le refus sur chaque tamis.

Les ouvertures carrées des tamis sont normalisées et s’échelonnent de 0,08 mm à 80 mm.

La courbe granulométrique exprime les pourcentages cumulés, en poids, de grains passant dans les tamis successifs.

 Classes granulaires

Un granulat est caractérisé du point de vue granulaire par sa classe d/D, d et D étant respectivement la plus petite et la plus grande dimension des grains.

Lorsque d est inférieur à 2 mm, le granulat est désigné 0/D.

La norme XP P 18-540 indique la terminologie usuelle des granulats selon leurs dimensions : – Fillers 0/D: D < 2 mm

– Sablons 0/D: D < 1 mm – Sables 0/D: 1 < D < 6,3 mm

– Gravillons d/D : d > 1 mm ; D < 125 mm – Graves 0/D: D > 6, 3 mm

– Ballast d/D: d 6 25 mm; D ≤ 50 mm

De façon pratique, la composition du béton peut faire appel à une granularité discontinue (par exemple un sable 0/5 et un gravillon 15/25).

Cette formule permet de limiter les stockages d’un trop grand nombre de classes granulaires, en ne nécessitant que deux classes faciles à trouver chez les distributeurs de granulats.

La granulométrie continue (par exemple à partir de trois granulats 0/5, 5/15, 15/25) nécessite des dosages plus précis et des installations qui ne peuvent se concevoir que pour des chantiers importants ou des centrales de fabrication de béton.

 Module de finesse

La norme XP P 18-540 définit : le module de finesse d’un sable qui caractérise sa granularité comme le 1/100 ème de la somme des refus, exprimés en pourcentages, sur les différents tamis de la série suivante : 0,16 - 0,315 - 0,63 - 1,25 - 2,5 - 5,0 mm. Pour un sable 0/5, il est recommandé d’avoir un module de finesse voisin de 2,5.

 Coefficient d’aplatissement

Il caractérise la forme du granulat à partir de sa plus grande dimension et de son épaisseur. La norme NF P 18-561 définit les modalités de sa mesure.

La forme d'un granulat est définie par trois grandeurs géométriques:

 La longueur L, distance maximale de deux plans parallèles tangents aux extrémités du granulat,

 L'épaisseur E, distance minimale de deux plans parallèles tangents au granulat,

 La grosseur G, dimension de la maille carrée minimale du tamis qui laisse passer le granulat.

Le coefficient d'aplatissement A d'un ensemble de granulats est le pourcentage pondéral des éléments qui vérifient la relation:

1. Les caractéristiques physico-chimiques

 Masse volumique apparente

C’est la masse du granulat sec occupant l’unité de volume.

Elle dépend du tassement des grains. Elle se mesure conformément à un mode opératoire précis (normes NF P 18 554 et 18 555).

Elle est comprise entre 1 400 kg/m3 et 1 600 kg/m3 pour les granulats roulés silico-calcaires.

La masse volumique réelle du granulat (vides entre grains exclus) est nettement plus élevée : de 2 500 à 2 600 kg/m3 pour les mêmes granulats.

Sur chantier, les granulats contiennent un certain pourcentage d’humidité, d’autant plus important que le granulat est fin.

La conséquence en est, pour les sables, une expansion en volume désignée sous le nom de « foisonnement ». Il peut atteindre 20 à 25 % pour des teneurs en eau de 4 à 5 %, ce qui modifie les dosages lorsqu’on raisonne en volume.

 Porosité et compacité (1) Porosité

En général la porosité est le rapport du volume des vides au volume.

Volume quelconque

On peut aussi définir la porosité comme le volume de vide par unité de volume apparent.

(2) Compacité

La compacité est le rapport du volume des pleins au volume total.

Ou volume des pleins par unité de volume apparent.

Volume unitaire

La porosité et la compacité sont liées par la relation:

p+c=1

La porosité et la compacité sont souvent exprimées en %. La somme des deux est alors égale à 100%. En effet:

Si l'on connaît la masse volumique D et la masse spécifique g d'un matériau, il est aisé de calculer sa compacité et porosité.

 Teneur en eau

La teneur en eau d'un matériau est le rapport du poids d'eau contenu dans ce matériau au poids du même matériau sec. On peut aussi définir la teneur en eau comme le poids d'eau W contenu par unité de poids de matériau sec.

A partir des définitions données plus haut, on peut écrire les relations :

 Propreté des granulats

Les granulats employés doivent être propres, car les impuretés perturbent l’hydratation du ciment et entraînent des défauts d’adhérence entre les granulats et la pâte.

La propreté est caractérisée par la teneur en particules fines (< 0,5 mm) essentiellement argileuses ou d’origine végétale ou organique dont la valeur acceptable P mesurée

conformément à la norme P 18-591 en ce qui concerne les granulats > 2 mm doit être < 1,5.

Dans le cas des sables, le degré de propreté est fourni par l’essai appelé « équivalent de sable piston PS » (norme P 18-597) qui consiste à séparer le sable des particules très fines qui remontent par floculation à la partie supérieure de l’éprouvette où l’on a effectué le lavage.

L’essai est fait uniquement sur la fraction de sable 0/2 mm. La valeur de PS doit selon les cas être supérieure à 60 ou 65.

2. Les caractéristiques mécaniques

Méthodes de mesures

Les caractéristiques mécaniques des granulats ne sont pas déterminées par des essais habituels de traction ou de compression. Par contre, il existe des essais tentant de reproduire certaines sollicitations propres à des usages spécifiques des granulats, par exemple le degré d’usure pour les granulats utilisés pour les bétons routiers.

