Matériaux de carrière et Matériaux de carrière et de constructionde construction

Université Sultan Moulay SlimaneFaculté des Sciences et Techniques

Département des Sciences de la TerreLaboratoire Géoressources et Environnement

de constructionde construction

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Prof. Barakat A.

1. Introduction

2. Propriétés des matériaux de construction

3. Différents matériaux de construction et leurs propriétés

4. Généralité sur la Durabilité des matériaux de construction

Plan du cours

5. Quelques exemples de dégradation

Matériaux de carrière

Depuis toujours l'Homme utilise les matériaux naturelsdu sous-sol, les roches, pour ses industries et sesconstructions.

Les premiers outils préhistoriques, galets aménagés,

1. Introduction

Les premiers outils préhistoriques, galets aménagés,datent d'environ 2Ma. Depuis, l'humanité n'a cesséd'extraire les diverses matières minérales dont elle abesoin pour vivre et se développer.

Par définition, on nomme roche tout matériau constitutifde l’écorce terrestre.

Une carrière est un endroit d'où sont extraits desmatériaux de construction : pierres, sable oudifférents minéraux non métalliques oucarbonifères (par opposition aux mines).

Le mot vient du latin quadrus, « carré ».

Elles peuvent être à ciel ouvert ou souterraines.

Les roches présentent une grande diversitéd'aspects et de propriétés:

R. cohérentes et dures comme le granite ou lemarbre,

1.1. Propriétés des roches

R. friables comme la craie ou le talc,

R. plastiques et modelables mélangées à l’eaucomme l'argile,

R. imperméables et R. poreuses perméables.

Les roches sont classées en fonction de leur origine etde leur composition :

R. magmatiques ou éruptives, parmi lesquelles sedistinguent:

- R. plutoniques: granite, diorite, syénite, gabbro, ...R. regroupées sous le terme de « granit » dans les

1.2. Familles de roches

R. regroupées sous le terme de « granit » dans lesmétiers de la pierre.

- R. volcaniques: basalte, andésite, trachyte,rhyolite, et porphyres.

R. sédimentaires: argiles, sables et graviers,conglomérat, calcaires, marnes silex, …

R. métamorphiques: schiste, gneiss, quartzites,marbre, amphibolites, ...

Altération de granite Refroidissement régulier d’une coulée de lave engendrant un débit prismatique

Avec l’eau, l’argile gonfle et devient malléable. En séchant, elle se rétracte

Disposition en strate de calcaire

Dépôt de sable sur la plage

Schiste avec des plis résultant des contraintes

Marché mondial des pierres de construction évoluegrandement depuis plus d'une décennie.

Méthodes de prospection de ces roches sont des levésgéologiques, géophysiques et structuraux et dessondages.

Critères de sélection sont essentiellement la dureté, laCritères de sélection sont essentiellement la dureté, ladurabilité, l’esthétique et la facilité d’exploitation.

Leur emploi est très diversifié : bâtiment, aménagement,décoration, funéraire, …

Propriétés principales des matériaux sont variées :

- Propriétés physiques: dimension, densité, massevolumique, porosité, l'humidité, ...,

- Propriétés mécaniques: résistance en compression,en traction, en torsion, …

2. Propriétés des matériaux de construction

en traction, en torsion, …

- Propriétés chimiques: alcalinité, acidité, …

- Propriétés physico-chimiques: absorption,perméabilité, retrait, le gonflement, …

- Propriétés thermiques: dilatation, résistance,comportement au feu, …

Quelques caractéristiques et propriétés physiques sont:

- Propriétés liées à la masse et au volume:Masse spécifiqueMasse volumiquePorosité, densité

- Propriétés liées à l’eau:HumiditéHumiditéPerméabilitéDegré d'absorption d’eauVariation de dimension en fonction de la teneur en eau

- Propriétés thermiques:Résistance et comportement au feuChaleur spécifiqueCoefficient d’expansion thermique

Est la masse d’un corps par unité de volume apparent, aprèspassage à l’étuve à 105 ±5 °C, notée γap et exprimée en (g/cm3,kg/m3, T/m3).

Sa détermination se fait selon la dimension et la dispersion desmatériaux de construction :

a) Pour les matériaux solides (roches naturelles, le béton, le bois,

3. Propriétés physiques

La masse volumique apparente

a) Pour les matériaux solides (roches naturelles, le béton, le bois,…), on fait des échantillons de forme géométrique (cubique,cylindrique, ..).

b) Pour les matériaux incohérents (sable ou gravier), on utilise unrécipient standard (de volume connu).

La masse volumique est fortement influencée par la granulométrie, laforme des grains, le degré de tassement et la teneur en eau.

c) Pour les matériaux de construction qui n’ont pas de formegéométrique (forme de patate), on les enrobe de paraffine pour lesprotéger de la pénétration de l’eau, ensuite on les pèse dans l’eau.

MS: Masse sèche d’échantillon (g)

MS+P: Masse sèche d’échantillon après avoir enrober une paraffine (g).

M(S+P)L: Masse sèche d’échantillon après avoir enrobé de paraffine et pesé dansl’eau (g).

gP: Masse de la paraffine ayant enrobé l’échantillon.

γp : Masse volumique absolue de paraffine.

C'est la masse d’un corps par unité de volume absolu de matièrepleine (pores à l'intérieur des grains exclus), après passage àl’étuve à 105 °C, notée γ et exprimée en (g/cm3, kg/m3 ou T/m3).

Les matériaux poreux sont concassés et broyés pour avoir desgrains de taille inférieure à 0,2 mm, et ce afin d'éliminer les poreset vides.

Puis, on verse l’échantillon dans un récipient contenant de l'eau

La masse volumique absolue

Puis, on verse l’échantillon dans un récipient contenant de l'eaupour déterminer la masse volumique absolue.

1) On rempli le voluménomètre d’eau (N1),

2) On verse l’échantillon sec dans le voluménomètre et le niveau del’eau va augmenter (N2).

La différence entre le niveau N1 et N2 est le volume absolu del’échantillon. La masse volumique absolue peut se calculer:

Si les grains ne sont pas poreux, la masse spécifique absolue etapparente sont identiques

A la place de la masse volumique, on utilise aussi les dénominationsde poids spécifique, de poids volumique ou de densité apparente

Porosité:

La porosité est le rapport du volume vide au volume total.

La porosité et la compacité (les granulats)

Volume quelconque

Elle est définie aussi comme le volume de vide par unité de volumeapparent.

Compacité:

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

Volume unitaire

La porosité et la compacité sont liées par la relation : p+c=1

Elles sont souvent exprimées en %.

Quand on connaît la masse volumique apparente γap et la massespécifique γ0 d’un matériau, il est facile de calculer sa compacitéet porosité.

Teneur en eau réelle des matériaux.

Notée W et s’exprime en %.

Déterminée en utilisant la formule:

L’humidité

Gs: masse sèche d’échantillon (après passage à l’étuve).Gh: masse humide d’échantillon.

Le degré de l’humidité dépend surtout de l’atmosphère où ils sontstockés, du vent, de la température, et de la porosité dumatériau.

Est la capacité de conserver des matériaux quand ils sontimmergés au sein de l’eau à T° de 20,5 °C et à la P atm.

L’eau pénètre dans les vides interstitiels du matériau; donc plus laporosité est importante, plus l’absorption de l ’eau est grandemais reste inférieure à la porosité.

On peut déterminer le degré d’absorption de deux manières:

a) L’absorption calculée suivant la masse du volume apparent

L’absorption de l’eau

a) L’absorption calculée suivant la masse du volume apparentd’échantillon, notée Hv (%).

b) L’absorption calculée suivant la masse de l’échantillon, notéeHp (%).

Gab : est la masse absorbante.Gs: est la masse sèche d’échantillon.V0: est le volume apparent du matériau.

Gab : masse absorbante.Gs: masse sèche d’échantillon.

Un des plus importants facteurs influençant la résistance desmatériaux est le degré de saturation, parce que l’eau absorbéediminue la résistance des matériaux.

Lorsque tous les vides d’un corps sont remplis d’eau, le corps estdit saturé.

Le degré de saturation est le rapport du volume de vide remplid’eau au volume total de vide.

Degré de Saturation (Teneur en eau)

d’eau au volume total de vide.

Il joue un grand rôle dans les phénomènes de destruction desmatériaux poreux par le gel. En se transformant en gel, l’eauaugmente de 9% en volume environ.

La saturation dans les échantillons de matériaux est réalisée parl’immersion des échantillons dans l’eau bouillante et à lasaturation en pression d’air .

Pour déterminer le degré de saturation en pression d’air, on a ladémarche suivante:

- Immerger les échantillons dans l‘eau.

- Donner la pression de base de 20 mm Hg jusqu’au moment oùon peut éliminer toutes les bulles d’air.

- Ensuite on fait baisser la pression de base de 20 mm Hg. Àce moment là, presque tout le vide est rempli d’eau et parconséquent on dit que les échantillons sont saturés.

