Chapitre II: Roches et Minraux.

Cours: Technologie des Gomatriaux Par: Mr. Z.BENGHAZI

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Chapitre II: Roches et Minraux

1. Introduction Notre plante est constitue essentiellement de roches et de minraux (les

montagnes, le fond des mers, la terre, leau, le sable). Ces roches et minraux ont t transforms et ils ont chang de forme et daspect.

Depuis le commencement de lhistoire de lhumanit, on utilise les roches et les minraux de faon incontournable pour le dveloppement des socits (ge de la

pierre, ge du bronze, ge du fer).

Les minraux : Un minral est une substance inorganique solide, compos dun lment chimique ou dun ensemble de plusieurs lments. Ce sont des substances qui apparaissent naturellement dans la crote terrestre et qui peuvent avoir diffrentes

formes. Il existe cependant des minraux liquides : leau, le ptrole et le mercure.

Les minerais : sont des minraux utiles exploitables conomiquement et industriellement comme le fer, le cuivre, laluminium, le plomb etc.

Selon les scientifiques, il existe prs de 3.000 minraux diffrents que lon peut rpertorier selon diffrents critres. Pour classer 3.000 espces, on se base sur leur

composition chimique, la symtrie de leur rseau cristallin et la finesse de leur structure. Ainsi, on obtient les 9 classes suivantes:

I Elments natifs (composs d'un seul lment chimique)

3 4 % des espces

II Sulfures (soufre + un autre lment chimique) 15 20 % des espces

III Halognures 5 6 % des espces

IV Oxydes et hydroxydes 14 % des espces

V Carbonates (avec nitrates, borates) 9 % des espces

VI Sulfates (avec molybdates, chromates et tungstates) 10 % des espces

VII Phosphates (avec arsniates et vanadates) (arsenic, vanadium

16 % des espces

VIII Silicates 25 % des espces

XI Substances organiques

(Selon les classifications de Dana et de Strunz)

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2. Identification des roches

L'identification des roches est assez difficile. Pour bien identifier une roche, il faut connatre : le lieu prcis o la roche a t prise, l'origine des roches qui entourent

celle-ci, le relief de cet endroit (plaine, montagne, valle,...), la composition en minraux ou en sdiments, son effervescence, sa duret, sa coloration, sa texture, sa masse volumique.

Cette identification repose essentiellement sur les caractristiques observables

l'il nu. Elle permet de diffrencier les principales catgories (ignes, sdimentaires, mtamorphiques) de roches.

Il existe ce que lon appelle une cl didentification : cest un ensemble de questions qui permettent selon les rponses de classer son chantillon dans une des

catgories connues. Exemple:

- Est-ce que la roche prsente des fossiles?

- Est-ce que l'chantillon prsente des trous, des cavits, des vides ou des vacuoles de plus de 1 mm de long? - Est-ce que l'chantillon prsente des lments (cristaux, cailloux,...) dont la longueur

est suprieure 5 mm? - Est-ce que la roche prsente principalement des cristaux ou des grains de couleurs

diffrentes? Identification des minraux

Les minraux possdent des proprits physiques qui permettent de les distinguer

entre eux et qui deviennent des critres d'identification. Ce qui attire d'abord l'il, c'est bien sr la couleur et la forme cristalline des minraux, mais il y a bien d'autres proprits. Plusieurs de ces proprits peuvent tre observes sans l'aide d'instruments

et sont d'une grande utilit pratique.

Couleur: Il faut noter que la couleur doit tre observe sur une cassure frache, car l'altration superficielle peut modifier la couleur, particulirement chez les minraux clat mtallique.

clat: L'clat des minraux, c'est l'aspect qu'offre leur surface lorsqu'elle rflchit

la lumire. Trait: Cette proprit se dtermine sur la trace laisse par le minral lorsqu'on

frotte ce dernier sur une plaque de porcelaine non maille.

Duret: La duret d'un minral correspond sa rsistance se laisser rayer. Elle est variable d'un minral l'autre.