• Essai Micro Deval

C’est un essai dont le principe est de reproduire, dans un cylindre en rotation, des phénomènes d’usure. Les modalités de cet essai font l’objet de la norme NF P 18-572.

• Essai Los Angeles

Le principe de cet essai est la détermination de la résistance à la fragmentation par chocs et à l’usure par frottements réciproques. Il fait l’objet de la norme NF P 18-573.

Le coefficient Los Angeles calculé à partir du passant au tamis de 1,6 mm, mesuré en fin d’essai, caractérise le granulat.

Pour des granulats susceptibles d’être soumis aux effets du gel, on peut mesurer le coefficient Los Angeles après une série de 25 cycles gel/dégel (– 25 °C, + 25 °C) et le comparer au coefficient de référence.

La valeur du coefficient - LA - est limitée à 30 pour les usages autres que routiers.

Catégories des granulats selon la résistance aux chocs et à l'usure

Chapitre 3 : Les liants

1. Définition

Produits utilisés pour lier ou agglomérer entre eux d’autres matériaux.

Selon leur composition, les liants peuvent être classés en deux grandes familles :

 Les liants minéraux : selon leur mode de durcissement, ils peuvent être classés en deux familles :

 Les liants aériens : durcissement à l'air dû à une réaction de carbonatation : chaux aériennes, plâtres, argiles ;

 Les liants hydrauliques : durcissement en milieux humides ou dans l’eau dû à une réaction d'hydratation de silicates ou d'aluminates : chaux

hydrauliques, ciment prompt, ciments (ciment Portland), laitiers.

 Les liants organiques :

 Les liants hydrocarbonés : bitumes, goudrons ;

 Les résines et surtout les polymères : les aminoplastes, par exemple, sont des polymères largement utilisés comme liants dans l'industrie du bois et de ses dérivés.

Il existe deux types de liants hydrauliques : la chaux et le ciment. Ces deux liants hydrauliques diffèrent de par leur mode de fabrication. Ils sont élaborés à partir de pierre calcaire principalement.

2. Note historique

La chaux, connue depuis l’antiquité:

1756, Smeaton en Angleterre, découvre que les chaux qui présentent les meilleures propriétés

« hydrauliques » sont celles contenant des matières argileuses

1796, Parker en Angleterre, développe le ciment « Roman » en calcinant certains gisements naturels de calcaire argileux

1813-28, Vicat en France, met en évidence le rôle de l’argile et fabrique un ciment à partir d’un mélange intime de calcaire et d’argile.

1824, Joseph Aspdin en Angleterre, fabrique et brevète une chaux hydraulique à laquelle il donne le nom de ciment Portland, car sa couleur, après prise, ressemble à la pierre de Portland.

1835, Issac-Charles Johnson qui travaille dans une usine de ciment, observe que les morceaux trop cuits donnent, après mouture, un meilleur ciment. Il augmente la température de cuisson et donne naissance au véritable ciment Portland.

1838, William Aspin produit le ciment Portland à côté de la Tamise et convainc Brunel de l’utiliser pour réparer son tunnel sous la Tamise – la 1ère utilisation du ciment Portland dans le génie civil.

3. Fabrication du ciment

Le constituant principal des ciments est le clinker, qui est obtenu à partir de la cuisson d’un mélange approprié de calcaire et d’argile, en proportion respective moyenne de 80 %/20 %.

Les différentes étapes de la fabrication sont décrites ci-après.

Extraction : une cimenterie dispose d'une carrière de calcaire et d'une carrière d'argile. Les matières premières sont extraites et les blocs obtenus sont concassés pour obtenir des éléments inférieurs à 50 mm.

Préparation du mélange : les matières premières sont très soigneusement dosées et mélangées de façon à obtenir une composition parfaitement régulière. Le mélange est très finement broyé dans des broyeurs rotatifs à boulets. I1 est ensuite préparé à la cuisson suivant différents procédés. Le cru se présente sous forme d'une pâte liquide dans la voie humide, d'une farine dans la voie sèche, de granules dans la voie semi-sèche.

Cuisson : La cuisson se fait à une température de 1450 °c. Elle est très généralement réalisée dans un four rotatif dans lequel la matière chemine lentement, venant à la rencontre de la source de chaleur.

Broyage : Le clinker est finement broyé pour obtenir le ciment portland. Il est incorporé du gypse >5%) pour régulariser sa prise. Les autres ciments sont obtenus en ajoutant d’autres constituants.

Procédés de préparation du mélange du « Ciment »

• Procédé par voie sèche: préchauffée (en poudre) à 800°C par les gaz du four;

• Procédé par voie demi-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.

4. Les principaux constituants du ciment

Clinker

Constituant de base du ciment, il résulte de la calcination à haute température (1 450°C) d’un mélange homogène de calcaire et d’argile, appelé cru. Il entre dans la composition de tous les ciments courants.

Laitier de haut fourneau

Résidu de l’industriel sidérurgique, il est issu du refroidissement rapide de la scorie fondue provenant de la fusion du minerai de fer. Ce matériau présente des caractéristiques

hydrauliques latentes.

Pouzzolane naturelle

D’origine volcanique, cet élément composé de silice, d’alumine et d’oxyde de fer, améliore la qualité hydraulique des ciments.

Cendres volantes

Elles proviennent du dépoussiérage des gaz de chaudières alimentées au charbon pulvérisé.

