Comportement des matériaux de construction

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Digeste de la construction au Canada, 1973-11

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Comportement des matériaux de construction

Digeste de la Construction au Canada

Division des recherches en construction, Conseil national de

recherches Canada

CBD 115F

Comportement des matériaux de

construction

Veuillez noter

Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.

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. Leur durée peut être la même que celle du bâtiment ou elle peut, comme dans le cas des peintures, n'être que de quelques années.

On parle communément de la durabilité d'un matériau comme s'il s'agissait d'une propriété fondamentale déterminée comme la période de temps pendant laquelle le matériau accomplira une fonction utile. La vie utile d'un matériau en place dépend cependant toujours de la combinaison des facteurs d'environnement auxquels il est soumis, et 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.

L'expérience acquise pendant de nombreuses années avec les matériaux traditionnels permet de prédire le comportement du même matériau dans des conditions semblables. Les données expérimentales ainsi acquises font connaître le "comment", mais rarement le "pourquoi" du comportement des matériaux. Lorsque de nouveaux matériaux doivent être mis au point ou leur emploi envisagé, ou encore lorsque des matériaux traditionnels doivent être utilisés dans des situations entièrement nouvelles, la possibilité de prédire leur comportement peut être extrêmement restreinte à moins que le pourquoi des expériences passées et donc les facteurs fondamentaux impliqués ne soient compris. À défaut de bases satisfaisantes, il est impossible, au cours de la conception d'un projet, de porter un jugement sain qui exigerait une combinaison d'expérience et d'analyse. Il n'est pas moins 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.

La nature physique et chimique de la plupart des matériaux de construction est complexe. Les processus qui entrent en jeu lors de leurs réactions aux facteurs de l'environnement ne le sont pas moins. Il est cependant possible de se livrer, à leur sujet, à certaines généralisations, qui

permettent d'améliorer notre connaissance du comportement et de fournir une base de prédiction.

Propriétés des Matériaux Nature Chimique

La nature chimique d'un matériau ne rend que rarement service à l'utilisateur ou au rédacteur de devis qui ne sont pas à même d'en comprendre la portée. Elle détermine cependant la réactivité d'un matériau à d'autres matériaux et à certains éléments de l'environnement. Elle constitue donc un facteur dominant de stabilité et de durabilité. Il est par suite nécessaire que le concepteur possède des connaissances de chimie lui permettant de déterminer les différences fondamentales existant entre les divers catégories et types de matériaux. Le fait que des changements minimes de composition (y compris des traces de certaines substances comme dans le cas des alliages métalliques) peuvent exercer une profonde influence sur les propriétés des corps est particulièrement significatif.

Une appréciation de la constitution fondamentale des principales catégories de matériaux devient des plus utile lorsqu'on peut la relier à un certain comportement. On sait, par exemple, évaluer l'influence exercée sur les matériaux organiques par la radiation ultraviolette, si l'on sait que la molécule organique possède des liens susceptibles d'être brisés et que d'autres changements peuvent être induits par cette radiation. Ce phénomène ne se produit pas dans le cas des métaux ou des matériaux à base de ciment. Ceux-ci possèdent cependant d'autres caractéristiques particulières; tel est le cas par exemple pour les hydrates qui, tel le plâtre de gypse, sont instables sous températures relativement modérées et susceptibles de se décomposer par faible humidité relative. Ces exemples font ressortir l'importance de la nature chimique d'un matériau et fournissent dans le premier cas des guides relatifs au comportement à en attendre ou au service qu'il rendra lors de son emploi en vue d'une fonction donnée.

Nature Physique et Mécanique

Il est courant, en calcul de charpente, de considérer un matériau en fonction de l'élément pratique de la charpente totale, qu'il s'agisse d'une poutre, d'une colonne ou d'une plaque. Les propriétés structurales étant données en fonction d'un certain matériaux, l'on suppose que celui-ci est homogène et isotrope sur une échelle importante en vue de son utilisation possible. Cette manière de se représenter un matériau ne permet pas de comprendre son comportement; à cette échelle, en effet, il est impossible d'apprécier les facteurs qui le déterminent. Cette conception est semblable à celle qui consisterait à étudier la réaction d'un pont en acier à une charge déterminée sans être capable d'analyser les contraintes engendrées dans chacun de ses éléments. Il se pourra que le pont supporte une certaine charge; un jour ou l'autre, cependant, un effondrement se produira si un des éléments subit des contraintes excessives.

