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Matériaux de construction 1 MATERIAUX DE CONSTRUCTION CHAPITRE I : Généralités sur les Matériaux de Construction I.1) Classification : A) Selon la l’utilisation : a) Matériaux de résistance mécanique : destinés à construire les structures porteuses des constructions. Exemples : pierre, bois, acier, sable, gravier, ciment,…etc. b) Matériaux de confort : matériaux qui n’ont pas d’effets importants sur la résistance mécanique mais sont nécessaires pour l’exploitation des constructions. Exemples : verre, plâtre, enduits, briques creuses,…etc. c) Matériaux de protection : matériaux permettant la maintenance des constructions. Exemples : peinture, bitume, produits d’étanchéité…etc. B) Matériaux de base et produits : a) Matériaux de base : matériaux utilisées sans transformation pendant la construction. Exemples : ciment, granulats, argile, bitume, acier,…etc. a) Produits : Exemples : Béton hydraulique : mélange granulats + ciment + eau. Béton bitumineux : granulats enrobés de bitume. I.2) Choix des matériaux de construction : Le choix des matériaux pour une construction donnée n’est pas arbitraire, il est fonction : 1- des qualités visées ; résistance mécanique, isolation phonique ou thermique, étanchéité…etc. 2- des facteurs économiques ; coût, disponibilité, transport, coût de mise en place…etc.

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Matériaux de construction

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MATERIAUX DE CONSTRUCTION

CHAPITRE I : Généralités sur les Matériaux de Construction

I.1) Classification : A) Selon la l’utilisation : a) Matériaux de résistance mécanique : destinés à construire les structures porteuses des constructions. Exemples : pierre, bois, acier, sable, gravier, ciment,…etc. b) Matériaux de confort : matériaux qui n’ont pas d’effets importants sur la résistance mécanique mais sont nécessaires pour l’exploitation des constructions. Exemples : verre, plâtre, enduits, briques creuses,…etc. c) Matériaux de protection : matériaux permettant la maintenance des constructions. Exemples : peinture, bitume, produits d’étanchéité…etc. B) Matériaux de base et produits : a) Matériaux de base : matériaux utilisées sans transformation pendant la construction. Exemples : ciment, granulats, argile, bitume, acier,…etc. a) Produits : Exemples :

• Béton hydraulique : mélange granulats + ciment + eau.

• Béton bitumineux : granulats enrobés de bitume. I.2) Choix des matériaux de construction :

Le choix des matériaux pour une construction donnée n’est pas arbitraire, il est fonction :

1- des qualités visées ; résistance mécanique, isolation phonique ou thermique,

étanchéité…etc.

2- des facteurs économiques ; coût, disponibilité, transport, coût de mise en place…etc.

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CHAPITRE II : Propriétés physico-chimiques et mécaniques des

Matériaux de Construction

Introduction : Avant d’utiliser un matériau pour la construction il est important de connaître ces propriétés

afin prévenir son comportement. Ces propriétés sont de trois types :

A) Propriétés physiques : densité (masse ou poids volumique), perméabilité aux

liquides, perméabilité aux rayonnement radioactifs, isolation phonique et

thermique,…etc.

B) Propriétés chimiques : stabilités en présence de certains produits et matières

chimiques ; acides, bases, solutions salines, eau,…etc.

C) Propriétés mécaniques : résistance à la traction, à la compression, aux chocs, à

l’usure (mécanique et par érosion), résistance à l’effet cyclique gel – dégel…etc.

On discutera dans ce qui suit quelques propriétés utilisées largement en génie civil.

II.1) Propriétés physiques :

A) Porosité :

La porosité est définie par :

La porosité est une propriétés qui à effet important sur :

- La masse volumique

- La résistance mécanique.

- La résistance au gel.

- L’isolation thermique et acoustique.

Vtot : volume total d’un échantillon Vv : volume des vides à l’intérieur de l’échantillon

Vtot

Pores (vides)

Matériau poreux

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B) Masse volumique, Poids volumique, Densité et Densité relative :

a) Masse volumique :

Unités de la masse volumique : (unité de masse / unité de volume) ; kg/m3, t/m3,…etc.

b) Poids volumique :

Unités du poids volumique : (unité de force / unité de volume) ; N/m3, kN/m3, kgf/m3,

tf/m3…etc.