Mélangées au clinker, elles se comportent comme les pouzzolanes.

Fumées de silice

Particules sphériques très fines, elles sont obtenues par broyage de quartz. Leur ajout permet de fabriquer des bétons très performants en termes de résistance.

Additifs

Autres constituants servant à améliorer la fabrication du ciment ou de ses propriétés. Leur quantité globale ne peut pas dépasser 1 % en masse de ciment. Cette limite est à 0,5 % pour les additifs organiques (extrait sec).

5. Classification des «Ciments» / désignation

Ciment prompt

Ciment prompt est un liant naturel obtenu à partir de la cuisson à température modérée (entre 500 et 1 200 °C) d’un calcaire argileux de composition régulière, suivie par un broyage très fin. Il se caractérise par une prise et durcissement très rapide (en quelques minutes), une bonne adhérence et une résistance aux eaux agressives. Il est de couleur jaune ocre à brune.

Le ciment prompt est utilisé pour les travaux de scellement, calage, enduits, montage de cloisons, réparation de sols, les travaux en milieu humide, les moulages, les pièces prefabriquées.

Ciment alumineux

Le ciment alumineux fondu est réalisé à base d’aluminates de calcium (contrairement au ciment courant qui est à base de silicates de calcium). Il est utilisé comme liant hydraulique ou comme réactif minéral associé à d’autres composants. Il résiste bien aux agents agressifs et aux hautes températures. Il est à l’origine de nombreux produits techniques tels que mortiers spéciaux, bétons réfractaires…

6. Principales caractéristiques des ciments

Le ciment se caractérise par un certain nombre de critères mesurés de façon

conventionnelle, soit sur la poudre, soit sur la pâte, soit sur le « mortier normal » (mélange normalisé de ciment, de sable et d’eau défini par la norme NF EN 196-1).

Caractéristiques de la poudre

La surface spécifique (finesse Blaine) permet de mesurer la finesse de mouture d’un ciment.

Elle est caractérisée par la surface spécifique ou surface développée totale de tous les grains contenus dans un gramme de ciment (norme NF EN 196-6). Suivant le type de ciment, cette valeur est généralement comprise entre 2 800 et 5 000 cm2/g.

La masse volumique apparente représente la masse de la poudre par unité de volume (vides entre les éléments inclus). Elle est de l’ordre de 1 000 kg/m3 (1 kg par litre) en moyenne pour un ciment.

La masse volumique absolue représente la masse de la poudre par unité de volume (vides entre les éléments exclus). Elle varie de 2 900 à 3 150 kg/m3 suivant le type de ciment.

Caractéristiques mesurées sur pâte ou sur « mortier normal »

Les réactions qui se passent dès le début du gâchage et se poursuivent dans le temps sont extrêmement complexes.

C’est le développement et la multiplication de ces micro-cristaux dans le temps qui expliquent l’augmentation des résistances mécaniques. Le ciment durci est une véritable « roche

artificielle » qui évolue dans le temps et en fonction des conditions extérieures.

Avant d’atteindre son stade final, l’évolution du ciment passe par trois phases successives.

 Phase dormante

La pâte de ciment – ciment + eau – reste en apparence inchangée pendant un certain temps (de quelques minutes à plusieurs heures suivant la nature du ciment). En fait, dès le malaxage, les premières réactions se produisent, mais sont ralenties par la présence du gypse.

 Début et fin de prise

Après une à deux heures pour la plupart des ciments, on observe une augmentation brusque de la viscosité : c’est le début de prise, qui est accompagné d’un dégagement de chaleur. La fin de prise correspond au moment où la pâte cesse d’être déformable et se transforme en un matériau rigide.

Le début de prise est déterminé par l’instant où l’aiguille de Vicat – aiguille de 1 mm2 de section pesant 300 g – ne s’enfonce plus jusqu’au fond d’une pastille de pâte pure de ciment.

Les modalités de l’essai font l’objet de la norme NF EN 196-3.

Suivant les types de ciment, le temps de début de prise doit être supérieur à 45 minutes ou à 1 heure.

 Durcissement

On a l’habitude de considérer le durcissement comme la période qui suit la prise et pendant la quelle l’hydratation du ciment se poursuit. La résistance mécanique continue à croître très longtemps, mais la résistance à 28 jours est la valeur conventionnelle.

 L’expansion

se mesure suivant un essai normalisé (norme NF EN 196-3) et grâce aux aiguilles de Le Chatelier. Il permet de s’assurer de la stabilité du ciment. L’expansion ne doit pas être supérieure à 10 mm sur pâte pure pour tous les ciments

(conformément à la norme NF EN 197-1).

 Le retrait

La mesure du gonflement dans l’eau et du retrait dans l’air est effectuée sur prisme de 4 x 4 x 16 cm sur « mortier normal » (norme NF P 15-433). Le retrait est limité à 0,8 mm/m ou à 1 mm/m suivant le type de ciment.

7. Classification des «Ciments» / classe de résistance

Les résistances mécaniques, mesurées sur éprouvettes de mortier normal, caractérisent de façon conventionnelle la résistance du ciment définie par sa valeur nominale. Cette valeur est la limite inférieure de résistance en compression à 28 jours.

Les classes de résistance

Les ciments sont répartis en trois classes, 32,5 - 42,5 - 52,5, définies par la valeur minimale de la résistance normale du ciment à 28 jours.

La résistance normale d’un ciment est la résistance mécanique à la compression mesurée à 28 jours

conformément à la norme EN 196-1 et exprimée en N/mm2 (1 N/mm2 = 1 MPa = 10 daN/cm2 = 10 bars).