Il est nécessaire, pour comprendre le comportement physique et mécanique d'un matériau, de la considérer sous la forme d'un "modèle" destiné à donner une représentation physique du système et à décrire ses propriétés moyennes chimiques, physiques et mécaniques. On doit, sur cette base, porter attention au grain, aux molécules de cristaux ou de polymères, leur assemblage suivant une des nombreuses dispositions géométriques qui peuvent se présenter, l'espace ou la porosité autour des éléments, ainsi que la nature et l'importance des "liaisons", c'est-à-dire des forces qui maintiennent ensemble ces blocs de construction.

Il est, donc, utile de penser au matériau à l'échelle de sa micro-structure. Lorsqu'on examine les processus de détérioration, la classification générale des matériaux entre poreux et non poreux, peut être utile pour identifier là ou l'effet nocif pourra se produire.

Matériaux non Poreux. Les matériaux non poreux comprennent le large groupe des métaux et céramiques. Ils sont polycristallins et caractérisés par des limites continues de grain. Toute réaction avec l'environnement commence à la surface extérieure, tel la corrosion du métal, et les limites de grain constituent souvent la région "faible" le long de laquelle l'action se propage

vers l'intérieur. Si le matériau lui-même n'est pas résistant, un revêtement superficiel fournit dans la plupart des cas une protection satisfaisante contre les réactions avec l'environnement. Les polymères constituent un autre groupe de matériaux non poreux qui sont généralement amorphes (non cristallins) et caractérisés chimiquement par leurs fortes dimensions moléculaires. Ils sont formés par polymérisation, c'est-à-dire par réunion de molécules simples qui constituent soit des gaz, soit des liquides volatils. C'est ainsi que le butane (liquide volatil) ne diffère chimiquement du polyéthylène que par la dimension des molécules.

La plasticité constitue la caractéristique principale de ce groupe de matériaux. Ils peuvent, sans détérioration, subir des déformations de 100 pour cent. Cette propriété résulte en partie de leur nature amorphe alors que de grandes molécules organiques semblables à des chaînes sont orientées au hasard et maintenues ensemble par les forces physiques d'attraction, et en partie du fait qu'à température normale, elles sont dans un état qui correspond, chez les métaux, à une température voisine de celle de la fusion. Lorsque la température est abaissé, les polymères ressemblent davantage au plâtre ou au verre.

Matériaux Poreux. Les matériaux que l'on rencontre le plus souvent dans la nature, et les matériaux classés comme étant à base de ciment, c'est-à-dire formés par hydratation ou autres réactions chimiques de constituants inorganiques, sont poreux en ce sens qu'ils contiennent, autour de cristaux ou de grains, des espaces vides reliés les uns aux autres. Les dimensions et formes de ces vides sont ordinairement variables et les canaux qui les réunissent sont extrêmement petits et tortueux. Il est essentiel de distinguer entre pores interconnectés et communiquant avec l'environnement extérieur du matériau et pores constituant essentiellement des "bulles" à l'intérieur de la masse du matériau. Les raisons de cette distinction sont évidentes. Lorsque les pores communiquent avec l'extérieur, la surface totale du matériau est en puissance la surface totale des vides constitués par les pores. Un matériau non poreux de volume égal à un centimètre cube a une surface de 6 cm². Le même volume d'un matériau poreux, le plâtre de gypse par exemple, aura, lorsqu'il est constitué de particules de 10µ (0.01 mm) une surface de 6000 cm² (0.6 m²), et, si les particules ont un diamètre de 0.1µ, la surface sera de 60 m² (0.015 acre), par exemple la pâte de ciment.

Les réactions avec l'environnement commençant à la surface, un matériau à grande surface est plus susceptible d'attaque en raison de sa plus grande superficie.

Lorsqu'on considère la microstructure, la porosité totale constitue le paramètre le plus important. Elle exerce une influence considérable sur la résistance (étudiée en rapport avec le béton, dans CBD 15F); elle fournit en outre - ce qui est plus important - un "réservoir" pour l'eau susceptible de geler avec la dilatation correspondante, ou un milieu pour la dissolution de constituants pouvant réagir avec les substances étrangères de l'atmosphère. On ne se rend pas compte, en général, de la porosité totale considérable de nombreux matériaux utilisés en pratique. Le plâtre normal peut présenter une porosité supérieure à 50 pour cent en volume, et le béton peut être aussi poreux dans des cas extrêmes.

Facteurs dûs à l'Environnement

On peut définir l'action de l'environnement comme l'effet combiné d'un certain nombre de facteurs qui réagissent avec le matériau. Ce sont la température, l'humidité, la radiation solaire et les matières étrangères. Il est souvent possible de mesurer séparément ces facteurs et d'enregistrer leurs valeurs quantitatives qu'on apprécie d'après des normes de base. Leur importance, concernant le comportement d'un matériau, réside cependant dans le degré de leur interaction avec ce dernier. Le matériau réagit à la température même et aux variations de celle-ci à l'intérieur du corps. À cause du retard thermique et des pertes ou gains de chaleur rayonnante, ces températures peuvent différer complètement de celle de l'air entourant le matériau.