N.B : 1kgf = 10N, 1 tf = 10x1000N = 10kN.

c) Densité : pour les matériaux granulaires (formé de grains), il est particulièrement

intéressant de définir la masse volumique des grains solides appelée souvent densité.

Elle est notée

c) Densité relative : c’est la densité du matériau rapportée à celle de l’eau. Elle est notée

Dr est sans unité.

m : masse d’un échantillon du matériau. V : volume du même échantillon (pores compris)

g : accélération de gravité. V : volume du même échantillon (pores compris)

ms : masse des grains solides d’un échantillon du matériau. Vs : volume des grains solides du même échantillon

Deau : densité de l’eau. Deau=1000 kg/m3

D : densité du matériau (en même unité)

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Exemples de densités de quelques matériaux de construction :

Matériaux Densité (kg/m3 ) Densité relative

Acier 7800 à 7900 7,8 à 7,9

Calcaire 2400 à 2600 2,4 à 2,6

Bois <1000 à 1600 <1 à 1,6

Ciment 2900 à 3100 2,9 à 3,1

Béton 2200 à 2500 2,2 à 2,5

Pour le béton armé on prend généralement (sauf indication contraire) une densité de

2500kg/m3.

II.2) Propriétés Mécaniques : • Les matériaux composant une construction peuvent être sollicités par différents efforts

internes ; compression, traction, flexion…etc.

• Les propriétés mécaniques permettent de caractériser le comportement du matériau

(ou de la construction) sous l’effet de ces sollicitations (efforts internes).

Comportement : déformation sous différentes charges.

• Les matériaux pierreux (pierres et bétons) résistent bien à la compression mais

beaucoup moins à la traction (1/5 au 1/50).

• Les métaux et les bois résistent bien à la traction et à la compression.

A) Résistance à la compression :

C’est la contrainte de rupture du matériau sous l’effet d’une force de compression.

Elle est mesurée par écrasement d’une éprouvette cubique ou cylindrique (normalisée)

entre deux plateaux d’une presse.

F

F

Plateaux de presse Eprouvette

F

F

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Contrainte de rupture :

Cet essai est pratiqué pour les matériaux pierreux essentiellement.

Les dimensions des éprouvettes sont choisies en fonction du degré d’homogénéité du

matériau ; pour les matériaux homogènes on utilise des éprouvettes de petites dimensions,

pour les matériaux moins homogènes on utilise des éprouvettes plus grandes.

Pour le béton on utilise les éprouvettes normalisées de forme cylindriques ; 16 cm de

diamètre, 32 cm de hauteur.

Remarque : En pratique les contraintes admissibles utilisées dans le calcul ne

représentent qu’une partie de la contrainte de rupture.

B) Résistance à la traction :

Mesurée pour les métaux et les bois essentiellement.

Pour l’acier un utilise des éprouvettes sous forme de

tiges rondes ou de bandes.

C) Module de déformation (Module de Young) :

Courbe force - déplacement (contrainte – déformation) :

Prenant comme exemple une courbe ressortie d’un essai de traction sur une éprouvette

d’acier. Pour cette courbe, trois phases de déformation peuvent être distinguées :

Frupture : force maximale atteinte pendant

l’essai.

A : aire de l’éprouvette normale à

F

F F

F

Tige ronde Bande

Déformation

Contrainte

Phase de proportionnalité

Phase de plasticité Phase de

rupture

F : force appliquée A : section transversale de l’éprouvette. l : longueur initiale de l’éprouvette. Δl : allongement de l’éprouvette sous de la force F.

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1) Phase de proportionnalité : déplacement proportionnel à la force appliquée, dite

aussi phase de déformation élastique. L’élasticité est la propriété de rétablir les

dimensions initiales après l’enlèvement de la charge.

2) Phase de plasticité : phase de déformation plastique. La plasticité est la propriété de

se déformer sans se fissurer et de garder cette forme après l’enlèvement de la charge.

3) Phase de rupture : développement de striction puis rupture.

Module de déformation :

La phase proportionnalité peut être caractérisée par un coefficient de proportionnalité, il

reliant la déformation à la contrainte appliquée il est dit :

Module de déformation (ou Module de Young):

Ce module est très important pour le calcul des déplacements dans une construction.