Densit: La densit des minraux est une proprit mesurable. Elle est une constante physique qui caractrise un minral donn.

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Forme cristalline: Chaque minral cristallise dans un systme donn ce qu'on appelle un systme cristallin. Un minral donn reproduira toujours les mmes formes

rgies par ce systme.

Clivage: Le clivage est une proprit trs importante des minraux. Il correspond des plans de faiblesse dans la structure cristalline. Puisqu'il s'agit de plans de faiblesse, un minral va donc se briser facilement le long des plans de clivage, alors

qu'il ne se brisera jamais selon ses faces cristallines.

Effervescence: Les minraux de la classe des carbonates sont dcomposs chimiquement par les acides. Cette raction chimique dgage des bulles de gaz carbonique, un phnomne qu'on qualifie d'effervescence (un bouillonnement).

Proprits optiques: Les proprits optiques constituent un lment diagnostique

fondamental dans l'identification d'un minral. En gologie, les moyens techniques permettent d'amincir des tranches de minraux colles sur des lamelles de verre si minces (30 micromtres) qu'elles deviennent tout fait transparentes, pour tre tudi

au microscope. Chaque groupe de minraux possde ses proprits optiques, c'est--dire qu'ils transmettent diffremment la lumire et qu'ils produisent des couleurs

caractristiques lorsqu'ils sont observs en lumire polarise, ce qui, en bout de ligne, permet de les identifier.

3. Proprits physiques des roches

3.1. Le milieu poreux

Dans les roches la matire minrale forme un squelette solide qui ne remplit pas

tout lespace, et dont le complment est appel vide. La proportion de vide est appele porosit. La forme des vides, leur taille, leur rpartition, leurs liaisons ou au contraire

lisolement de certains, influent sur le comportement mcanique de la roche. La porosit n est le rapport du volume des vides Vv au volume total Vt :

t

v

V

Vn

ou par rapport au volume du squelette Vs:

t

s

t

st

V

V

V

VVn

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La porosit est de lordre du centime pour certains marbres et quartzites, du dixime pour beaucoup de roches sdimentaires, elle peut atteindre 0,5 pour certaines

craies et tufs.

L'espace poreux peut tre tudi de manire directe par observation au microscope

optique ou lectronique, ventuellement aprs remplissage par un produit colorant. Les techniques danalyse d'images permettent ensuite une estimation quantitative de

la porosit.

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3.2. Masse volumiques et teneur en eau

On appelle masse volumique dun matriau: la masse de lunit de volume.

On dfinit, suivant ltat du matriau: - la masse volumique absolue ou masse volumique du solide,

s

ss

V

M

- la masse volumique naturelle rception du matriau,

t

hh

V

M

- la masse volumique sche,

t

sd

V

M

- la masse volumique sature (aprs saturation de la roche) :

t

satsat

V

M

avec Ms la masse du matriau sec, Vs le volume des grains aprs broyage, Vt le volume de l'chantillon, Mh la masse naturelle, Msat la masse de l'chantillon satur.

La teneur en eau w est le rapport de la masse deau, la masse du solide sec:

s

w

M

Mw

Et on appelle degr de saturation St le rapport du volume de l'eau, au volume des

vides:

s

d

s

w

d

wv

w

n

ww

V

VSr

3.3. Circulation des fluides: (La permabilit)

La permabilit caractrise laptitude dune roche (ou de tout autre milieu poreux)

laisser circuler des fluides au sein dans son espace poreux. La permabilit dune roche est entirement dtermine par la gomtrie de son rseau de porosit.

3.4. Proprits acoustiques

La caractrisation des matriaux rocheux par des mthodes ultrasoniques est couramment utilise. L'tude de la propagation des ondes dans un matriau l'tat sec et satur permet d'valuer les proprits physiques du matriau telles que sa porosit,

son tat de fissuration et ses proprits lastiques (module de Young, coefficient de Poisson). Ce paramtre est particulirement intressant pour l'analyse de l'anisotropie

d'un matriau, soit structurale, soit lie une microfissuration.