1O mm Hg = 1,333 kPa1O mm Hg = 1,333 kPa

760 mmHg = 1.0 atm = 101.3 kPa = 1013 mbar

Le degré de saturation peut se calculer par la formule suivante:

BH : degré de saturation (%)Gsat: masse d’échantillon au moment de

saturation.Gs : masse sèche d’échantillon.V0 : volume apparent du matériau.

Cependant, on ne peut pas remplir entièrement les vides del’échantillon d’eau, c’est pourquoi il est obligatoire de présentercette valeur en un "coefficient de saturation", noté Csat etexprimé en %.

Ce coefficient est calculé avec la formule :

p : degré de porosité.BH : degré de saturation.

p

Pour connaître la diminution de la résistance de matériaux enprésence d’eau, on utilise l’indice molle:

Km : indice molle

RBH : résistance d’échantillon aumoment de saturation.

Rk : résistance d’échantillon sec.

A la place de la saturation, on utilise aussi la teneur en eau d’unmatériau. Elle est le poids d’eau W contenu dans le matériau parunité de poids de ce matériau sec.

La déformation:

Est une des propriétés essentielles pour des matériaux deconstruction. Selon la caractérisation des déformations, on lesdivise en trois sortes:

1) Déformation élastique,

2) Déformation plastique,

4. Propriétés mécaniques

2) Déformation plastique,

3) Déformation visqueuse.

La résistance:

Est la capacité des matériaux contre les actions des forcesexternes (les charges) étant définie en contrainte maximalequand l’échantillon est détruit.

1) Déformation élastique,

Lorsque l’on effectue un essai de mise en charge et si, aprèsdécharge le corps reprend les mêmes formes qu’il avait avantl’essai et qu’il ne reste aucune déformation résiduelle, on dit que lecorps a un comportement parfaitement élastique

2) Déformation plastique,

3) Déformation visqueuse.

Impossible d’imaginer une société moderne avec ses activités deconstruction, de bâtiments pour l’habitat, l’industrie ou lesservices publics, de génie civil, de travaux publics etd’aménagement de l’environnement sans le recours aux matériauxde construction et aux granulats.

Les granulats représentent quantitativement la plus importantedes matières premières utilisée dans un pays avec l’air et l’eau.

5. Granulats

des matières premières utilisée dans un pays avec l’air et l’eau.

Trouver des gisements et produire des granulats s’avère doncêtre un impératif de développement de la société.

Définition :

On appelle « granulats » les matériaux inertes, sables graviers oucailloux, qui entrent dans la composition des bétons.

C’est l’ensemble des grains compris entre 0,02 et 125 mm dontl’origine peut être naturelle, artificielle ou provenant de recyclage.

Ces matériaux sont parfois encore appelés « agrégats ».

Exemple :Exemple :sables, gravillons/graviers, granulats artificiels, grains depolystyrène, déchets de métallurgie, …

Utilisation :

Les granulats sont utilisés pour la réalisation des : filtressanitaires, filtres, drains, bétons, remblais routiers, …

Les deux principales utilisations des granulats sont les bétons etla viabilité, à savoir des couches de roulement des routes etautoroutes, des aéroports et des voies de chemin de fer.

Le béton est aujourd’hui le produit industriel le plus utilisé dans leLe béton est aujourd’hui le produit industriel le plus utilisé dans lemonde. Il peut être mis en œuvre :

soit sous forme liquide, le Béton Prêt à l’Emploi (BPE),directement sur les chantiers, dans des coffrages où il fait saprise,

soit sous forme de produits préfabriqués en béton, tels que desparpaings, des tuyaux, des poutrelles, des planchers, des cloisons,des escaliers…

Exemples de Consommation moyenne de granulats par natured'ouvrage

1m3 de béton : 2 t de granulats

Un pavillon : 100 à 300 t Un lycée ou un höpital : 20000 à 40 000 t

1 km de voies ferrées : 10000 t

1 km d'autoroute : environ30 000 t

Les granulats doivent répondre à des impératifs de qualité et descaractéristiques propres à chaque usage.

Par conséquent, des essais au laboratoire sont effectués pourmesurer des paramètres caractéristiques des matériaux.

Les essais effectués portent sur des quantités réduites dematériaux (échantillons).

En général, le prélèvement d'échantillons se fait sur le chantier, lacarrière ou l'usine

Prélèvement des échantillons

Prélèvement sur tas normaux :

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

b) 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'échantillonréduit, nécessaire à l'essai, peut se faire par quartage ou à l'aided'un échantillonneur.

L'échantillon doit être séché à l'étuve à 105 ºC s'il est exempt deminéraux argileux, ce qui est rare, ou à 60 ºC dans le cas contraire.

Quartage :

Opération de quartage

Prélèvement en laboratoire (échantillonnage en laboratoire) :

Echantillonneur :

Permet de diviser facilement en deux parties représentatives latotalité d'un échantillon initial, chaque moitié étant recueillie dansun bac de manière séparée.

La répétition de cette opération permet d'obtenir l'échantillonnécessaire, après 3 ou 4 opérations identiques.

Prélèvement en laboratoire (échantillonnage en laboratoire) :

Echantillonneur :

Le procédé peut être résumé par la figure ci-dessous. Il permet desélectionner une masse (m) à partir d'un prélèvement de masse3m.

Schéma d'une opération de répartition des matériaux en utilisant de l'échantillonneur

Classification des granulats

Selon la nature minéralogique:

Roches magmatiques : - granulat de bonne qualité : exemple legranit, le quartz.

Roches sédimentaires : - non recommandé pour le béton : lecalcaire.

Roches métamorphiques : - non recommandé pour le béton : le Roches métamorphiques : - non recommandé pour le béton : leschiste;

- bons granulats : le gneiss.

Selon la forme des grains:

Elle est soit naturelle, soit artificielle. La forme naturelle est engénéral roulée. Ces granulats proviennent des mers, dunes,rivières, carrières, …

La forme artificielle est issue du concassage de roches dures(roches mères).

Selon les caractéristiques physiques :

a) La masse volumique absolue

Est la masse d'un mètre cube du matériau, déduction faite detous les vides (vides entre et à l'intérieur des grains).

Volume hachuré = Volume absolu (sans pores)

La densité absolue est le rapport de la masse absolue à la masse d’un égal volume d'eau distillée (à une température donnée).

b) La masse volumique réelleEst la masse d'un mètre cube de ce matériau déduction faite desvides entre particules, et non ceux compris dans les particules.

Volume hachuré = Volume réelle (apparent)

La densité réelle est le rapport de la masse réelle d'une unité devolume du matériau à T° donnée à la masse d'un égal volume d'eaudistillée à la même T°.

c) La masse volumique apparenteEst la masse d’un corps par unité de volume total y compris lesvides entre les grains et le constituant (volume apparent).

Volume hachuré = Volume du récipientVolume hachuré = Volume du récipient

La densité apparente à l'état compacté ou non compacté est lerapport de la masse apparente du matériau à T° donnée à lamasse d’un égal volume d’eau à même T°.

La masse volumique apparente d'un granulat dépend de la forme etde la granulométrie des grains ainsi que le degré de compactage etd'humidité.

La valeur apparente est utilisée dans les dosages en volume desdifférentes composantes du béton. Cette méthode toutefoisprésente des risques à cause du foisonnement (gonflement).

d) Absorptiond) Absorption

e) Porosité et compacité

f) Teneur en eau

g) Propreté et forme des granulats

Propreté des granulats

Les granulats employés pour le béton doivent être propres, car lesimpuretés perturbent l'hydratation du ciment et entraînent desadhérences entre les granulats et la pâte.

La propreté désigne:

- teneur en fines argileuses ou autres particules adhérentes à lasurface des grains, ce qui se vérifie sur le chantier par les tracessurface des grains, ce qui se vérifie sur le chantier par les tracesqu'elles laissent lorsqu'on frotte les granulats entre les mains.

- impuretés susceptibles de nuire à la qualité du béton, parmilesquelles on peut citer les scories, le charbon, les particules debois, les feuilles mortes et les fragments de racine.

Dans le cas des sables, le degré de propreté est fourni par essaiappelé "équivalent de sable piston PS" (norme P 18-597).

Ce dernier consiste à séparer le sable des particules très fines quiremontent par floculation à la partie supérieure de l'éprouvette oùl'on a effectué le lavage.

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

On agite une certaine quantité de sable dans une solution lavante(disponible dans le commerce) puis on laisse reposer pendant uncertain temps.

Théoriquement les limites extrêmes des valeurs PS (E.S) seraient :

- pour sable pur (pas de floculat) h1=h2 ⇒ E.S = 100

- pour argile pure (pas de dépôt de sable) h1= 0 ⇒ E.S = 0

Exemples de valeurs préconisées pour l'équivalent de sable

Essai de propreté du gravier (NF P18-591)

Le gravier est composé majoritairement de particules graveleusesmais il est rarement exempt d'éléments fins.