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CHAPITRE III :

Matières premières pour la fabrication des Matériaux de Construction

(Roches et Minèraux)

III.1) Généralités : Les matériaux de construction sont fabriqués à base des bois, roches et minéraux qui se

trouvent sur le globe terrestre.

• Les roches constituent l’écorce terrestre, elles sont composées de minéraux, elles se

présentent sous forme de petites ou de grandes masses (exemple : massif granitique

d’Ahaggar).

• Les sols sont formés par les débris arrachés des roches par érosion (sous toutes ces

formes) puis (éventuellement) altérés chimiquement.

• Les minéraux sont des corps naturels homogènes ; composés par un arrangement

spécifique de molécules de même composition chimique.

III.2) Les Roches : Les roches peuvent être classées selon leurs modes de formation, en trois catégories

principales :

- les roches éruptives (ou magmatiques)

- les roches sédimentaires

- les roches métamorphiques.

A) Roches éruptives :

C’est le magma de volcans qui s’est solidifié par refroidissement. En fonction de la vitesse de

refroidissement, ils existent trois catégories principales de roches éruptives :

• Les granits : ce sont des roches grenus, formées de grands cristaux (de l’ordre du mm

à plusieurs cm). Ils sont le résultat d’un refroidissement lent.

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• Les porphyres : ils sont formés de cristaux souvent plus petits enrobés de pâtes de

grains fins. Ce sont le résultat d’un refroidissement lent au début puis très rapide.

• Les basaltes : ils sont formés de pâtes de grains très fins. Ce sont le résultat d’un

refroidissement très rapide.

B) Roches sédimentaires :

Ce sont les débris des roches éruptives, des restes de certaines plantes et de certains

organismes vivants, déposés par précipitation en couches successives puis tassés et cimentés.

Ces roches se reconnaissent ainsi par leur forme de couches d’épaisseurs quasi-constantes.

Selon la composition chimique on distingue :

• Les roches carbonatées : ce sont principalement les calcaires et les dolomies.

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- Les calcaires sont composés essentiellement de carbonate de calcium CaCO3

(Calcite).

- Les dolomies sont des mélanges de calcite (CaCO3) et de dolomite (CaMg(CO3)2).

• Les roches argileuses : ce sont des argiles mélangés à de fortes proportions de

calcaire, ce sont les Marnes.

• Les roches siliceuses : roches formées de grains de sable cimentés entre eux par un

ciment quelconque tel que matière argileuse, carbonates, composés ferreux…etc.

C) Roches Métamorphiques : Ce sont des roches sédimentaires transformées sous l’effet de hautes pressions et

températures. Exemples : Calcaire → en Marbre, Argile → en Schiste, …etc.

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III.2) Les Minéraux :

Minéraux principaux composant les roches éruptives : Ce sont principalement: le Quartz, les Feldspaths, les Micas, les minéraux Ferro-magnésiens.

Le Quartz : Cristal de couleur translucide formé de molécule SiO2, très répandu dans

l’écorce terrestre (se trouve dans les roches et les sables), très dur ( n’est pas rayable par

l’acier), résistance à la compression environ 2000 Mpa. Il a l’aspect d’un grain de sel.

Les Feldspaths : de couleur blanche à rose, peu transparent, dur mais à des plans de clivage

(plans de fiable résistance mécanique), résistance à la compression 120 à 170 Mpa.

Les Micas : de couleur transparente doré (muscovite) ou noire (biotite), composés de lamelles

fines, peu durs.

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Les Minéraux Ferro-magnésiens : Composés essentiellement de Silicates de Fer et de

Magnésium de couleurs vert foncé, brune et parfois noire.

Minéraux principaux composant les roches sédimentaires : Ce sont essentiellement : la calcite, la dolomite et le gypse.

La Calcite (CaCO3) : très répandu dans l’écorce terrestre, de dureté moyenne, minéral

principal dans la composition des calcaires qui ont une couleur blanche à bleue. La calcite

réagit vivement avec les acides et l’eau contenant le CO2.

La Dolomite (CaMg(CO3)2) : moins rencontrée dans l’écorce terrestre que la calcite, plus

dure, minéral intervenant dans la composition des dolomies.

Le Gypse (CaSO4.2H2O) : minéral de structure lamellaire ou fibreuse, de couleur blanche

translucide, tendre (faible dureté, rayé à l’ongle), nocif pour les ciments portland.

