OBJECTIFS DU COURS : École Hassania des Travaux Publics Cours : Matériaux de construction II (32 heures: 8  4h + 6 h TP : 3 2h ) Équipe enseignante : Pr. K. LAHLOU  OBJECTIFS DU COURS : Aborder les principaux matériaux de construction et spécialement les bétons hydrauliques et les aciers, à travers l'étude de leurs propriétés physico-chimiques et mécaniques tout en sensibilisant les futurs ingénieurs aux aspects technologique, économique et réglementaire. A l'issue de ce cours, les élèves-ingénieurs doivent être capables de : Décrire le comportement mécanique des matériaux étudiés. Choisir dans des cas simples un matériau et une mise en oeuvre adaptés à un ouvrage de génie civil. Évaluer les risques pathologiques et proposer des solutions dans des cas simples. Considérer des applications innovatrices qui bénéficient des retombés de la recherche appliquée dans le domaine. Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

PROGRAMME DU COURS : École Hassania des Travaux Publics Cours : Matériaux de construction II (32 heures: 8  4h + 6 h TP : 3 2h ) Équipe enseignante : Pr. K. LAHLOU  PROGRAMME DU COURS : Introduction générale : Rappels sur les notions vues en matériaux I (1ère année)   Partie 1 : BETONS HYDRAULIQUES Constituants, formulation, béton frais, béton durci, durabilité, bétons spéciaux Partie 2 : ACIERS Fabrication, propriétés mécaniques, corrosion, soudage Partie 3 : MATERIAUX DIVERS Les bois, les céramiques, les polymères, les métaux non ferreux Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

Projection de diaporama , didacticiels et films École Hassania des Travaux Publics Cours : Matériaux de construction II (32 heures: 8  4h + 6 h TP : 3 2h ) Équipe enseignante : Pr. K. LAHLOU  SUPPORTS DU COURS : Polycopiés Projection de diaporama , didacticiels et films Travaux pratiques et démonstrations au laboratoire LMS Visites techniques: cimenteries, Sonasid, usine de préfabrication, Chantiers de bétonnage ou autres selon disponibilité. MODALITES D’ EVALUATION : Contrôles surveillés 40% Compte-rendus des TP 25% Travaux à rendre 20% Participation au cours 15% Compte-rendus des visites 10% Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

PLANNING PREVISIONNEL DE REALISATION DU COURS Sem Date CONTENU TRAVAUX 1 Introduction Formulation du béton 4 Comportement instantané du béton durci TP2 Gr1 Lundi 09 Octobre 06 : remise DL formulation 5 Comportement différé du béton durci TP2 Gr2 6 Durabilité du béton TP2 Gr1/2 7 Durabilité du béton 2 TP2 Gr2/2 Merc 08 Novembre 06 : Contrôle 1 (30 à 45 min) 8 Fabrication acier, métallurgie et traitement thermique Confection éprouvettes CONCOURS ? 11 Bois, céramiques et polymères FIN DU COURS 12 Essais, Proclamation gagnants du concours et remise prix ? Jeudi 14 Décembre 06 : Contrôle2 (30 à 45 min) Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

Bibliographie et Webographie (voir liste) Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

FORMULATION DU BETON Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

Trouver les proportions d’un mélange ayant des propriétés précises FORMULATION DU BETON OBJECTIFS Trouver les proportions d’un mélange ayant des propriétés précises à moindre coût Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

SQUELETTE GRANULAIRE INERTE (Ciment + Eau + Adjuvant + Ajout minéral) FORMULATION DU BETON BETON = SQUELETTE GRANULAIRE INERTE (Sable + Gravier + air) + PATE LIANTE (Ciment + Eau + Adjuvant + Ajout minéral) Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

FORMULATION DU BETON PRINCIPES DE FORMULATION 1° Principe : Compromis entre maniabilité et résistance Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

FORMULATION DU BETON PRINCIPES DE FORMULATION 1° Principe : Compromis entre maniabilité et résistance 2° Principe : Minimiser la porosité (Augmenter la compacité) Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