Suivant son utilisation, une trop grande quantité d'éléments finsdans le gravier entraîne des conséquences néfastes sur le béton ;par exemple (chute des caractéristiques mécaniques, grandsrisques de fissuration).

L'essai de propreté du gravier met en évidence la présenced'éléments fins dans le gravier.d'éléments fins dans le gravier.

La norme fixe la valeur 2% qui est le seuil de propreté acceptabledu gravier, donc p = 2%

Le pourcentage d’impureté est :

où P1 le poids initial sec du matériau et P2 son poids sec aprèslavage au tamis 0,5mm

Forme des granulats

La forme d'un granulat est défini par trois grandeursgéométriques:

- La longueur L, distance maximale de deux plans parallèlestangents aux extrémités du granulat,

- L'épaisseur E, distance minimale de deux plans parallèlestangents au granulat,

- La grosseur G, dimension de lamaille carrée minimale du tamismaille carrée minimale du tamisqui laisse passer le granulat.

La forme est dé! nie par le coefficient d'aplatissement A d'unensemble de granulats qui est le pourcentage d’éléments tels queG/E > 1,58.

Elle est mesurée par un double tamisage sur des tamis à mailles carrées qui trient suivant la grosseur, et sur des cribles à barres parallèles qui trient suivant l’épaisseur.

On peut déterminer aussi:

La forme des granulats influence:

- la facilité de mise en oeuvre et le compactage du béton,

- la compacité du mélange, donc le volume des vides à remplir par la pâte de ciment,

La forme est d'autant meilleure qu'elle est proche d'une sphère ou d'un cube.

Selon la taille des grains des granulats : Analyse granulométrique

Généralement on souhaite obtenir un béton résistant, étanche etdurable. Pour atteindre ce but, il faut:

- que le béton à l'état frais soit facile à mettre en oeuvre et àcompacter (pour réduire la porosité).

-un maximum de granulats par unité de volume de béton (pourréduire la quantité de pâte liante nécessaire pour remplir lesvides).

- que la proportion de chaque dimension des grains doit être- que la proportion de chaque dimension des grains doit êtrechoisie de façon à remplir les vides laissés par les grains dedimensions supérieures.

- réduire la teneur en éléments fins au minimum requis pourobtenir une bonne maniabilité et une bonne compacité.

Les analyses granulométriques apporteront quelques éléments deréponses à ces conditions.

La condition essentielle pour obtenir le moins de vides possibles(meilleure compacité) dans un mélange de sable et gravillon est de:35 % de sable de 0/5 et 65 % de gravillons 5/20.

Lorsque ces matériaux font défaut localement, il est possibled’utiliser des roches éruptives ou sédimentaires transformées engranulat par concassage. Calcaires durs, silico-calcaires.

L’analyse granulométrique permet de déterminer la proportion desdifférents constituants solides d’un granulat en fonction de leurgrosseur à l’aide de tamis.

L'essai consiste à classer les différents grains constituantl'échantillon en utilisant une série de tamis, emboîtés les uns surles autres, dont les dimensions des ouvertures sontdécroissantes du haut vers le bas.

Le refus est le matériau retenu par un tamis donné,

Le tamisas ou le passant est le matériau qui passe à travers lesmailles d’un tamis.

Les pourcentages ainsi obtenus sont exprimés sous forme d’unecourbe granulométrique. Ainsi en fonction de la dimension desgrains, on distingue :

Les granulats sont désignés par d/D c-à-d les dimensionss’étalent de « d » pour les petits éléments à « D » pour les groséléments.

La classe des granulats est définie par tamisage au travers d’unesérie de tamis dont les mailles ont les dimensions suivantes enmm :

Les tamis dont les dimensions sont soulignées correspondent à lasérie de base préconisée lors d’une étude granulométrique.

La forme des courbes granulométriques apporte lesrenseignements suivants:

- Les limites d et D du granulat en question;

- La proportion d'éléments fins; par exemple les trois sablessont des sables 0/5 mm mais les proportions de grains fins(<0,5 mm par exemple ) sont pour chacun d'eux: 25%, 45% et60%;

- La continuité ou la discontinuité de la granularité; parexemple, la courbe du gravier 5/31,5 présente un paliers'étendant de 10 à 20 mm signifiant que le granulat ens'étendant de 10 à 20 mm signifiant que le granulat enquestion ne contient pas de grains compris entre 10 et 20mm.

A noter :

1. Dans le cas d’un béton ou d’un mortier, le % des fines dans lessables doit être inférieur à 10%.

2. Dans le cas d’un béton dont le gravier doit être 5/25, il fautéliminer tous les éléments supérieurs à 25 mm et inférieurs à5 mm par tamisage.

Module de finesse d’un granulat :

Les sables doivent présenter une granulométrie telle que leséléments fins ne soient ni en excès, ni en trop faible proportion.

Si il y a trop de grains fins, il sera nécessaire d'augmenter ledosage en eau du béton tandis que si le sable est trop gros, laplasticité du mélange sera insuffisante et rendra la mise en placedifficile. Le caractère plus ou moins fin d'un sable peut êtrequantifié par le calcul du module de finesse (MF).quantifié par le calcul du module de finesse (MF).

Le module de finesse d’un granulat est égal au 1/100 de la sommedes refus, exprimés en pourcentage sur les différents tamis de lasérie suivante : 0,16 – 0,315 – 0,63 – 1,25 – 2,5 et 5 mm

Le module de finesse est plus particulièrement appliqué aux sablesdont il est une caractéristique importante.

Exemple :

Si un sable a les pourcentages de refus suivants dans les tamiscorrespondants ci-dessous :

Son module de finesse

Un bon sable à béton doit avoir un module de finesse d’environ 2,2à 2,8.

Selon la nature des granulats :

Les granulats courants

Les granulats courants sont ceux de masse volumique ∈ [2 ; 3t/m3].

Ce sont généralement les Basaltes, Quartzites, Grès, Porphyre,Diorite, granites, Schistes.

Pour la composition des bétons, on utilise en général desPour la composition des bétons, on utilise en général desmatériaux naturels alluvionnaires : sables et graviers.

Cependant, lorsque ces matériaux font défaut localement, il estpossible d’utiliser des roches éruptives ou sédimentairestransformées en granulat par concassage. Calcaires durs, silico-calcaires.

Les granulats lourds

Essentiellement employés pour la confection des bétons lourdsutilisés pour la construction d’ouvrages nécessitant uneprotection contre les rayonnements produits

Exemple des réacteurs atomiques :

la protection est d’autant plus efficace que l’épaisseur est plusla protection est d’autant plus efficace que l’épaisseur est plusgrande et la densité du béton plus élevée. On utilise en particulier :

- La barytine, sa densité absolue est 4,2 à 4,7

- La magnétite, sa densité absolue est 4,5 à 5,1

- Les riblons, la densité absolue est celle du fer :7,6 à 7,8

- La grenaille d’une densité absolue de: 7,6 à 7,8

Les granulats légers

Utilisés pour la confection de bétons légers. Ces bétonsprésentent en général des résistances d’autant plus faibles qu’ilssont plus légers, mais cette dernière qualité peut, dans certainscas, être particulièrement intéressante (préfabrication,isolations, gain de poids sur fondations difficiles ou onéreuses,etc.).

La densité absolue de ces granulats est généralement <1.La densité absolue de ces granulats est généralement <1.

Exemple :

Argile expansée, Schistes expansés, Pierre ponce, Pouzzolane.

Les granulats très durs

Quartz, corindon, carborundum, paillettes de fonte, etc., sontincorporés au béton pour anti-usure (sols industriels parexemple).

Selon la dureté du granulat :

Il s'agit de caractériser la résistance d'une face d'un granulat à larayure, c-à-d à la destruction mécanique de sa structurecristalline.

La dureté d'un granulat se juge par référence à l'échelle de duretéde MOHS. Un minéral est dit plus dur qu'un autre s'il raye celui-ci.

Pratiquement, on compareles duretés des granulats(minéraux) courant à celle(minéraux) courant à cellede l'acier, le verre et l'ongle

Selon les caractéristiques mécaniques :

Les caractéristiques mécaniques des granulats sont déterminéespar des essais tentant de reproduire certaines sollicitationspropres à des usages spécifiques des granulats, par exemple ledegré d'usure pour les granulats utilisés pour les bétons routiers

a) Essai Micro Deval

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

b) Essai Los Angeles

Le principe est la détermination de la résistance à lafragmentation par chocs et à l'usure par frottementsréciproques. Il fait l'objet de la norme NF P 18-573

L’essai consiste à mesurer la quantité d’éléments inférieurs à 1,6mm produits en soumettant le matériau aux chocs de bouletsnormalisés dans la machine LOS ANGELES.

Si M est la masse du matériau soumis à l’essai, m la masse deséléments inférieurs à 1,6 mm produits au cours de l’essai, lecoefficient s’exprime par la quantité sans dimension :

Dans la pratique le coefficient est bon lorsque le résultat obtenuest inférieur à 35.