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CHAPITRE IV

Les granulats

IV.1) Définition : On appelle granulats des matériaux pierreux de petites dimensions, produits par l’érosion ou

le broyage mécanique (concassage) des roches. Ce sont des matériaux inertes entrant dans la

composition des bétons et mortiers.

IV.2) Classification des granulats selon la provenance :

A) Granulats naturels : a) Granulats roulés : ils sont le résultats de la désagrégation des roches par l’eau, le

vent ou le gel. Ainsi ils se sont formés des dépôts sédimentaires de grains de grosseur

allant du sable fin aux gros blocs, de natures minéralogiques différentes. Trois catégories de granulats roulés existent dans la nature :

- Les granulats de rivière (d’oued).

- Les granulats de mer. - Les granulats de dunes.

N.B. : Les granulats roulés se caractérisent par leur aspect de grains arrondis et polis.

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b) Granulats concassés (de carrières) : ils proviennent du concassage de roches dures

(granits, porphyres, basaltes, calcaires durs…etc.). Ils sont caractérisés par un aspect

anguleux à arrêtes vives.

B) Granulats artificiels :

Ils proviennent de la transformation thermique des roches (exemple : laitier du haut

fourneau) ou de démolition d’ouvrages.

IV.3) Classification des granulats selon la grosseur : Selon leurs dimensions on distingue : les sables, les graviers, les cailloux, les galets et les

moellons. La classification la plus courante est donnés ci-dessous.

Sables 0,08 mm à 3 mm

Graviers 3 mm à 25 mm

Cailloux 25 mm à 80 mm

Galets et moellons >80 mm

Galets : pierres roulées. Moellons : pierres concassées.

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IV.4) Désignation des granulats : Les granulats sont souvent désignés en fonction de leur plus petite et leur plus grande

dimension comme suit :

Exemples : granulats rencontrés en pratique : sable 0/3, gravier 3/8, gravier 8/15, gravier

15/25.

IV.5) Analyse granulométrique d’un granulat : Elle consiste à séparer les grains composant un granulat en classes selon leurs dimensions

à l’aide d’une série de tamis, puis déterminer les pourcentages en poids des différentes

classes dans le granulat.

Illustration :

On considère un échantillon de poids P d’un granulat.

L’échantillon est mis dans le tamis supérieur d’une série

de tamis classés par ordre décroissant selon la dimension

des mailles ( du plus grand en haut au plus petit en bas).

Après vibration de la série de tamis, les grains de

l’échantillon se trouve séparés selon leurs dimensions

et chaque tamis retient une partie dite Refus partiel du

tamis. Le refus cumulé (total) d’un tamis est la somme

de tous les refus partiels des tamis qui se trouve au dessus.

Ganulat d/D Ganulat : sable ou gravier

d : dimension minimale des grains

D : dimension maximale des grains

Avec une tolérance de 15% d’élément < d et 15% d’élément > D si

D > 1.58d et une tolérance de 20% si D < 1.58d

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La proportion (en %) du refus cumulé d’un tamis rapportée au poids total s’exprime :

%Refus =

Poids_ refus_cumuléPoids_echantillon

x100

Le complément à 100% du refus cumulé est le Tamisât du tamis en considération.

%Tamisât = 100% − %Refus

La courbe granulométrique est la représentation graphique du %Tamisât en fonction de

la dimension de la maille du tamis. Afin de prendre en compte la grande variation des

dimensions des grains dans granulat, la dimension de la maille du tamis est représentée

sur une échelle logarithmique.

Ainsi la courbe granulométrique est : %Tamisât = f(log(d)), avec

d : dimension de la maille du tamis.

Série de tamis utilisée dans l’essai granulométrique normalisé en (mm) :

0.08 ; 0.100 ; 0.125 ; 0.160 ; 0.200 ; 0.250 ; 0.315 ; 0.40 ; 0.50 ; 0.63 ; 0.80 ; 1.00 ; 1.25 ;

1.60 ; 2.00 ; 2.50 ; 3.15 ; 4.00 ; 5.00 ; 6.30 ; 8.00 ; 10.00 ; 12.50 ; 16.00 ; 20.00 ; 25.00 ;

31.50 ; 40.00 ; 50.00 ; 63.00 ; 80.00.