Maniabilité  pâte = E + C FORMULATION DU BETON CONTRAINTES Maniabilité  pâte = E + C Résistance  rapport E/C (ou E/Liant) Compacité optimale  Dmax , granulométrie, % fines Remplissage  Vi = 1 m3 Durabilité  E/Lmax , Cmin , A/(A+C)max , % amin , type C Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

FORMULATION DU BETON QUESTIONS 1-Quelles sont les attentes du maître-d’œuvre ? (Architecte, BET, Entreprise des travaux, client privé, Administration,...) 2-Quelles sont les documents normatifs contractuels ? 3-Quel est l’environnement de l’ouvrage (durabilité) ? Quelles sont les conditions climatiques de la mise en œuvre ? données climatiques données hydrologiques données sur l’agressivité de l’environnement 4-Quelles sont les valeurs des caractéristiques imposées par la note de calcul ? fc28, fc3j, E, er, DTmax, r, ..... 5-Quelles sont les méthodes constructives et les moyens prévus sur le chantier ? (type coffrage, méthode bétonnage, moyens de production de transport et de manutention...) Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

PROPORTIONS TYPES EN VOLUME FORMULATION DU BETON PROPORTIONS TYPES EN VOLUME Granulats : 60 - 78% Eau : 14 - 22% Air : 1 - 6% Ciment : 7 - 14% Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

IMPORTANT FORMULATION DU BETON Les méthodes analytiques ne permettent que de DEGROSSIR la composition des bétons ordinaires. Une ou plusieurs gâchées expérimentales sont toujours nécessaires pour ajuster la formulation. L’expérience passée permet de minimiser les ‘‘tâtonnements’’. Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

Données principales de l’étude FORMULATION DU BETON Données principales de l’étude Épaisseur mini des coffrages et disposition des armatures Granulats: Nature (roulés, concassés, siliceux, calcaires,...) qualité, propreté densités, absorptions courbes granulométriques Résistance moyenne visée : (tenir compte des dispersions) fc  fck + 5 MPa si fck  25 MPa fc  fck + 6 MPa si fck > 25 MPa Classe vraie du ciment fmj Maniabilité visée (affaissement) ou serrage disponible Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

METHODE PRATIQUE FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 0 : Dimension maximale des granulats Usage Disponibilités sur le marché Limites à observer Voir exemple polycopié Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 1 : Dosage en eau L'eau efficace E = eau introduite dans la bétonnière + eau totale apportée par les granulats, adjuvants,... - eau absorbée dans les pores des granulats Adjuvant Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

E= 180 l /m3 introduit dans la bétonnière Ex 1 : Pour 1 m3 de béton: E= 180 l /m3 introduit dans la bétonnière S=720 Kg /m3 (w= 6% , Abs = 1.2% ) G= 1100 Kg /m3 (w= 3% , Abs = 0.8% ) Ad= 5 l /m3 ( extrait sec massique 40% , densité 1.22 ) Eau efficace E = ? Eff = 180 +720 * 0.06 + 1100 * 0.03 +5 * 1.22 * 0.6 -720 * 0.012 – 1100 * 0.008 = 242 l /m3 donc + 62 litres d’eau /m3 de béton Attention : Résistance porosité Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

Affaissement au cône (cm) FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 1 : Dosage en eau Tableau 1 - Relations entre consistance cible, demande en eau et teneur en air Cas d’un béton non adjuvanté avec granulats roulés (D = 20 mm), supposé bien dosé en fines et possédant une courbe granulométrique optimisée, à une température ambiante proche de 20°C. 25 20 15 160 190 210 0 - 4 5 – 9 10 - 15 Ferme (F) Plastique (P) Très plastique (TP) Air (a) (l/m3) Eau (E) Affaissement au cône (cm) Consistance Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 1 : Dosage en eau 1° correction Tableau 2 - Coefficient multiplicateur de E et a lorsque D varie D (mm) 4 8 16 20 25 40 80 1,35 1,18 1,05 1,00 0,95 0,87 0,78 Coefficient multiplicateur 2° correction Granulats concassés  majorer E et a de 10 à 15% Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 1 : Dosage en eau 3° correction Tableau 3 - Coefficient multiplicateur de E lorsque la température du béton frais varie Température (°C) 5 10 15 20 25 30 35 0,94 0,96 0,98 1,00 1,04 1,08 1,12 Coefficient multiplicateur 4° correction si délai > 30 min  viser classe de maniabilité supérieure 5° correction si un Adjuvant est utilisé: Réducteur d'eau - Plastifiant : - 5% d'Eau ou plus Superplastifiant : - 12% d'Eau ou plus Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