La classe R correspond à une résistance au jeune âge plus élevée que la classe normale correspondante (N).

Classification des différents types de ciments suivant les normes algériennes :

— ciment Portland : CPA – CEM I ;

— ciment Portland composé : CPJ – CEM II/A ou B ;

— ciment de haut fourneau : CHF – CEM III/A ou B et CLK – CEM III/C ;

— ciment pouzzolanique : CPZ – CEM IV/A ou B ;

— ciment au laitier et aux cendres : CLC – CEM V/A ou B.

Les constituants de ces types de ciments doivent être conformes aux valeurs fixées dans le tableau 1

(1) Les valeurs indiquées se réfèrent au ―noyau du ciment‖ (*), à l’exclusion des sulfates de calcium et des additifs.

(2) Les constituants secondaires peuvent être du filler ou bien un ou plus des constituants principaux, sauf lorsque ceux-ci sont incorporés en tant que constituants principaux du ciment.

(3) La proportion de fumées de silice est limitée à 10 % dans tous les ciments.

(4) La proportion de filler est limitées à 5 %.

(5) Le fabricant est tenu à une déclaration de composition stipulant les constituants utilisés et la proportion de chacun d’eux; il s’engage à ne pas faire varier ces proportions au-delà d’une fourchette de plus ou moins 5 points, le clinker étant aussi un constituant. La forme et les modalités d’application de cette déclaration sont définies dans l’annexe B de la norme NA 442 - 2000.

(*) Le noyau du ciment est une fraction ne comprenant que les constituants principaux et secondaires, donc ni le sulfate de calcium ni les additifs éventuels.

N.B : Les lettres A, B, C fournissent une information sur la proportion de constituants autres que le clinker.

(*) La lettre R indique que le ciment a une résistance élevée au jeune âge.

1) Li : Limite inférieure nominale pour une spécification donnée, respectée avec probabilité de 95 % pour les résistances et de 90 % pour les autres propriétés.

2) Ls : Limite supérieure nominale pour une spécification donnée, respectée avec une probabilité de 90 %.

Chapitre 4 : Le béton

1. Généralités

Le béton est un matériau composite aggloméré constitué de granulats durs de diverses dimensions collées entre eux par un liant.

Types de liants :

• Ciment (Béton hydraulique);

• Bitume, goudron, asphalte (Béton hydrocarboné);

• Résine (Béton de résine) (liant de polymère thermoplastique/thermodurcissable);

• Argile (béton d'argile).

Types de granulats : grains de pierre, sable, gravier, cailloux; autres….

Béton hydraulique est constitué :

 d’une pate (ciment + eau),

 d’un mélange granulaire,

 de produits additionnels (adjuvants, additions minérales,…).

On désigne par :

 Matrice (mortier) : le mélange liant + sable + eau,

 Squelette : le mélange des granulats

Le ciment est un liant hydraulique qui se présente sous la forme d’une poudre minérale fine s’hydratant en présence d’eau. Il forme une pâte faisant prise qui durcit progressivement à l’air ou dans l’eau. C’est le constituant fondamental du béton puisqu’il permet la

transformation d’un mélange sans cohésion en un corps solide (voir. cours sur les ciments).

Les granulats (sables, gravillons) constituent le squelette du béton. Ils doivent être

chimiquement inertes vis-à-vis du ciment, de l’eau et de l’air. On utilise en général, pour les ouvrages courants, des granulats constitués uniquement par du sable et des gravillons. On emploie également des granulats légers qui sont le plus souvent artificiels et fabriqués à partir de matières minérales, comme les argiles, les schistes (argiles expansées) et les silicates (vermiculite et perlite). Les premiers permettent la fabrication de bétons de structure légers, dont la résistance peut atteindre de 40 à 50 MPa. Les seconds servent à la fabrication de parois en béton très léger, à fort pouvoir d’isolation thermique. Le poids volumique apparent

de ces granulats varie d’environ 0.6 à 8 kN/m3. Malgré leur intérêt technique, leur coût énergétique de fabrication en réduit l’emploi à des applications particulières. Les granulats lourds sont soit des riblons ou de la grenaille de fer, soit des minéraux naturels comme la magnétite, la limonite ou la barytine. Ils sont utilisés dans les bétons destinés à assurer une protection contre les rayonnements atomiques. Leur poids volumique apparent varie de 30 à 50 kN/m3.

Les additions minérales (ultrafines) sont des particules de faibles dimensions qui, ajoutées en quantités de l’ordre de 10% du poids de ciment, améliorent notablement les performances et la durabilité du béton grâce à leurs propriétés physico-chimiques (cendres volantes, laitier, fillers, ...). Les fumées de silice, ou micro silices, sont les plus utilisées, ce sont des oxydes de silicium à structure amorphe en forme de microsphères de diamètre de l’ordre de 10 µm.

L'eau (de gâchage) : de façon générale, l’eau de gâchage doit avoir les propriétés de l’eau potable. Il est exclu d’employer de l’eau de mer, qui contient environ 30 g/l de chlorure de sodium, pour la fabrication de bétons armés ou précontraints.