Le choix des tamis à utiliser dépend des dimensions du granulat à essayer. Pour un sable

par exemple, on peut prendre la série : 0.08 ;…….. ; 5.00.

Exemple de tracé d’une courbe granulométrique :

Soit à effectuer l’essai granulométrique sur un sable. Prenons un échantillon du sable

pesant 1000 grs. Au regard des dimensions du sable on utilisera la série de tamis :

0.08 ; 0.125 ; 0.200 ; 0.315 ; 0.50 ; 0.80 ; 1.25 ; 2.00 ; 3.15 et 5.00mm.

Les refus partiels dans les différents tamis sont donnés sur le tableau suivant. Tracer la

courbe granulométrique du granulat.

Tamis maille(mm)

Refus partiel (grs)

Refus cumulé (grs)

%Refus cumulé %Tamisat

5.00 0 3.15 10 2.00 90 1.25 100 0.80 150 0.50 150 0.315 180 0.200 120 0.125 120 0.08 80

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Quelques propriétés de la granulométrie tirées des courbes granulométriques :

Tamisât %

100 90 80 70

60 50 40

30 20 10 0

Tamis

Gravier, granulométrie serrée

Granulométrie Etalée

Gravier, granulométrie discontnue

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IV.5) Propriétés importantes des granulats intervenants dans la

composition des béton : La composition d’un béton est décrite par une formule montrant les quantités relatives des

différents composants qui en interviennent.

Exemple : pour 1 m3 de béton on prend : - 350 kg de ciment

- 1100 kg de gravier

- 550 kg de sable

- 100 l d’eau

Dans la recherche d’une formule pour béton, on doit tenir compte que :

- Les granulats sont moins chers que les ciments (les liants en général).

- Les granulats sont souvent plus résistants que la pâte de ciment.

- Les granulats (matériau inerte) augmentent la stabilité dimensionnelle du béton (retrait,

fluage).

Par conséquent, dans le composé béton, Il faut augmenter au maximum la quantité de

granulats relativement à la quantité de ciment, en respectant toutefois les conditions

suivantes:

• Les granulats doivent satisfaire à certaines exigences de qualité (résistance

mécanique).

• La quantité de pâte liante doit être suffisante pour lier tous les grains et remplir les

vides.

• Les granulats doivent contenir différentes dimensions afin de minimiser les vides

intergranulaires. Toutefois il faut essayer d’augmenter la proportion des gros

granulats pour minimiser la surface spécifique du mélange granulats et par

conséquent utiliser le minimum de la quantité de ciment.

A) Courbe granulométrie : c’est l’outil de base qui permet le choix de la composition d’un

béton performant ayant les caractéristiques citées en haut.

B) Masse volumique apparente :

Les quantités des granulats intervenant dans une composition de béton, sont données en terme

de masses (masses de granulats secs).

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En pratique dans la fabrication, on compose le béton très souvent en mesurant des volumes au

lieux de masses (exemple : 1 brouette, 2 brouettes…etc). Il est ainsi important de connaître la

masse volumique apparente des granulats :

Remarque : Cette méthode de composition en volume présente des erreurs certaines à cause

du foisonnement. En effet, La masse volumique apparente peut changer beaucoup pour un

même granulat en fonction de sa compacité (foisonnement).

C) Teneur en eau

La teneur en eau d'un granulat est le rapport du poids d'eau contenu au poids des grains composant le

granulat

Les granulats utilisés pour la confection du béton contiennent généralement une certaine quantité

d'eau variable selon les conditions météorologiques. L'eau de gâchage réellement utilisée est par

conséquent égale à la quantité d'eau théorique moins l'eau contenue dans les granulats. Il faut par

conséquent disposer de moyens pour mesurer combien il y a d'eau dans les granulats.

D) Propreté des granulats :

Les granulats employés pour le béton peuvent contenir des impuretés (argile, matières

organiques…etc) qui perturbent l'hydratation du ciment et entraînent une mauvaise adhérence entre

les granulats et la pâte. Ceci se vérifie sur le chantier par les traces qu'elles laissent lorsqu'on les

frotte entre les mains.

Le degré de propreté est déterminé à l’aide de l’essai d’équivalent de sable.

Les granulats qui ne sont pas propres doivent être lavés avant l’utilisation.

M : masse d’un échantillon de granulat de volume apparent Vapparent