Ex 2 : On veut livrer un béton très plastique à 15°C qui sera mis en place après 1 heure avec des granulats concassés D=25mm et un plastifiant (- 6% d’eau ) E= 210 * 0.95 * 1.10 * 0.98 * 0.94 = 202 l a= 20 * 0.95 * 1.10 = 20.9 l Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 2 : Dosage en Liant fcj = fmj kb C + k A [ E + a ] - 0,5 D’après BOLOMEY modifiée: fcj : résistance cible du béton à j jours fmj : résistance du ciment à j jours kb : coefficient granulaire (voir tableau 4 ) a : volume d'air exprimé en masse du volume équivalent d'eau C, E : dosage en Ciment et en Eau A : dosage de l'Ajout minéral k : coefficient d'équivalence de l'Ajout - pour les cendres volantes k = 0,4 à 0,6 - pour les fillers calcaires k = 0,25 - pour les fumées de silice k = 1 à 2 Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

Nature pétrographique des granulats FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 2 : Dosage en Liant Tableau 4- Valeurs estimées de kb Nature pétrographique des granulats D (mm) 10 à16 20 à 25 30 à 40 Siliceux, légèrement altérés 0,45 0,50 0,55 Siliceux, roulés 0,60 Calcaires, durs 0,65 Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

Kv 0,87 0,90 0,93 FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 2 : Dosage en Liant La valeur E+a peut être mise sous la forme E/Kv : Tableau 5 - Valeurs estimées de Kv en fonction de la consistance du béton Consistance Ferme Plastique Très Plastique Kv 0,87 0,90 0,93 Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

E + a = 190 + 20 = 210 (à peu près égal 190/0.90) Kb = 0.55 Ex 3 : Estimer la résistance en compression fC28 d’un béton de consistance plastique dosé à 300 kg/m3 de CPA 45 (fm28 = 55 MPa ) et 66 kg/m3 de cendres volantes (K= 0.5) avec des granulats siliceux roulés ( D= 20mm) C + k A = 300 + 0.5 x 66 = 333 kg/m3 E + a = 190 + 20 = 210 (à peu près égal 190/0.90) Kb = 0.55 fC28 = 55 x 0.55 (333/210 – 0.5 ) = 32.8 = 33 MPa Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

Avec addition de plastifiant (-5% d’eau) E= 180 l /m3 Ex 4 : Mêmes données que Ex3 mais on demande les dosages en C et CV ( 20% du liant ) pour obtenir une résistance caractéristique du béton fCK = 40MPa fC = fCK + 6 = 46 MPa A = 0.2 L et C = 0.8 L 46 0.8L + 0.5 (0.2L) Donc + 0.5 = = 0.81 L/E 55*0.55 E/0.90 E/L = 0.40 Avec E = 190 l /m3 , L = 475 kg/m3 C = 380 kg/m3 et CV = 95 kg/m3 Avec addition de plastifiant (-5% d’eau) E= 180 l /m3 C = 360 kg/m3 et CV = 90 kg/m3 Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

Avec meilleure rhéologie et compacité Coût : -20 kg de C -14 DH -5 kg de CV -1.75 DH +2 l plastifiant +6 DH - 9.75 DH /m3 Avec meilleure rhéologie et compacité Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 3 : Granularité optimale du squelette granulaire Courbe granulaire de référence O A B Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 3 : Granularité optimale du squelette granulaire Courbe granulaire de référence Coordonnées du point de brisure A:   abscisse : X = D/2 pour D  25 sinon milieu géométrique [5mm,D] ordonnée : Y = 50 - D 1/2 + termes correctifs Termes correctifs de YA: majoration de 3% pour les granulats concassés majoration de 5% pour les bétons armés où le ferraillage  80 kg/ m3 majoration de 10% pour les bétons pompés ou les bétons armés où le ferraillage > 80 kg/ m3 Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 4 : Dosage des granulats Construction géométrique à partir des courbes granulaires  % en volumes absolus de chacun des granulats: s% et g% A B g% s% Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 4 : Dosage des granulats Construction géométrique à partir des courbes granulaires  % en volumes absolus de chacun des granulats: s% et g% Volume absolu de l'ensemble des granulats:   V = VG + VS = 1000 - (C/3,10 + E + a) D'où : S = V  s%  ms G = V  g%  mg mg et ms étant les densités spécifiques du gravier et du sable respectivement Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