Les adjuvants sont des produits chimiques incorporés au béton frais en faibles quantités (en général moins de 3% du poids de ciment, donc moins de 0.4% du poids du béton) afin d’en améliorer certaines propriétés. Leur efficacité est liée à l’homogénéité de leur répartition dans la masse du béton. Les principaux adjuvants sont :

• les plastifiants, qui jouent un double rôle. Ils permettent, d’une part, d’obtenir des bétons frais à consistance parfaitement liquide, donc très maniables, par défloculation des grains de ciment. A maniabilité donnée, ils offrent, d’autre part, la possibilité de réduire la quantité d’eau nécessaire à la fabrication et à la mise en place du béton. La résistance du béton durci peut ainsi être notablement augmentée. La durée d’action de ces adjuvants est de 1 à 3 heures,

• les retardateurs de prise du ciment, qui prolongent la durée de vie du béton frais.

Ils trouvent leur utilisation dans le transport du béton sur de grandes distances ou la mise en place par pompage, en particulier par temps chaud. Ils sont aussi employés pour éviter toute discontinuité lors de reprises de bétonnage,

• les accélérateurs de prise et de durcissement, qui permettent, pour les premiers, la réalisation de scellements ou d’étanchements et, pour les seconds, une acquisition plus rapide de résistance au béton durci,

• les entraîneurs d’air, qui confèrent au béton durci la capacité de résister aux effets de gels et de dégels successifs en favorisant la formation de microbulles d’air réparties de façon homogène. Le volume d’air occlus doit être de l’ordre de 6% de celui du béton durci.

2. Ouvrabilité (caractéristique principale béton frais)

L'ouvrabilité caractérise l'aptitude d'un béton (frais) à remplir les coffrages, et à enrober convenablement les armatures. Elle doit donc être telle, que le béton soit maniable et qu'il conserve son homogénéité.

2.1 Introduction

L'ouvrabilité est caractérisée par une grandeur représentative de la consistance du béton frais.

Dans le cas de bétons classiques, elle est principalement influencée par : • la nature et le dosage du liant,

• la forme des granulats,

• la granularité, la granulométrie, • le dosage en eau.

Le rôle de l'eau est prépondérant pour l'ouvrabilité du béton frais et sur les propriétés du béton durci :

• L'eau donne au béton sa maniabilité, d'une part par son action lubrifiante sur les différents grains, d'autre part par la cohésion due à la pâte provoquée par l'association des grains fins (ciment et fines) avec elle.

• L'eau permet l'hydratation du ciment et donc le durcissement du béton. Un ciment Portland demande environ 25% de son poids en eau pour s'hydrater complètement (sous réserve des problèmes de flocs et d'expansion. Toute variation de la quantité d'eau entraîne des modifications de la vitesse de durcissement et des performances mécaniques.

Le dosage en eau ne peut pas être augmenté au-delà d'une certaine valeur afin d'améliorer l'ouvrabilité sans entraîner des inconvénients. Les conséquences d'un excès d'eau sont : • risque de ressuage,

• augmentation du retrait, • augmentation de la porosité, • défectuosité du parement : bullage,

• risque de ségrégation des constituants du béton,

• diminution de la compacité et corrélativement des résistances,

Le dosage en eau doit donc être limité au 'juste nécessaire' à l'hydratation du liant et aux exigences d'ouvrabilité.

Mesure et contrôle de l'ouvrabilité

De nombreux essais et tests permettent de mesurer les caractéristiques dont dépend l'ouvrabilité d'un béton. Les plus utilisés dans la pratique sont :

- l'affaissement au cône d'Abrams - le maniabilimètre LCPC

- l'étalement à la table à secousses - le test CES (pour les ouvrages en BA) - le plasticimètre à rotation

2.2 Affaissement au cône d'Abrams (Slump test)

La consistance du béton est donnée suivant les valeurs données dans le tableau ci-dessous:

2.3

3. Résistance (caractéristique principale du béton durci)

La caractéristique essentielle du béton durci est la résistance mécanique en compression à un âge donné (28 jours). Le béton est un matériau travaillant bien en compression, dont la

connaissance de ses propriétés mécaniques est indispensable pour le calcul du dimensionnement des ouvrages.

Lorsqu'il est soumis à l'action d'une charge rapidement croissante, le béton se comporte comme un matériau fragile. D'une part, sa rupture n'est pas précédée de déformations importantes et, d'autre part, sa résistance à la traction est beaucoup plus faible que sa résistance à la compression.

3.1 Facteurs influençant la résistance du béton

La résistance du béton dépend d'un grand nombre de paramètres :

- qualité du ciment,

Une des caractéristiques essentielles de la qualité du ciment est sa classe de résistance ; un béton fabriqué avec un ciment de classe 42.5 présente une plus grande résistance qu’un béton fabriqué avec un ciment de classe 32 .5.

- le dosage en ciment et en eau,

La résistance croit avec l’augmentation du dosage en ciment et décroit avec l’augmentation de la quantité d’eau incorporée ; c’est pourquoi on a tendance à prendre en compte le rapport E/C comme facteur global intervenant dans la résistance du béton.

- la granularité,

La granularité est définit par le rapport

;

- l'influence de la température et de l'humidité,

La chaleur accélère la prise et le durcissement du béton tandis que le froid allonge la durée de prise. Des expériences menées au laboratoire ont montré que l’augmentation de l’humidité du milieu de cure contribue à améliorer la résistance du béton.