Les granulats sont classées en 6 catégories allant de A à F,chacune d'elle devant les conditions suivantes:

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

La production des granulats nécessite deux types d’opérations :l’extraction et le traitement.

Les matériaux de construction (pierreux naturels) sont utilisés en :

- blocs de grosseur et de tailles variables pour la confection desmaçonneries,

- petits éléments pour les bétons et les matériaux routiers,

6. Extraction et Traitement des granulats

- éléments fins, pour les mortiers.

L'extraction se fait dans les carrières. On distingue :

- carrières à ciel ouvert,

- carrières souterraines: on peut être amené à exploiter unecarrière souterraine si aucun gisement en surface n'existe dansla région. .

L’extraction s’effectue dans des carrières qui utilisent destechniques différentes selon qu’il s’agit de matériaux meubles detype sables et graviers naturels ou de roches massives, exploitésà sec ou en milieu hydraulique.

Aujourd’hui aucune exploitation de carrière ne se conçoit plussans un projet préalable et précis de réaménagement(accompagné d’un financement adapté).

Extraction

Dans tous les cas la production de granulats passe par cinqétapes principales de production :

• l’opération de découverte ou décapage des niveaux nonexploitables et le stockage des bonnes terres et desmatériaux stériles en vue du réaménagement,

• l’extraction par une technique ou une autre selon la nature dugisement,

•le transfert vers les centres de traitement,

• les différentes opérations de traitement pour obtenir desproduits finis, prêts à la livraison chez les clients,

• et la remise en état du site de la carrière au fur et à mesureet en fin d’exploitation.

a) Décapage

Consiste à retirer les terrains situés au-dessus des niveaux àexploiter ( terre végétale, roches altérées, niveaux stériles).

Les matériaux de découverte sont stockés de coté en vue duréaménagement de la carrière.

Ils peuvent parfois être disposés en tas latéraux permettant defaire un écran visuel et sonore entre la carrière et sonenvironnement extérieur .

La prise en compte de la quantité des terrains à découvrir importedans l’étude d’un gisement.

Une découverte jugée tropimportante peut éventuellementamener à renoncer à l’ouvertured’une exploitation.

Décapage des terres arables en vue dufutur réaménagement de la carrière

b) Extraction en terrain meuble

S’agissant de matériaux meubles non consolidés, l’extractions’effectue par décapage du gisement avec différentes sortesd’engin en fonction des contextes, soit en site terrestre, à sec,soit en site immergé en eau

Extraction en terrain sec

Quand le gisement de granulats alluvionnaire se situe au-dessusdu niveau de la nappe phréatique, on exploite directement avec desengins traditionnels de travaux publics tels que des pellesengins traditionnels de travaux publics tels que des pellesmécaniques ou des chargeuses (bulldozers munis d’un large godetbasculant).

L’extraction peut avoir lieu parle haut du gisement(exploitation en fouille) ou par lebas (exploitation en butte).

Exploitation de granulats alluvionnaires àla chargeuse, en terrain sec.

Extraction en site immergé

En site immergé (milieu hydraulique), l’extraction peut êtreréalisée par des engins flottants (drague à godets, à grappin oudrague suceuse).

.

Dans le cas de sites immergés peu profonds, l’exploitation pourraavoir lieu depuis la rive avec des pelles à câble équipées en dragline,des pelles hydrauliques ou des excavateurs à godets.

Le dragage ramène à la surface le “tout-venant” qui est ensuitechargé sur bateaux, sur camions ou sur bandes transporteuses enbord de rive.

c) Extraction des roches massives

L’extraction des roches massives, compactes et dures, nécessitel’emploi des explosifs.

Un tir de mine provoque l’abattage d’une grande quantité dematériaux éclatés qui sont ensuite repris par une pelle ou unchargeur et transportés par camion dumper ou tombereau, ou parbandes transporteuses jusqu’au centre de traitement.

Procéder à un tir nécessite un plan de tir comprenant :• le forage des trous (disposition, profondeur, nombre),• le forage des trous (disposition, profondeur, nombre),• le choix des explosifs,•le déclenchement du tir avec le respect de toutes les règles desécurité associées.

Le tir est placé sous la responsabilité d’un professionnelspécialisé: le « boutefeu ».

Un tir de mine en carrière peut abattre jusqu’à plusieurs dizainesde milliers de tonnes de roches en une seule opération.

Tir d’abattage d’une masse de roches pourla production de granulats de rochesmassives.

Les opérations de traitement ont pour but d’obtenir, à partir desmatériaux d’origine, alluvionnaires ou massifs, toute une gammetrès variée de granulats pour répondre aux demandes etspécificités des chantiers.

Les principales opérations sont le concassage, le criblage, le lavageet le stockage

a) Chargement

Traitement

Les matériaux extraits sont transportés vers le centre detraitement situé en général à proximité de la carrière. Cetransfert s’effectue :- soit en continu par des transporteurs à bandes.- soit en discontinu. Les matériaux sont alors acheminés par descamions (ou dumpers). C’est la solution utilisée habituellementdans les carrières de roches massives, les tirs de minesempêchant l’implantation d’installation à proximité des fronts detaille.

b) Le concassage

Les différentes phases de concassage s’effectuent dans desconcasseurs qui permettent de réduire la taille des éléments. Ilsen existe différents types : concasseurs à mâchoires, àpercussion, giratoires, à projection centrifuge. Les différentesopérations de concassage sont séparées par des étapes decriblage.

La production de granulats à partir de roches massives nécessiteLa production de granulats à partir de roches massives nécessitetoujours plusieurs opérations successives de concassage.

Dans le cas des granulats alluvionnaires, seuls les plus groséléments subissent un concassage, les autres sont directementsélectionnés par criblage.

Les matériaux constitutifs des mortiers et bétons modernesdoivent avoir une certaine granulométrie, ce qui amène trèssouvent à faire subir aux produits directs de la carrière desopérations de concassage :

- Le concassage primaire: les moellons bruts (50 à 30 cm) sonttransformés en grosses pierres cassées de 10 à 6 cm de Ø.(Concasseur à mâchoires),

- Le concassage secondaire: les grosses pierres de 10 à 6 cm- Le concassage secondaire: les grosses pierres de 10 à 6 cmsont transformées en graviers de 3 à 1 cm de Ø . (Concasseurgiratoire),

- Le concassage tertiaire: les graviers de 3 à 1 cm sonttransformés en sable de 5 mm de diamètre maximal (concasseurà cylindre).

c) Le criblage

Les opérations de criblage (triage ou tamisage) ont pour but desélectionner les grains en fonction de leur taille.

les mailles du crible (ou tamis) ne laissant passer que les élémentsinférieur à une certaine taille. On peut ainsi, par criblagessuccessifs, trier les grains et obtenir des granulatscorrespondants à une granulométrie précise (exemple du sable de3 mm).

Les opérations de criblage sont complétées par celles dedépoussiérage et de lavage.

Le ciment est un liant hydraulique car il a la propriété des’hydrater et de durcir en présence d’eau.

Ce durcissement est dû à l’hydratation de certains composésminéraux, notamment des silicates et des aluminates de calcium

Les romains furent les premiers à fabriquer un véritable lianthydraulique en mélangeant de la chaux aérienne avec des cendres

6. CimentIntroduction

hydraulique en mélangeant de la chaux aérienne avec des cendresvolcaniques (=Pouzzolane).

En 1756, un anglais a mis au point un produit à partir de pierresde l’île de Portland, capable de faire prise sous l’eau. On parla pourla première fois de ciment. D’où l’origine du nom donné aujourd’huiau ciment (Ciment Portland).

Ciments usuels fabriqués à partir d’un mélange de calcaire(CaCO3) environ de 80% et d’argile (SiO2 –Al2O3) environ de20%.

Ce mélange peut être corrigé par apport de bauxite, oxyde de ferou autres matériaux fournissant le complément d’alumine et desilice requis.

La fabrication de ciment se réduit schématiquement aux trois

Principe de fabrication ciment portland

La fabrication de ciment se réduit schématiquement aux troisopérations suivantes:

• préparation du cru• cuisson• broyage et conditionnement

La cuisson à 1450°C du mélange composé de calcaire et d’argile.

Le clinker est ensuite broyé avec environ 5% de gypse pour donnerdu ciment Portland artificiel (C.P.A.) .

Il existe 4 procédés de fabrication du ciment qui dépendentessentiellement du matériau premier:

• Fabrication du ciment par voie humide (la plus ancienne).

• Fabrication du ciment par voie semi-humide (en partant de lavoie humide).

• Fabrication du ciment par voie sèche (la plus utilisée).• Fabrication du ciment par voie sèche (la plus utilisée).

• Fabrication du ciment par voie semi-sèche (en partant de lavoie sèche).

a) Fabrication par voie humide et semi-humide

Procédé plus ancien, plus simple mais demande plus d’énergie.