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a- Propagation des ondes dans un milieu lastique

Pour une onde P, le mouvement vibratoire a lieu suivant la direction de propagation et affecte le volume de la roche. Vp est donc la vitesse d'une onde de compression

(ou onde longitudinale).Vs est la vitesse d'une onde de cisaillement (ou onde transversale), dont le mouvement vibratoire a lieu dans un plan normal la direction de propagation. Elles sont plus lentes que les ondes P et ne se propagent pas dans

l'eau.

Vp et Vs tant exprimes en fonction des coefficients de Lam, la mesure du temps de propagation d'une onde ultrasonique dans une roche permet de remonter aux modules lastiques. Dans le cas d'un matriau isotrope, le calcul du coefficient de

Poisson et du module de Young E est le suivant :

Il est donc indispensable de mesurer Vp et Vs pour calculer E et ; trop souvent Vp

est seul mesur, E est dduit en supposant = 0,25.

PROPRITS PHYSIQUES ET MCANIQUES DES PRINCIPAUX MINRAUX

4. Proprits thermiques des roches

4.1. La rsistance au gel

C'est la capacit d'un matriau (roche) satur d'eau de supporter la conglation et le dgel d'eau, sans montrer de signes de destruction ou de perte de rsistance

mcanique.

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La destruction du matriau est provoque par l'augmentation de 9% du volume de

l'eau se trouvant dans les pores du matriau.

La plus grande dlitation de l'eau a lieu au moment de sa transformation en glace sous la temprature de (-40C).

La rsistance au gel d'un matriau dpend de sa densit (porosit) et du degr de saturation en eau.

Un matriau est considr rsistant au gel si aprs un nombre dtermin de cycles de conglation et de dgel en tat satur sa rsistance diminue de moins de 15 % et si

les pertes de poids et > 5 %.

Le coefficient de rsistance au gel:

sat

Rg

RgR

RK

o: RRg: rsistance la compression du matriau aprs l'essai de rsistance au gel.

Rsat: rsistance la compression du matriau satur d'eau. 4.2. La conductibilit thermique

C'est la capacit d'un matriau (roche) de se lasser travers par la chaleur. Elle est

mesure par le coefficient de conductibilit thermique ():

TStteQ

.

.

21

o: Q: quantit de la chaleur.

e: paisseur de l'chantillon. S: surface de l'chantillon

t1-t2: la diffrence de temprature entre les deux surfaces de l'chantillon. T: temps ncessaire (Q) pour traverser l'chantillon. : la quantit de chaleur (1 W/m.K) qui traverse un chantillon d'paisseur 1 m, de

surface 1m, t= t1-t2= 1 C, pendant T= 1 heure.

Les matriaux humides transfrent mieux la chaleur que les matriaux sec, parce que la conductibilit thermique de l'eau est suprieur celle de l'air.

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VALEURS DE CONDUCTIVIT THERMIQUE DES ROCHES

4.3. La capacit calorifique

C'est la capacit d'un matriau d'absorber une certaine quantit de chaleur en s'chauffant.

La capacit calorifique s'exprime par le coefficient de chaleur spcifique (C) qui est la quantit de chaleur ncessaire pour lever de (1 C) la temprature de 1 kg de

matriau:

)( 21 ttM

QC

[J/kg.C ]

o: Q: quantit de la chaleur dpense pour chauffer un matriau de temprature initiale t1

t2. M: masse de matriau. t1: avant chauffage.

t2: aprs le chauffage.

4.4. La rfractairit

C'est le pouvoir d'un matriau de rsister l'action continue de haute temprature

sans se dformer ou fondre.

- Les Matriaux rfractaires: ils rsistent une temprature > 1580C - Les Matriaux peu rfractaires: ils rsistent une temprature entre 1350 et

1580C

- Les Matriaux fusibles: ils rsistent une temprature < 1350C

4.5. La rsistance au feu

C'est la capacit d'un matriau de rsister l'action prolonge du feu sans perdre sa

rsistance. Cette proprit est importante en cas d'incendie.