3.2 Essais sur béton durcis

1. Résistance à la compression par rupture d’éprouvette

La résistance en compression à 28 jours est désignée par fc28. Elle se mesure par ccompression axiale de cylindres droits de révolution et d'une hauteur double de leur diamètre. (16×32) ou (15×30)

 L’effort de compression est donné par la relation :

f

^{S = 200 cm}

Pour une éprouvette cylindrique de16×32

 D’après leur résistance à la compression, les bétons peuvent être : - courants : fc est de : 20 à 40 MPa ;

- à hautes performances : fc est de : 50 à 100 MPa ;

- les bétons de très hautes performances : fc est de : 100 à 150 MPa ; - exceptionnels: FC est au-delà de 150 MPa ;

2. Résistance à la traction.

Généralement le béton est un matériau travaillant bien en compression, mais on a parfois besoin de connaître la résistance en traction, en flexion et au cisaillement.

La résistance en traction à 28 jours est désignée par

F

a.

 La contrainte de rupture en traction est donnée par la relation :

f

=

P – charge de rupture, S – la section exacte de l’éprouvette

b.

Les essais les plus courants sont des essais de traction par flexion. Ils s'effectuent en général sur des éprouvettes prismatiques d'élancement 4 (10×10×40), reposant sur deux appuis, soit sous charge concentrée unique appliquée au milieu de l'éprouvette (moment maximal au centre). soit sous deux charges concentrées, symétriques, égales, appliquées au tiers de la portée (moment maximal constant entre les deux charges.



f

c.

L'essai consiste à écraser un cylindre de béton suivant deux génératrices opposées entre les plateaux d'une presse. Cet essai est souvent appelé "Essai Brésilien". Si P est la charge de compression maximale produisant l'éclatement du cylindre par mise en traction du diamètre vertical, la résistance en traction sera :

 La résistance à la traction est donnée par:

P – charge de la rupture, D – diamètre du cylindre, L – longueur de cylindre, J – âge du béton.

f

= 2

3.3 Autres propriétés du béton :

Le retrait

Il dépend de quatre facteurs : l'humidité, le dosage en ciment, le dosage en eau, le pourcentage des armatures) C'est le phénomène de raccourcissement d'un élément de béton dans son jeune âge En l'absence de toute charge. Il est assimilable à l'effet d'un abaissement de température

entraînant un raccourcissement. Il est influencé par quatre facteurs : - L'humidité : le durcissement en milieu humide diminue le retrait.

- Le dosage en ciment : le retrait croît en même temps que le dosage en ciment.

- Le dosage en eau : à dosage en ciment constant, une diminution du rapport C/E

augmente le retrait. Pour un béton armé, le retrait diminue avec une augmentation du pourcentage en aciers.

La dilatation

On admet, en moyenne, un coefficient de dilatation thermique de 1 x 10^-5 pour le béton (c'est-à- dire.0, 01 mm/m °C).

Le fluage

C’est le phénomène de déformation différé sous une charge constamment appliquée.

L'élasticité

Le module d'élasticité est défini par la relation suivante :

E = Contrainte unitaire /déformation relative = Fci

/

En compression ou en traction, la déformation longitudinale est aussi accompagnée d'une déformation transversale. C'est l'effet poisson. Le coefficient de poisson n est le rapport de la déformation transversale et la déformation longitudinale en valeur relative. Il est pris égal à 0,2 pour le calcul des déformations, et à 0 pour le calcul des sollicitations. Par ailleurs, pour les calculs des éléments bidirectionnels (dalles,…), il est pris égal à 0,2 pour un béton non fissuré et 0 pour un béton fissuré.

4. Différents types de bétons

Le béton varie en fonction de la nature des granulats, des adjuvants, des colorants, des traitements de surface, et peut ainsi s'adapter aux exigences de chaque réalisation, par ses performances et par son aspect.

 Les bétons réfractaires

Ce sont des bétons qui résistent à des températures élevées (jusqu'à 2000°C). Ici, il faut un ciment réfractaire(en général alumineux) et des granulats également réfractaires (scories, corindon, terre cuite).

 Les bétons cellulaires

Ces bétons sont très légers(ils flottent sur l'eau), sciables, clouables et sont de très bons isolants.

Ces bétons sont en réalité du mortier (sable fin et ciment) auquel on a ajouté une matière génératrice de gaz traitée à l'autoclave (enceinte fermée dans laquelle le matériau est soumis à haute température et à haute pression).

 Bétons Prêts à l’Emploi :

Les "Bétons Prêts à l’Emploi", abrégés en BPE, sont des bétons conçus et produits

industriellement dans une centrale à béton. Le béton est livré frais sur le chantier dans des camions-toupies. Il est prêt à être mis en œuvre soit directement avec la goulotte du camion- toupie, soit à l’aide d’un tapis ou d’une pompe à béton.

 Le béton armé :

Le béton armé est un matériau composite qui allie les propriétés mécaniques du béton et celles de l'acier. La résistance en traction du béton étant assez mauvaise, on ajoute des armatures en acier qui viennent renforcer le béton. L’acier ayant une bonne résistance tant en traction qu'en

compression, il compense les faiblesses du béton et retarde ainsi l'ouverture des microfissures qui apparaissent lorsque le béton ne résiste plus à la traction.

 Le béton fibré :

Le béton fibré est un béton dans lequel sont incorporées des fibres synthétiques ou métalliques.

Comme pour le béton armé, les fibres renforcent le béton. Il permet une plus grande rapidité et une plus grande facilité de mise en œuvre du fait de la suppression de la mise en place du ferraillage et une limitation de la fissuration grâce au grand nombre de fibres dispersées dans le béton.

 Le béton précontraint :

Techniques qui consistent à tendre (comme des ressorts) les aciers constituant les armatures 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. Elles sont ensuite relâchées, mettant ainsi le béton en compression par simple effet d'adhérence. Cette technique ne permet pas d'atteindre des valeurs de précontrainte aussi élevées qu'en post-tension.