La teneur en humidité, sa variation à travers le matériau, et l'écart du cycle humidité-sécheresse ou du cycle inverse, dépendent d'une combinaison de facteurs. Parmi ceux-ci figurent les chutes de pluie, le vent, l'humidité et d'autres facteurs liés à la nature physique du

matériau, ainsi que l'emplacement de ce dernier par rapport aux autres composants. Dans ce cas encore, ce sont la teneur en humidité et son changement à l'intérieur du matériau qui importent dans la détermination du rendement.

La composante ultraviolette de la radiation solaire ne présente de l'importance dans le processus de détérioration des matériaux organiques que dans la mesure où la nature chimique du matériau permet une interaction, et la quantité relative de radiation qu'atteint ce dernier. Ceci est déterminé par son orientation et son emplacement dans la structure.

Dans le contexte du présent Digest, on définit une matière étrangère comme tout substance ou tout agent venant en contact direct avec un matériau donné. Ce peut être un gaz, un liquide, des bactéries, des fongus, un animal ou un insecte, ou même un autre composant de la même structure. Un matériau peut réagir avec un voisin, ou avec un constituant de l'environnement et produire un changement de propriétés.

Parce que les facteurs de l'environnement agissent en combinaison et subissent des cycles quotidiens et saisonniers, qui imposent des conditions constamment changeantes, il en résulte un ensemble extrêmement complexe de variables qui commande les processus chimiques et physiques successifs ou simultanés responsables des changements intervenant dans les matériaux. Aussi l'identification des processus ou des facteurs responsables des détériorations est-elle extrêmement difficile.

Processus Chimiques et Physiques Vieillissement

De nombreux matériaux subissent des changements chimiques et physiques lents désignés sous le nom de vieillissement (à ne pas confondre avec la cure) pendant une certaine période de temps après leur fabrication. Ces changements peuvent comprendre l'achèvement de certaines des réactions de formation ou les réactions inverses lorsque le matériau tente de s'ajuster aux conditions d'entreposage ou de service. Il est souvent difficile de distinguer ces changements de ceux qu'engendrent les processus l'altération par l'atmosphère.

De nombreux matériaux organiques tels que les plastiques et les produits de scellement subissent le vieillissement. Les carreaux en plastique de plancher se contractent souvent pendant un certain temps après leur fabrication; les briques fraîchement cuites ou les tuiles d'argile peuvent également subir des changements de dimensions au cours de leur entreposage alors qu'elles s'ajustent aux nouvelles conditions de teneur en humidité.

Efflorescence et Cristallisation des Sels Solubles

Ce processus implique en principe l'action de sels solubles provenant soit des matériaux eux-mêmes, soit de sources de pollution existant dans l'atmosphère. Les sels sont dissous et transportés par l'eau libre se trouvant dans les pores des matériaux, à la surface où l'eau s'évapore, laissant les sels sous forme de tache appelée efflorescence. Lorsque l'évaporation se produit dans des craquelures ou cavités du matériau, il peut en résulter une force de dilatation qui tend à séparer les matériaux voisins. À cause de cette action des sels cristallisants, on a souvent associé le processus à l'action du gel, dans laquelle l'eau existant dans les pores du matériau se cristallise en glace avec production, également dans ce cas, d'une force de dilatation. La cause d'un désordre quelconque dans un matériau, ne peut donc être simplement attribué à l'un ou à l'autre de ces processus.

On est certain que le processus de cristallisation implique les sels solubles et l'eau dans le matériau; le mécanisme de l'action qui intervient dans les pores du matériau n'est cependant pas assez bien compris pour permettre d'effectuer des prédictions au moyen d'essais appropriés et ainsi le contrôler. La meilleure des protections consiste à empêcher l'entrée de l'eau dans le matériau.

Le gel de l'eau dans les matériaux poreux constitue peut-être au Canada la cause la plus importante de désordre dû aux conditions atmosphériques. Les détériorations dues au gel ne se présentent que dans les matériaux fréquemment gelés lorsqu'ils sont trempés, et l'on a consacré de grands efforts à la mise au point d'un critère relatif au degré d'humidité auquel un matériau devient sensible à l'action du gel. On a trouvé que diverses combinaisons de paramètres structuraux, tel que le coefficient de saturation et la porosité, sont utiles pour évaluer la résistance au gel de quelques matériaux et en particulier de la pierre. On n'a cependant pas encore trouvé le paramètre unique ou la combinaison de paramètres indiquant avec précision la résistance au gel de tous les matériaux poreux de construction. Ce fait illustre notre manque de compréhension actuel envers le processus en question.