Dans ce procédé, les matériaux calcaire et l’argile concassés sontmélangés et broyés finement avec l’eau de façon, à constituer unepâte assez liquide (28 à 42% d’eau) avec des grains de diamètreinférieur à 200µm.

La pâte est ensuite stockée dans de grands bassins où elle estcontinuellement malaxée. Ce mélange est appelé le cru.continuellement malaxée. Ce mélange est appelé le cru.

Des analyses chimiques permettent de contrôler la compositionde cette pâte, et d’apporter les corrections nécessaires avant sacuisson.

Voie humide

Pâte envoyée à l’entrée d’un four rotatif d’acier chauffé à sonextrémité par une flamme intérieure.

La pâte perd son eau dans le four puis se clinkérise vers 1 450°C.

Le clinker est ensuite refroidi.

Voie semi-humide Voie semi-humide

La pâte sortant des cuves de stockage, essorée sur un filtre-presse.

Transformée ensuite en bâtonnets de 2 cm de diamètre.Bâtonnets ensuite introduits sur une grille pour subir un séchage,rentrent dans un four pour être clinkérisés.

Le clinker est ensuite refroidi.

b) Fabrication par voie sèche et semi-sèche

Après avoir finement broyé, la poudre est transportée depuis lesilo homogénéisateur jusqu’au four, soit par pompe, soit paraéroglisseur.

Voie sèche

La poudre obtenue alimente un four rotatif composé de deuxparties:

- Une partie verticale appelée le pré-chauffeur où la poudre- Une partie verticale appelée le pré-chauffeur où la poudrechauffée descend par gravité

- une partie horizontale où la poudre est clinkérisée. Le clinker estensuite refroidi puis stocké.

Voie semi-sèche

La poudre stockée est agglomérée sous forme de boulettes de 10à 20 mm de diamètre à l’aide d’une assiette granulatrice.

Une assiette granulatrice est un cylindre de 2 à 4 m de Ø munid’un fond incliné à 50%.

L’assiette reçoit la poudre et de l’eau et transforme le mélange enboulette. Ces boulettes passent ensuite dans d’un four rotatifpour y être clinkérisées.boulette. Ces boulettes passent ensuite dans d’un four rotatifpour y être clinkérisées.

Schéma de la fabrication du ciment

c) Broyage et conditionnement

Le clinker obtenu par l’un des procédés est stocké dans les hallsqui alimente des broyeurs à boulet.

Broyeurs à boulet = cylindres d’aciers comportant 2 ou 3chambres (de 8 à 12 m de long et de 2 à 4 m de Ø) munisintérieurement de boulets d’acier de 20 à 90 mm de diamètre.

Broyeurs produisent environ 30 à 200 T/h.

Pendant le broyage, on ajoute 5% de gypse et des constituantsPendant le broyage, on ajoute 5% de gypse et des constituantssecondaires.

Quelque fois des agents de mouture (ex. chlorure) permettantd’éviter la ré-agglomération des grains déjà moulus sont ajoutés.

Ces agents facilitent le remplissage et la vidange des silos et descamions.

d) Constituants du clinker

Les principaux composants anhydres obtenus lors durefroidissement rapide du clinker sont:

- silicate tricalcique 3CaO.SiO2 (C3S) (50-70% du clinker).

- silicate bicalcique 2CaO.SiO2 (C2S) (10-30% du clinker).

- aluminate tricalcique 3CaO.Al.O3 (C3A) (2-15% du clinker).

- alumino-ferrite tétracalcique (Ferro-aluminate tetracalique)- alumino-ferrite tétracalcique (Ferro-aluminate tetracalique)4CaOAl2O3.Fe2O3 (C4AF) (5-15% du clinker).

Le clinker contient encore en faibles quantités des alcalins (Na2O,K2O), de la magnésie (MgO), et diverses traces de métaux.

Les ciments avec constituants secondaires renferment en plus duclinker et du gypse des produits laitiers, cendres volantes,pouzzolanes , … à raison de 10 à 20 % environ.

Laitier granulé de haut fourneau

- Sous-produit de l'industrie métallurgique ayant des propriétéshydrauliques.

Autres constituants du ciment

- Obtenu par refroidissement rapide (trempe) de certainesscories fondues provenant de la fusion du minerai de fer dans unhaut fourneau.

Cendres volantes

Sont les produits pulvérulents de grande finesse, provenant dudépoussiérage des gaz de combustion des centrales thermiques.On distingue :

- cendres volantes siliceuses ayant des propriétéspouzzolaniques;

- cendres volantes calciques ayant des propriétéshydrauliques et parfois pouzzolaniques.

Les pouzzolanes naturelles

- Sont des roches d’origine volcanique.

- Contiennent des éléments chimiques du clinker à l’état naturelappelés propriétés pouzzolaniques.

Les pouzzolanes artificielles

Certains matériaux tels que les argiles et les schistes peuventaprès chauffage jusqu’à une certaine température développer despropriétés analogues aux pouzzolanes naturelles. On les appellepouzzolanes artificielles.

Fillers

Roches calcaires ou siliceuses broyées à une finesse élevée (grainsde Ø<50 µm, certains Fillers parfois appelés « fumée de silice »).Les fillers en générale améliorent considérablement la résistance.Les fillers en générale améliorent considérablement la résistance.

Les ciments sont classés en fonction de leur composition et deleur résistance normale.

- En fonction de la composition

Sont cinq types principaux, notés CEM et numérotés de 1 à 5 enchiffres romains (la notation française est indiquée entreparenthèse):

Principales catégories de ciment

CEM I: Ciment portland (CPA - dans la notation française),

CEM II: Ciment portland composé ( CPJ),

CEM III: Ciment de haut fourneau (CHF),

CEM IV: Ciment pouzzolanique (CPZ),

CEM V: Ciment au laitier et aux cendres (CLC).

La proportion (en masse) des différents constituants estindiquée dans le tableau 2.2. Les constituants marqués d’uneétoile (*) sont considérés comme constituants secondaires etleur total ne dépasse pas 5%.

- En fonction de leur résistance normale

Il existe ainsi 4 classes principales : 35 , 45, 55 et HP (HP pour« Haute Performance»).

Il existe des sous classes R ( pour les ciments rapides etcontrôlés pour leurs part à 2 jours). On retrouve donc par ailleursles sous-classes : 45R, 55R et HPR .

Les plus utilisés en Afrique sont les CPJ 35 et CPA 45.

CPJ 35 :

Son domaine d’emploi privilégier est les enduits, mortier et chape .Ce n’est pas un ciment de structure.

Peut être aussi utilisé :

- en maçonnerie, en béton courant (non armé ou armé), fondation,poutre de petite portée, poteau.

Utilisation des ciments

poutre de petite portée, poteau.

- pour les blocs préfabriqués en mortier ou en béton non armé. Ex :agglomérés, hourdis (corps creux ).

- pour la stabilisation des sols (grave ciment).

- pour les travaux en grande masse peu sollicité en traction. Ex :barrage.

CPA 45 :

Pour BA (béton armé) sollicité (poteau, poutre, dalle) ; c’est leciment de structure courant :

- Béton armé,- Béton précontraint,- Dallage industriel,- Béton routier,-Ouvrage de génie civil

CPA 55 R :

BA très fortement sollicité (ossature porteuse) et avec priserapide:

- BA avec décoffrage rapide.- Eléments préfabriqués en BA (poutre, poutrelle, pré-dalle).-Béton précontraint.

Les CHF et CLZ sont surtout destinés aux fondations, auxtravaux souterrains, milieux agressif, travaux en grande masse,travaux d’injection.

Autres types de ciments :

- Ciments alumineux (ciment réfractaire à 40 % d’alumine),résistant aux milieux agressifs ; prise normale mais durcissementtrès rapide ; recommandé en milieu froid ; ciment difficile à utiliser,

- Ciment Prompt prise très rapide ; prend en quelque minutes ;utilisé pour le scellement et réparation, ou encore en à laprojection (construction de tunnel, talus de soutènement, ...);

- Ciment blanc (souvent CPA 55 et R)- Ciment blanc (souvent CPA 55 et R)

- Ciment prise mer

- Ciment pour eaux sulfatées

- Ciment expansif ou encore à retrait compensé

- Ciment réfractaire (résiste jusqu’à 2000°C) ; en général desciments alumineux (forte teneur en alumine , de 50 à 80 %)

Prise et durcissement

Lorsqu’on réalise une gâchée de pâte de ciment, de mortier ou debéton, on constate après un certain temps un raidissement duproduit : c’est le début de prise.

Ce raidissement s’accentue jusqu’à ce que le produit obtienne unerésistance appréciable en fin de prise.

Caractéristiques du ciment portland

Les réactions qui se passent dès le début du gâchage et qui sepoursuivent dans le temps sont complexes. Il se produit unemicro-cristallisation. La multiplication de ces cristaux dans letemps explique l’augmentation de résistance mécanique.