La post-tension consiste à disposer des 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. Cette technique, relativement complexe, est généralement réservée aux grands ouvrages (comme les ponts) puisqu'elle nécessite la mise en œuvre d'encombrantes « pièces d'about » (dispositifs mis en place de part et d'autre de l'ouvrage et permettant la mise en tension des câbles).

La précontrainte permet d’augmenter encore la résistance des pièces en béton, et d’allonger la portée des éléments porteurs. Elle équilibre les efforts des charges extérieures, et évite ainsi au béton de se fissurer. La compression initiale introduite grâce à la précontrainte dans la partie inférieure des poutres s’oppose aux tractions engendrées par les charges et surcharges appliquées sur la poutre.

 Les Bétons à hautes Performances :

Les BHP sont des bétons dits de hautes performances car ils possèdent de meilleures caractéristiques que les bétons normaux tels que :

 Une meilleure résistance à la compression, ce qui permet une réduction des quantités de béton nécessaires.

 Une grande fluidité (due aux super plastifiants) ce qui permet une meilleure mise en œuvre, un meilleur pompage et ne nécessite pas de vibrer le béton pour obtenir une surface lisse.

 Des besoins en eau plus faible.

De plus les BHP ont une plus grande durabilité qui résulte de leur forte compacité et de leur très faible porosité ce qui diminue la quantité d'agents agressifs pénétrant dans le béton et donc protège les armatures de la corrosion et augmente la résistance des bétons au cycle gel/dégel.

 Le béton projeté :

Le béton projeté est un béton qui est projeté à grande vitesse sur une surface au moyen d’air comprimée. La force de l’impact sur la surface compacte le matériau ce qui l’empêche de

s’affaisser ou de couler. Le béton projeté a des propriétés similaires à celles d’un béton ordinaire de composition similaire et mis en place de façon usuelle si ce n’est en fait qu’une méthode de mise en place différente. Cette méthode permet d’éviter l’utilisation des coffrages, elle ne nécessite qu’une seule surface de support et peut être utilisée sur des surfaces courbes et irrégulières.

Il existe deux procédés pour faire du béton projeté, le procédé par voie sèche et celui par voie humide :

 Le procédé par voie sèche est le plus utilisé pour les réparations. Les matériaux secs, c’est-à-dire le ciment et les granulats, sont incorporés directement dans une canalisation, où ils sont transportés par l’air comprimé jusqu’à la lance. L’eau sous pression est introduite dans le mélange à la sortie de la lance.

Le procédé par voie sèche a l’avantage de pouvoir être arrêté et reparti à tout moment durant les travaux, Car le béton étant sec dans la lance il ne risque pas de se solidifier. Des résistances élevées peuvent être facilement obtenues avec ce procédé puisqu’il permet d’atteindre de faibles rapports eau/liant. Le désavantage du procédé sec est que le dosage de l’eau dans le mélange se fait directement à la lance, par le lancier, ce qui complique le contrôle de la qualité.

 Le procédé par voie humide implique qu’un béton ou un mortier soit pompé de façon conventionnelle et projeté à haute vitesse contre une surface réceptrice en utilisant de l’air comprimée ajoutée à la lance. Le procédé par voie humide est surtout utilisé lorsque les volumes à produire sont importants. Le contrôle de la qualité est plus simple avec ce procédé, puisqu’en utilisant un béton conventionnel, le dosage des constituants du mélange est connu.

 Les bétons auto plaçant, auto compactant et auto nivelant :

Ce sont des bétons très fluides, homogènes et stables, mis en œuvre sans vibration dans le coffrage, ils se mettent en place sans serrage. Ils se caractérisent par leur grande capacité d’écoulement sans altération de la stabilité, leur pompabilité et leur long maintien de la fluidité.

Ils se distinguent des bétons courants principalement par leurs propriétés à l’état frais, compromis entre fluidité, résistance à la ségrégation. Ils présentent à l’état durci des performances analogues à celles des bétons traditionnels mis en œuvre par vibration.

 Les bétons caverneux, drainant et poreux :

Ce sont des bétons à structure ouverte de granulométrie discontinue, avec, à l’état durci, des vides entre les plus gros éléments granulaires. La porosité ouverte utile (pourcentage de vides

communiquant entre eux et avec l’extérieur) représente alors plus de 10 % du volume du béton compacté. Le béton devient donc suffisamment poreux pour être drainant.

 Le béton de ciment alumineux (ou béton fondu) :

Le béton de ciment alumineux est un béton dans lequel le liant utilisé est du ciment alumineux. Il s'agit un ciment à base d'aluminates de calcium. Ces aluminates ne libèrent pas de chaux au cours d'hydratation et offrent plusieurs propriétés spéciales au béton ou au mortier alumineux. Cela permet :

 une prise rapide

 une résistance chimique élevée

 une résistance élevée à l'usure

 une résistance aux températures élevées

 une accélération de la prise par temps froid

Ce béton a une bonne résistance aux environnements agressifs et développe rapidement des résistances mécaniques élevées. Lorsqu’il contient des granulats artificiels à base d’aluminium, il a également des propriétés réfractaires (forte inertie thermique).

 Le béton décoratif :

Le béton bouchardé : béton décoratif mettant en valeur les granulats. Il est réalisé à l’aide d’une machine qui érode le béton en surface afin de faire apparaître les granulats.