On sait que les matériaux à forte porosité et à pores petits sont généralement plus exposés que les autres. On sait également que l'alternance de cycles de gel et de dégel et les gels rapides contribuent à la destruction rapide d'un matériau saturé ou près du point de saturation.

Mouvement dû à l'Humidification et au Séchage et Mouvement Thermique

L'expérience montre fréquemment que les matériaux subissent des mouvements lorsque la teneur en humidité ou la température change. Si le matériau dans un élément homogène et si les changements d'humidité et de température se produisent plus ou moins uniformément dans toute la masse du matériau, ce dernier peut sans détérioration subir des mouvements très importants. Les changements de teneur en humidité et de température qui engendrent des gradients qui produisent des tensions dans le matériau peuvent donner naissance à des craquelures comme c'est le cas avec le retrait du béton dû à la prise. Des craquelures peuvent également se former à cause des efforts résultant de la combinaison de matériaux dissemblables.

Quoique les craquelures engendrées par l'humidité et par les mouvements d'origine thermique ne causent pas toujours des détériorations par elles-mêmes, elles constituent cependant souvent des ouvertures admettant plus de pluie dans la structure, facilitant la mise en action des processus de cristallisation des sels et de gel.

Attaque Chimique

Les processus chimiques peuvent engendrer dans les matériaux des changements soit avantageux, soit destructeurs. Parmi les modifications qui interviennent figurent les interactions avec l'eau, avec des matières étrangères provenant de l'environnement, ou avec des matériaux voisins. Pour ne citer qu'un petit nombre des réactions les plus communes, on peut mentionner la corrosion des métaux, les réactions alcali-agrégat dans le béton, l'attaque du béton par les sulfates, les dommages causés par les intempéries aux pierres et aux mortiers du fait de la présence d'eau de pluie acidifiée par les gaz sulfureux de l'air, et les réactions photochimiques dues à l'action de la lumière ultraviolette du soleil sur les matériaux organiques.

Les réactions chimiques ne peuvent se produire que si les "ingrédients" entrent en contact; c'est ordinairement un élément commun tel que l'eau qui permet ce rôle. Donc si l'on maintient les matériaux secs, l'on peut prévenir la plupart des attaques chimiques. Les réactions se produisent d'ordinaire à la surface (dans le cas des matériaux poreux ceci comprend, les surfaces intérieures), de sorte qu'une pierre extrêmement poreuse est plus exposée aux attaques des gaz sulfureux qu'une pierre moins poreuse. Lorsque la porosité ne consiste qu'en la présence de canaux extrêmement petits, comme dans le cas du béton dense, la vitesse d'absorption de l'eau et des solutions peut être si faible qu'en pratique la surface intérieure ne peut être attaquée par les agents extérieurs.

La température constitue également un facteur important. On pourra avantageusement se guider sur le fait que la vitesse de réaction double pour chaque élévation de température de 10 degrés centigrades.

L'effet principal d'une attaque chimiques est de modifier les propriétés du matériau de base, mais au cours de la réaction elle peut donner naissance à des produits occupant un plus grand

volume. Il en résulte une pression dilatante (processus de destruction physique semblable à l'action du gel) qui peut donner naissance dans le matériau à des craquelures. Celles-ci accélèrent le progrès d'autres processus destructeurs, de sorte que le matériau peut finalement se détériorer sous l'effet d'un certain nombre de processus chimiques et physiques. C'est cette situation qui rend si difficile l'analyse des détériorations.

Comportement et Essais

La prédiction exacte du comportement exige une connaissance complète des propriétés du matériau, des processus qui interviennent lors de l'interaction du matériau et de son environnement, et des facteurs environnementaux à l'action desquels le matériau sera soumis. Le seul test susceptible d'en révéler le comportement véritable est celui de l'essai par mise en usage. Le manque de connaissances complètes limitera toujours la qualité des prédictions; l'essai par mise en usage sera limitée par la durée et par le fait qu'il est impossible d'extrapoler pour tenir compte de conditions nouvelles. On peut utiliser des méthodes d'essai en vue de compléter notre connaissance et notre expérience dans la prédiction du comportement.

Certaines méthodes d'essai dépendent de relations empiriquement déduites entre comportements observés et quelques propriétés physiques faciles à déterminer; d'autres consistent à soumettre les matériaux à des conditions d'environnement simulant celles auxquelles on peut s'attendre en pratique. La mise au point de meilleures méthodes d'essai et leur application satisfaisante dans la pratique ne pourront résulter que d'une meilleure connaissance des matériaux et de leur comportement. Cette connaissance constitue d'ailleurs une condition préalable à l'évaluation correcte et indispensable des expériences antérieures.