Les temps de début de prise peuvent varier de quelques minutes(ciment prompt) à quelques heures (CPA).

La période qui suit la prise et pendant laquelle se poursuitl’hydratation du ciment, est le durcissement.

Sa durée se prolonge pendant des mois au cours desquels lesrésistances mécaniques continuent à augmenter.

Comme le phénomène de prise, le durcissement est sensible à latempérature.

Le phénomène de prise du ciment est lié à de nombreuxparamètres tels:

• la nature du ciment,

• la finesse de mouture du ciment; plus son broyage a étépoussé, plus le temps de prise est court,

• la température; à zéro degré la prise est stoppée, plus la• la température; à zéro degré la prise est stoppée, plus latempérature est élevée plus la prise est rapide,

• la présence de matières organiques dans l'eau ou dans l'un desautres constituants du béton qui ralenti la prise,

• l'excès d'eau de gâchage qui a, entre autres inconvénients, uneaction retardatrice sur la prise .

Pratiquement tous les ciments ont des temps de prise de l'ordrede 2h30 à 3 h.

Influence de la température sur la prise des ciments.

Influence du E/C (eau/ciment)sur le temps de prise .

Adjuvants

Sont des produits liquides ou en poudre que l’on ajoute en petitequantité dans les gâchées de béton et qui sont destinées à leurconférer des propriétés particulières.

Parmi les adjuvants, il y en a qui agissent sur la prise :

• Les accélérateurs de prise,

• Les retardateurs de prise.

Les premiers sont utilisés lorsqu’on est astreint à des délais dedécoffrage très courts ou lorsque l’on bétonne en temps froid (5 à10° C).

Les seconds de prise sont utilisés lorsque l’on bétonne par tempschaud ou pour éviter les reprises de bétonnage.

Il existe aussi des adjuvants pour rendre les bétons étanches(béton hydrofuge) ou encore résistant au gel, etc ….

Principaux essais sur les ciments

a_ Masse volumique apparente

C’est la masse par unité de volume.

b_ Densité apparente

Est un nombre sans dimension. C’est le rapport de la massevolumique apparente considéré à celle de l’eau pure à 4° C =1g/cm3.

Elle varie avec le degré de tassement du ciment. Pour cela, onElle varie avec le degré de tassement du ciment. Pour cela, onutilisera un entonnoir muni d’une passoire qui limite la hauteur dechute du ciment dans un litre taré.

Cet entonnoir permet d’avoir un tassementidentique lors de tous les essais.

La valeur moyenne de la densitéapparente Dap est 1.

c_ Masse volumique absolue

Elle varie en fonction de la composition du ciment, tout en restantcomprise entre 3,0 et 3,2 g/cm3

La méthode de mesure de la masse volumique absolue est la mêmequ’il s’agisse d’un ciment, d’un gravier ou d’un sable.

Le ciment est pesé et son volume est déterminé par déplacementLe ciment est pesé et son volume est déterminé par déplacementd’un liquide. Avec le ciment on utilise un liquide qui ne réagit pas lui,et qui a un faible coefficient de dilatation (Benzène – CCl4).

Mesure au voluménomètre de Châtelier:

• Un voluménomètre d’une contenance minimale de 50 cm3.

• Un récipient contenant de l’eau à 20 ±1°C.

• Un liquide qui ne doit pas être réactif avec le ciment, du toluènepar exemple (le tétrachlorure, le benzène).

• Une balance avec une précision adaptée à la masse del'échantillon utilisé.

• Un thermomètre, précis à 0,1°C, permettant de connaître latempérature du laboratoire.

d_ Mesure de la finesse (surface spécifique)

Est une caractéristique importante lors du gâchage : plus lasurface de ciment en contact avec l’eau est grande et plusl’hydratation est rapide et complète.

Généralement exprimée par sa surface massique: c’est la surfacetotale des grains (exprimé en cm2) contenus dans une masseunité de poudre (g).unité de poudre (g).

L’objectif de l’essai est d’apprécier cette surface.

La surface spécifique des ciments est compris entre 2500 et4500 cm2/g.

La surface spécifique est mesurée le plus souvent avec leperméabilimètre de BLAINE.

L’essai a pour but de calculer le débit d’air susceptible de passer àtravers la poudre.

On mesure la perméabilité d’une couche de ciment tassée dont laporosité est connue = 0,5.

On crée une dépression grâce à un tube manométrique et onmesure le temps de descente du liquide entre deux repères.

La perméabilité étant liée à la surface spécifique des grains, onLa perméabilité étant liée à la surface spécifique des grains, onpeut donc la calculer à l’aide du temps (t) relevé grâce à la formuleci-dessus.

. S – Surface spécifique (cm2/g).

. k – Constante de l’appareil.

. e – Porosité de la couche tassée

. t – Temps mesuré en secondes.

. ρ Masse volumique (g/cm3).

. η Viscosité de l’air à la température d’essai (en poises).

e_ Détermination du pourcentage d’eau normale (Essai deconsistance)

Il s’agit de déterminer la quantité d’eau à ajouter à un poids deciment pour obtenir une pâte dite normale.

L’essai est réalisé à l’aide de l’appareil de VICAT muni d’une sondedite de VICAT.

La sonde de VICAT de 10 mm de Ø, est laissée sans vitesseinitiale depuis la surface d’un moulage de pâte de 40 mm de haut.Elle s’enfonce sous son propre poids pour s’arrêter à une distanceinitiale depuis la surface d’un moulage de pâte de 40 mm de haut.Elle s’enfonce sous son propre poids pour s’arrêter à une distance(d) du fond.

La pâte est dite normale lorsque la sondes’arrête à 6 ± 1 mm du fond. On exprimele résultat sous le rapport E/C.

f_ Essai de prise

Les début et fin de prise des pâtes de ciment (liants hydrauliques)sont importants à connaitre afin de pouvoir évaluer le tempsdisponible pour la mise en place correcte des mortiers et desbétons.

Ils sont mesurés sur pâte normale à l’aide de l’appareil de VICATmuni d’une aiguille de VICAT de 1,13 mm de diamètre.

Quand, sous l’effet d’une charge de 300g, l’aiguille s’arrête à uneQuand, sous l’effet d’une charge de 300g, l’aiguille s’arrête à unedistance (d) du fond du moule telle que d= 4mm ± 1 mm, on dit quele début de prise est atteint. Ce moment, mesuré à partir dudébut du malaxage, est appelé « temps de début de prise ». .

Le temps de fin de prise est généralque l’instant où l’aiguille ne laisseplus de trace à la surface de la pâte.

a_ Définition

Les liants hydrauliques sont des poudres fines qui ont la propriétéde former une pâte durcissant aussi bien à l’aire que sous l’eau.

Il existe deux types de liant hydraulique : la chaux et le ciment.

Ces liants hydrauliques diffèrent par leur mode de fabrication.

7. Chaux

Ils sont tous élaborés à partir de pierre calcaire principalement.

La chaux est le produit de la cuisson d’un calcaire, suivi d’uneextinction à l’eau.

b_ Cycle de la chaux

- Chaux aérienne :

Est obtenue par calcination d’un calcaire très pur à unetempérature variable de 800 à 900 °C.

CaCO3 constituant l’essentiel du calcaire, se dissocie pour donnerl’oxyde de calcium (CaO, chaux vive) et du CO2.

Egalement aériennes, les chaux magnésiennes proviennent d'un

c_ Types de chaux

Egalement aériennes, les chaux magnésiennes proviennent d'uncalcaire magnésien.

La transformation de chaux vive en chaux éteinte s'effectue parajout d'eau :

La prise de la chaux aérienne s'effectue par carbonatation:

- Chaux hydraulique :

La cuisson du calcaire argileux donne une chaux hydraulique qui faitprise par réaction à l'eau.

La chaux sera plus hydraulique et plus résistante si le pourcentaged'argile est plus élevé.

Après extinction, ce type de chaux doit être utilisé dans les 24hAprès extinction, ce type de chaux doit être utilisé dans les 24havant qu'elle ne fasse prise.

d_ Utilisation de la chaux dans la construction

L’utilisation de la chaux a progressivement diminué au profit duciment.

Aussi, la chaux doit retrouver une utilisation dans les domaines oùson emploi est préférable, grâce à ses qualités de plasticité,d’élasticité, de perméabilité à la vapeur d’eau.d’élasticité, de perméabilité à la vapeur d’eau.

Ces qualités sont particulièrement adaptées à la réalisationd’enduits et de badigeons.

Exemples d’ usages de la chaux aérienne :

-Les finitions teintées.

- Les mortiers comprenant de la terre ou un sable terreux.

- Les travaux de finition lents (le mortier peut se conserver si onl'enferme dans un film plastique).

Situations à éviter :

- Les murs humides.

- Les sous couches devant recevoir une finition, à moins de couperla chaux aérienne avec une chaux hydraulique.