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4.6. Les paramtres intervenant sur les proprits thermiques

Les principaux facteurs qui influencent les proprits thermiques des roches sont :

- la variation de composition minrale et chimique; - la structure; - la temprature et les contraintes ;

- la porosit et la teneur en fluide.

5. Proprits mcaniques des roches 5.1. La rsistance mcanique

C'est la capacit d'un matriau de ne pas se dtruire sous l'action de forces

extrieurs ou d'autres agents comme le changement de temprature.

Selon le mode d'application des forces extrieures on dsigne: - la rsistance la compression uniaxiale ou triaxiale - la rsistance la traction

La rsistance mcanique d'un matriau est caractrise par la limite de sa

rsistance qui correspond la charge de rupture. La rsistance mcanique d'une roche dpend de:

- la structure morphologique; - la porosit et la teneur en fluides;

- la direction de chargement (anisotropie des roches).

5.1. Resistance la compression

Elle se mesure exprimentalement en crasent des prouvettes. Dans ce cas on

utilise des prouvettes de forme cylindrique ou prismatique (LAFNOR recommande une dimension minimale de 40 mm de diamtre).

La rsistance la compression est dtermine par:

S

PRc

P: La force de pression applique ayant caus la rupture S: la surface transversale de l'prouvette.

L'tendue des valeurs des rsistances est grossirement comprise entre 1 et 200 MPa.

Les valeurs infrieures 5 MPa correspondent des roches qualifies de trs tendres ; des valeurs suprieures 100 MPa caractrisent des roches dites trs rsistantes .

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5.2. Resistance la traction

Cette rsistance et dtermine par un essai de traction indirect (l'essai Brsilien) sur une prouvette cylindrique.

La rsistance traction est dtermine par la formule:

ld

PRt

..

.2

P: charge d'crasement la rupture. d: diamtre de l'prouvette. l: longueur de l'prouvette.

5.3. La fragilit

Le rapport entre la rsistance la compression uniaxiale et la rsistance la traction donne un indice de fragilit, qui est une caractristique importante de comportement.

Ce rapport varie usuellement entre 5 (roche peu fragile) et 30 (roche trs fragile). 5.4. La rsistance la fragmentation

L'essai Los Angeles est utilis pour dterminer la rsistance la fragmentation d'un

chantillon de granulat. Le coefficient Los Angeles obtenu est le pourcentage de l'chantillon initial passant au tamis de 1.6 mm aprs fragmentation dans un cylindre en prsence de boulets d'acier. Plus le pourcentage Los Angels (not LA) est bas,

plus l'chantillon est rsistant la fragmentation.

LA = 100 x (m0 - m) / m0 Avec:

m0 masse initiale des granulats = 5000 5g. m masse du refus 1.6 mm.

La machine Los Angeles, compose de:

- cylindre et d'un moteur. Le cylindre mesure l'intrieur (508 5) mm et a un diamtre de (711 5) mm et fabriqu avec une tle de 12 mm d'paisseur. Le moteur

doit permettre d'entrainer ce cylindre une vitesse comprise entre 31 et 33 tours par minute et tre quip d'un compte tours permettant un arrt automatique aprs 500 tours.

- boulets d'acier de diamtre compris entre 45 et 49 mm et de masse comprise entre

400 et 445 g.

5.4. La rsistance l'usure

L'essai Micro-Deval en prsence de l'eau (MDE) est utilis pour dterminer la rsistance l'usure par attrition d'un granulat.

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L'essai est effectu comme suit:

- prise d'essai de 500 g lave et sche;

- mise en place dans un tambour avec 5kg de billes mtalliques calibres et 2.5 litres d'eau; - appliquer une rotation de 12000 tours au tambour la vitesse de100 tours/ minutes;

- retirer alors la prise d'essai, pour lavage au-dessus d'un tamis de1.6mm; - peser le refus ce tamis aprs schage (m exprime en g).

MDE = (500 m)/5