Le béton désactivé : béton décoratif mettant en valeur les gravillons inclus dans le béton. Pour obtenir ce résultat, on applique lors du coulage, un retardateur de prise sur la surface sur béton frais juste après la mise en œuvre. Quelques heures après, un nettoyage au jet d’eau haute

pression est réalisé, pour faire apparaître les gravillons en relief par rapport au mortier.

Chapitre 5 : Les métaux et alliages

Introduction

La famille des métaux se divise en deux catégories : les métaux ferreux, dont l’acier et la fonte, forment la majeure partie du groupe, et les métaux non ferreux, plus diversifiés ( aluminium, plomb, cuivre, nickel, zinc et autres ), qui se trouvent en minorité dans la composition des produits finis.

L’acier constitue la presque totalité des métaux ferreux, et la demande pour ce métal ne cesse de croître. C’est le métal le plus largement utilisé et le matériau le plus recyclé dans le monde.

Historique

Le fer est l'un des métaux les plus abondants de la croûte terrestre. On le trouve un peu partout, combiné à de nombreux autres éléments, sous forme de minerai. En Europe, la fabrication du fer remonte à 1 700 avant J.C.

Depuis les Hittites jusqu'à la fin du Moyen Age, l'élaboration du fer resta la même : on

chauffait ensemble des couches alternées de minerai et de bois (ou de charbon de bois) jusqu'à obtenir une masse de métal pâteuse qu'il fallait ensuite marteler à chaud pour la débarrasser de ses impuretés et obtenir ainsi du fer brut, prêt à être forgé.

La forge était installée à quelques pas du foyer où s'élaborait le métal. D'abord simple trou conique dans le sol, le foyer se transforma en un four, le "bas-fourneau", perfectionné petit à petit : de l'ordre de quelques kilos à l'origine, les quantités obtenues pouvaient atteindre 50 à 60 kilos au Moyen Age.

On fabriqua aussi dès le début, de petites quantités d'acier, à savoir du fer enrichi en carbone. Un matériau qui se révéla à la fois plus dur et plus résistant.

Puis vint la fonte...

Au XVème siècle, la génération des premiers "hauts fourneaux" de 4 à 6 mètres de haut propagea une découverte fortuite mais majeure : un métal ferreux à l'état liquide, la fonte, qui se prêtait à la fabrication de toutes sortes d'objets (marmites, boulets de canons, chenets, tuyau).

La fonte permettait également de produire du fer en abondance, grâce à l'affinage : le lingot de fonte était chauffé et soumis à de l'air soufflé, ce qui provoquait la combustion du carbone contenu dans la fonte et un écoulement du fer goutte à goutte, formant une masse pâteuse de fer brut.

Et enfin l'acier

En 1786, Berthollet, Monge et Vandermonde, trois savants français, établirent la définition exacte du trio Fer-Fonte-Acier et le rôle du carbone dans l'élaboration et les caractéristiques de ces trois matériaux.

Toutefois, il fallut attendre les grandes inventions du XIXème siècle (les fours Bessemer, Thomas et Martin) pour que l'acier, jusqu'alors fabriqué en faible quantité à partir du fer, connaisse un développement spectaculaire et s'impose rapidement comme le métal-roi de la révolution industrielle.

Au début du XXème siècle, la production mondiale d'acier atteignit 28 millions de tonnes, soit six fois plus qu'en 1880. Et à la veille de la première guerre mondiale, elle grimpa à 85 millions de tonnes. En quelques décennies, l'acier permit d'équiper puissamment l'industrie et supplanta le fer dans la plupart de ses applications.

Propriétés des métaux

Les métaux se distinguent en fonction de différentes caractéristiques qui leur confèrent des propriétés spécifiques.

Fragilité

La fragilité désigne la caractéristique d’un métal qui se brise facilement sous l’effet d’un choc ou d’une déformation. Il se déforme peu ou pas du tout, et se casse facilement.

Ductilité

À l’opposé, la ductilité représente la capacité d’un métal à se déformer sans se rompre. Il peut être étiré, allongé ou soumis à des forces de torsion. Les matériaux ductiles sont difficiles à casser parce que les fissures ou les défauts créés par une déformation se propagent difficilement.

Ténacité

La ténacité correspond à la capacité des matériaux à résister aux chocs sans se briser ni s’écailler. Les marteaux et les

équipements utilisés pour déformer ou couper des plaques d’acier (matrices, poinçons, etc.) sont constitués de matériaux de haute ténacité.

Malléabilité

La malléabilité est une caractéristique qui permet au métal de se laisser façonner.

Elle réfère à la résistance relative du métal soumis à des forces de compression, comme le forgeage ou le laminage. Un exemple de matériel extrêmement malléable, quoique non soudable, est la pâte à modeler.

Notons que la malléabilité d’un matériau croît avec l’augmentation de la température.

Élasticité

L’élasticité désigne la capacité d’un matériel à reprendre sa forme originale après avoir subi une déformation. C’est le cas typique d’un ressort qu’on étire puis qu’on relâche.

Dureté

La dureté est la capacité d’un corps à résister à la pénétration d’un corps plus dur que lui.

Elle se caractérise aussi par sa résistance aux rayures. Le diamant constitue le matériau le plus dur. Les aciers à haute teneur en carbone sont durs, les aciers doux, un peu moins, et l’aluminium est de faible dureté.

Résistance à l’abrasion

Les matériaux durs présentent aussi une bonne résistance à l’abrasion, c’est-à-dire qu’ils ne s’usent pas facilement par frottement.

En termes pratiques, ils sont plus difficiles à meuler.