Exemples d’ usages de la chaux hydraulique :

- Enduire les supports forts (pierres dures).

- Les parties basses des murs exposés aux remontées d'humidité.

- Monter des murs en pierre.

- Maçonner des tuiles.

- Les mortiers rebattus (préparés à l'avance).- Les mortiers rebattus (préparés à l'avance).

Situations à éviter :

- Les chaux hydrauliques fortes sur les supports faibles. On utilisealors une NHL 2.

- Les supports en plâtre, à moins d'un avis du fabricant de chauxgarantissant l'absence de réaction avec le plâtre.

a_ Définition

Le mortier est le mélange d'un liant (ciment ou chaux) etd'agrégats (sable) avec de l'eau.

Il est utilisé en maçonnerie comme élément de liaison, descellement ou comme revêtement.

8. Mortiers

b_ Composition

Les mortiers sont constitués par des mélanges de:• liant (ciment ou chaux)• eau• sable• adjuvants

- Liants :

•les ciments normalisés (gris ou blanc);

•les ciments spéciaux (alumineux fondu, prompt, ..)

•les liants à maçonner;

•les chaux hydrauliques naturelles;

•les chaux éteintesles chaux éteintes

Le liant couramment utilisé est le ciment. Pour 1m3 de mortier, laquantité de ciment varie selon l'usage.

Trois types de BTC (Briques de Terre Comprimées) existent :

• BTC pour maçonnerie intérieure : dosage en ciment = 6 %

• BTC pour maçonnerie extérieure : dosage en ciment = 8 %

• BTC pour maçonnerie extérieure façade exposée: dosage en ciment = 12 %

- Sable :

Pour 1 m3 de mortier, il faut 1,2 m3 de sable. Le sable utilisé doitêtre exempt de terre et de matière végétale.

Les sables de bonne granulométrie doivent contenir des grainsfins, moyens et gros.

Ils peuvent être:

• naturels et roulés (de rivières, de sablières, ..), de nature• naturels et roulés (de rivières, de sablières, ..), de naturesiliceuse ou silico-calcaire;

• naturels concassés (roches de carrières), comme des basaltes,porphyres, quartzites. Ils sont anguleux et durs.

• spéciaux (lourds, réfractaires, légers): sable de laitier, sabled’oxydes de fer, de chromite; corindon, sable de briquesconcassés;,…

Le mélange de sable et de liant doit être homogène.

Pour le gâchage manuel, les dispositions suivantes doivent êtreobservées :

• Disposer d'une aire propre et à l’abris de la pluie si nécessaire,

• Mesurer le sable suivant le dosage prescrit, avec une brouetteou d'une caisse,

• Mélanger le sable et le liant (ciment) à sec dans les proportions• Mélanger le sable et le liant (ciment) à sec dans les proportionsdéfinies, au moyen de pelles ou d’une bétonnière. On ajouteensuite la quantité d'eau préalablement mesurée, et de façonprogressive, jusqu’à l'obtention de la plasticité recommandée.

- Adjuvants :

Sont des produits chimiques que l’on utilise dans le cas desbétons.

Modifient les propriétés des bétons et des mortiers auxquels ilssont ajoutés en faible proportion (environ de 5% du poids deciment).

Sont de différents types :Sont de différents types :

• les plastifiants (réducteurs d’eau)

• les entraîneurs d’air;

• les modificateurs de prise (retardateurs, accélérateurs);

• les hydrofuges.

c_ Emplois des mortiers

Une construction est généralement réalisée par éléments, dont ilfaut assurer la liaison et protéger par un revêtement. D’où le rôledu mortier.

• Les joints de maçonnerie : la construction réalisée entreéléments maçonnés (blocs de béton, pierres de taille, briques),éléments maçonnés (blocs de béton, pierres de taille, briques),nécessite leur assemblage avec un mortier• Les enduits:• Les chapes : assurent la mise à niveau du dallage et larégularité de sa surface.

a_ Définition

Le béton est devenu le symbole de la construction contemporaine

- Matériau de structure le plus utilisé au monde.

- Indispensable pour la construction des ouvrages (ponts, dalots,murs de soutènement), des bâtiments (poutres, chaînage,dallage), …

9. Béton

- Mélange en proportion convenable de liant (ciment, chaux),d'agrégats (graviers, sable) et d'eau.

b_ Fabrication du béton

Le béton de faible quantité peut être fabriqué manuellement àl'image des mortiers. Pour les grandes quantités, il est fait appel àl'emploi de bétonnière.

Les constituants du béton:

Préparation du béton:

Les différents constituants sont mesurés proportionnellement àla quantité de liant utilisé.

- Mélanger le sable et le ciment

- Ajouter ensuite le gravier nécessaire et brasser de nouveaujusqu'à l'obtention d'un mélange homogène.

- L'eau est ajoutée que progressivement jusqu'à l'obtention de la- L'eau est ajoutée que progressivement jusqu'à l'obtention de laplasticité souhaitée.

b_ Propriétés des bétons

Pour utiliser au mieux le béton, il faut bien connaître sespropriétés à l’état frais, alors qu’il est plastique et qu’on peut letravailler; et à l’état durci, alors que sa forme ne peut plus êtremodifiée mais que ses caractéristiques continuent à évoluerdurant de nombreux mois, voire des années.

Le béton fraisLe béton frais

-La propriété essentielle est son ouvrabilité, qui le rend apte àremplir n’importe quel volume, c-a-d l’aptitude d’un béton à remplirles coffrages et à enrober convenablement les armatures.

- Les facteurs influant sur l’ouvrabilité: type et dosage en ciment,forme des granulats, granulométrie, emploi d’adjuvants et dosageen eau.

Le béton durci

- Porosité : un facteur déterminant de la durabilité du béton durcicar elle influence la résistance , la carbonatation et la tenue

- Résistance mécanique à la compression : souvent recherchéepour le béton durci. Elle dépend en particulier du type et du dosagedu ciment, de la porosité du béton et du facteur E/C.

- Retrait hydraulique avant prise et en cours de prise : dû à un- Retrait hydraulique avant prise et en cours de prise : dû à undépart rapide d’une partie de l’eau de gâchage, par évaporation oupar absorption (coffrage, granulats poreux). Il provoque une fortecontraction de la pâte qui fait fissurer la surface externe.

- Retrait thermique : dû à des baisses rapides de T provenant:

* soit du ciment lui-même lors de son hydratation aux premiersâges, qui provoque une élévation de T, suivie de sonrefroidissement;

* soit des variations climatiques du milieu.

c_ Types de bétons

En fonction des besoins particuliers du chantier, des bétons auxpropriétés particulières peuvent être fabriqués et livrés.

• Bétons usuels armés ou non (gamme de résistance 20 à 40MPa).

• Bétons précontraints : pour réaliser des pièces fortementsollicitées à la flexion. Il s'agit de techniques qui consistent àsollicitées à la flexion. Il s'agit de techniques qui consistent àtendre (comme un ressorts) l’armature du béton, et donc àcomprimer, au repos, ce dernier.

• Bétons à Hautes Performances (BHP) (gamme de résistance 60à 100 MPa). Ils sont également plus durables, plus étanchesgrâce à une porosité très faible.

• Béton Auto-plaçant (BAP) : est très fluide et se met en placesans compactage ni vibration. Il remplit de lui-même les moindresinterstices.

• Bétons légers (800 à 2000 kg/m) pour la réhabilitation,l’isolation thermique et pour le gain de poids d’un ouvrage. Il estobtenu par ajout au béton, des granulats légers (polystyrène,ponce, granulat de bois, de schistes, argile expansé, …)permettant de réduire sa masse volumique.permettant de réduire sa masse volumique.

• Bétons lourds pour le confinement de matières radioactives.

• Bétons fibrés (métal, verre, synthétique) pour la réalisation deplaques minces et pour améliorer la tenue à la fissuration.

a_ Briques

Sont les produits céramiques, dont les matières premières sontdes argiles, avec ou sans additifs.

Leur forme est généralement parallélépipède rectangle.

Sont couramment utilisées dans la construction des bâtimentset des travaux publics.

10. Briques et blocs de béton

On distingue 3 types principaux :

Brique ordinaire

Brique poreuse

.

- Utilisation

Les briques servent à réaliser des :

- parements extérieurs ou intérieurs décoratifs,

- murs simples ou doubles enduits ou non,

- cloisons et colonnes en brique .

- Fabrication

Les briques sont obtenues par cuisson de certaines argiles à unetempérature de environ 1000°C.

L'oxyde de fer des argiles donne la coloration aux briques.

En général la fabrication des briques se compose des cinqopérations principales:

b_ Blocs de béton

Les blocs de béton non armé (pour mur et cloison), dont la formeest généralement parallélépipédiques.

Ils sont classés, selon l'importance de la surface des alvéoles, en :• blocs pleins sans alvéoles,• blocs perforés (section nette > 80% section brute),• blocs creux (section nette > 60% section brute).

Employés pour l'habitation, ils sont généralement enduits ouprotégés extérieurement, pour améliorer leurs caractéristiquesphysiques du mur (thermique, acoustique, feu), et pour rattraperles irrégularités de surface afin d'obtenir une surface plane.

- Fabrication

Les blocs de béton sont obtenus par pression ou bien par vibrationde mélange: ciment + sable + eau et granulat.

Pour obtenir les blocs de béton avec la dimension la plus précise,les moules utilisés sont métalliques pour avoir une stabilitésuffisante.

Après démoulage, les produits (blocs de béton) doivent êtreAprès démoulage, les produits (blocs de béton) doivent êtrestocker dans un endroit favorable (humidité ~ 95 %), où ilspeuvent prendre le durcissement.

En general les blocs de béton sont utilisés dans differents typesd'ouvrage surtout pour réaliser les murs et les cloisons debatiments

a_ Définition

Se distinguent :

- métaux ferreux (fer, fonte, acier)

- métaux non ferreux (Al, Zn, Cu, Pb)

- alliages (laiton, bronze, duralium, etc) .

Métaux ferreux:

11. Métaux

Métaux ferreux:

Se différencient par leur teneur en carbone qui influence leurrésistance mécanique.

•Fer : moins de 0,1 % de C

•Aciers doux : 0,1 à 0,3 % C = fers profilés

•Aciers mi durs : 0,3 à 0,35 % C = pièces de force

•Aciers durs : 0,35 à 2 % C = outils durs et tranchants

•Fonte : 2,5 à 6 % = moulage des tuyaux

Métaux non ferreux:

Cuivre

Extrait à partir de la chalcopyrite CuFeS2.

Métal rouge ou jaune (d = 8,9), malléable et ductile.

• S’oxyde à l’air libre (vert de gris),

• Bon conducteur d’électricité et chaleur,

• S’emploie en tuyauterie (eau chaude),

• En couverture (tôles de 0,1 à 0,5 mm d’épaisseur),

• En câble conducteur (électricité).

Etain

S’obtient à partir de la cassitérite (SnO2).

Métal blanc et mou (d = 7,3) qui ne s’emploie qu’avec d’autresmétaux: Sn et Cu donnent le bronze.

Préserve de l’oxydation.

Plomb

Métal lourd (d = 11,34) mou, malléable, obtenu à partir de lagalène, et utilisé en :

• tuyaux pour les canalisations d’eau et gaz,

• isolation phonique,

• protection contre les radiations.

ChromeChrome

Obtenu par la réduction de la chromite (FeCr204) par le charbondans un four électrique.

Utilisé comme constituant secondaire d’aciers ou comme placagesur les métaux ferreux.

Zinc

Obtenu à partir de la blende ZnS.

Métal gris, peu oxydable (d = 7,1).

S’emploie pour protéger les aciers (galvanisation), pour lescouvertures, les gouttières, ...

Aluminium

S’obtient par l’électrolyse de l’aluminium extraite de la bauxite.S’obtient par l’électrolyse de l’aluminium extraite de la bauxite.Métal blanc, léger (d = 2,7), ductile, malléable.

Utilisé pour les canalisations électriques, les couvertures, lesouvertures.

Alliages :

Aciers spéciaux

Alliage de fer et d’autres métaux :

• Aciers semi inoxydables (avec du cuivre)

• Aciers inoxydables avec : Cr+Ni, Cr+Ni+Ti, Cr+Ni+Zn

Cr augmente la résistance

Autres alliagesAutres alliages

Laiton : alliage de Cu et Zn,

Bronze : alliage de Cu et Sn,

Duralium : alliage de Al, Cu et Mn, (grande résistance sous faiblepoids),

Maillechort : alliage de Cu, Ni et Zn,

Alpax : alliage de Al et Si (se moule facilement).

B_ Usages dans la construction

Pour les structures autoporteuses et porteuses (poutrelles,charpentes métalliques, câbles, pieux, palplanches...),

Pour les armatures du béton armé.

Pour les habillages et les équipements (tôles et panneaux decouverture et de bardage, tuyaux, radiateurs, robinetterie,serrurerie, …),

Pour le matériel de chantier et l'outillage.

a_ Définition

Matériau utilisé depuis la plus haute antiquité,

Plâtre provient de la cuisson du gypse.

Gypse appartient à la famille des évaporites (rochessédimentaires les plus solubles dans l’eau).

12. Plâtre

b_ Fabrication

nécessite plusieurs étape :

1. Extraction du gypse à l’aide d’explosifs, quand il s’agit degisement à ciel ouvert : " des carrières ".

2. Acheminé depuis la carrière, le gypse subit un concassage, afinde réduire la dimension de ses grains.

3. A l’aide d’un tapis, le gypse est transporté vers le criblage, poursélectionner que les grains de diamètre inférieur à 40 mm.

4. Le gypse sélectionné est stocké en tas dans un local couvertavant d’être homogénéisé.

5. A l’aide de tapis, le gypse est conduit dans un four où il seraplacé dans un moulin, où à l’aide d’une vis sans fin il est broyé etécrasé (comme dans un moulin à café.).

Il sera cuit à 150°C. Après refroidissement à 60°C, il devient dusemi-hydrate (le gypse a perdu une molécule d’eau).

6. Stockage dans des silos.

c_ Propriétés générales du plâtre

• Le comportement au feu

- Excellent rempart contre le feu

- Utilisé comme « coupe-feu »

• L’isolation et le comportement acoustique• L’isolation et le comportement acoustique

- le plâtre améliore l’insonorisation

a_ Définition

Les matériaux de construction doivent remplir le rôle auquel ilssont destinés pendant un intervalle de temps raisonnablementlong.

On parle donc de la durabilité d'un matériau c.à.d. la vie utile d'unmatériau en place (en service).

La durabilité est directement liée à l’environnement immédiat ou

13. Durabilité des matériaux

La durabilité est directement liée à l’environnement immédiat oufutur des ouvrages.

Les influences externes sont: intempéries, agressivité des sols,atmosphères chimiquement agressives, …

a_ Définition

Agressions chimiques:• liquides : eaux polluées, eau de mer, eaux chargées en ions(sols),• solides : sels gypseux,• gazeuses : air pollué, CO2, O2, …

Liste d’agresseurs chimiques:• acides : carbonique, nitrique, formique, urique, lactique, …• bases alcalines : amines, KOH, NaOH, ...• alcools,• sels : chlorures, nitrates, sulfates, sulfures, ...• bactéries : champignons qui se nourrissent de chaux,• eau : peut se charger en ions.

Chimiques Physiques Mécaniques

Dégradations

b_ Interactions environnement/matériaux

• Carbonatation,• Corrosion,• Lixiviation,• Décalcification,• Action des Chlorures...

• Retrait et gonflement,• Dilatation thermique,• Fissurations, • Gel/dégel,• Décohésion dans la matrice,• Absorption d’eau, ....

• Phénomènes de Fatigue,• Baisse des perform. méca.,• Fluage,• Déformée (plasticité)....

Propriétés dumatériau

Interactionsmatériau/environnement

La prédiction du comportement d’un matériau exige uneconnaissance complète de ses propriétés, des processus quiinterviennent lors de l'interaction avec son environnement, et desfacteurs environnementaux à l'action desquels, il sera soumis.

matériau

Comportementin situ

Tests accélérés

(Facteurs deDurabilité)

matériau/environnement

Durabilité

c_ Quelques types de dégradations du matériau

c1. Corrosion

Principe de la Corrosion

- la couche passivante est détruite localement, là où la teneuren chlorure est très forte => dépassivation,

- la " rouille verte " se forme là où la passivation a disparu,

- la "rouille verte" se transforme en des oxydes(ou hydroxydes)poreux, si la teneur en oxygène est assez élevée.

Exemples de corrosion

c2. Carbonatation

c3. Gel/Dégel

Comment s'en prémunir

c4. Exemples d’altérations des matériaux

Le paramètre principal garantissant la durabilité du béton estsa compacité.

Un béton durable est un béton peu poreux. Les moyens d’yparvenir :

• Courbe granulométrique adaptée favorisant la compacité,

• Utilisation des adjuvants fluidifiant pour la défloculationdes grains fins,

• Ajout d’éléments très fins,

• Densification du béton par serrage (vibration),

• Teneur en eau minimale,

• Assurer la protection du béton pendant la prise et ledurcissement (cure du béton).

La qualité des granulats (peu poreux) et le choix d’un cimentadapté au milieu, viendront contribuer à garantir cettedurabilité.

L’objectif de ce cours est de savoir des connaissances sur :

- les matériaux utilisés en construction ainsi que les différentsconstituants employés pour leur fabrication,

- le principe de fabrication, les propriétés principales desmatériaux et les applications en fonction de leurs propriétés,

- la durabilité des matériaux de construction ainsi que leurdégradation en tenant compte des conditions environnementales.

14. Conclusions

dégradation en tenant compte des conditions environnementales.