Vfines optimal (en l/m3 de béton) = (D en mm) 220 D 0,2 FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 5 : Vérification du dosage optimal en fines (< 63mm)  porosité minimale D'après Caquot et Faury: Vfines optimal (en l/m3 de béton) = (D en mm) 220 D 0,2 Vfines = C/mC + F/mF + A/mA C: dosage en ciment de densité mC F: dosage en fines des granulats de densité mF A: dosage en ajout minéral de densité mA Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 5 : Vérification du dosage optimal en fines (< 63mm)  porosité minimale Tableau 6- Volume optimal de fines, en l/m3, pour différentes valeurs de D D (mm) 8 16 20 25 40 80 Volume optimal 145 125 120 115 105 90 Valeur plancher pour éviter les risques de ségrégation 110 100 75 Valeur plafond pour un beau parement 165 140 135 130 Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 5 : Vérification du dosage optimal en fines (< 63mm) Tableau 7- Masses volumiques des fines à utiliser pour convertir les dosages massiques (kg/m3) en dosages volumiques ( l/m3) Fines CPA-CEM I CPJ-CEM II Calcaire * Cendres volantes * Laitier vitrifié * Fumées de silice ** Masse volumique (kg/m3) 3150 3070 3000 3100 3060 * Valeur calculée pour une proposition de 17% de ce constituant mais conduisant à un ordre de grandeur correct de la masse volumique pour tous les CPJ-CEM II. ** Valeur calculée pour 10% de fumées de silice (maximum toléré par la norme) Fines Cendres volantes siliceuses Laitier vitrifié Fumées de silice calcaires siliceuses Masse volumique (kg/m3) 2700 2650 2200 2850 (2700-3000) 2250 (2100-2400) Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

plasticité (demande en E , visqueux) C’est trop Pbs retrait … Ex 5 : Un béton (D=20) dosé à 350 kg/m3 de CPJ45 renferme 700 kg/m3 de sable siliceux contenant 3% de fines 63mm. Des cendres volantes sont ajoutées à raison de 50 kg/m3 350 700 x 0.03 50 Vfines = + + = 145 l /m3 3.07 2.65 2.2 plasticité (demande en E , visqueux) C’est trop Pbs retrait … Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 6 : Respect des spécifications et des valeurs limites Exemple: Durabilité des Bétons Prêts à l'Emploi (BPE) Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 6 : Respect des spécifications et des valeurs limites Exemple: Durabilité des Bétons Prêts à l'Emploi (BPE) 5 classes d’environnements avec des sous-classes Spécifications particulières (voir poly) Ex: pour un environnement 4a2 : Eeff/(C+kA) < 0,5 CV/(CV+C) < 0,15 C > 350 kg / m3 Ciment PM Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 6 : Respect des spécifications et des valeurs limites Exemple: Durabilité des Bétons Prêts à l'Emploi (BPE) SEC 1   HUMIDE 2a 2b1 2b2 sans gel ou gel faible gel modéré gel sévère GEL + SELS 3 gel + sels MARIN 4b1 4b2 4b immergé zone de marnage et d'embruns mer + gel CHIMIQUE 5a 5b 5c faible moyen fort Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

Courbe de référence : x = D/2 = 7mm y = 50 - 14 + 3 = 49% Béton dosé à 330 kg/m3 de ciment CPA55 de consistance plastique, élaboré à partir de deux granulats calcaires concassés (d = 2.7) : Sable 0/6 et Gravillon 6/14 . Un parement soigné est souhaité. Courbe de référence : x = D/2 = 7mm y = 50 - 14 + 3 = 49% Courbe s = 46% g = 54% V= 1000 - - (210 x 1.05 x 1.10) = 653 l S= 653 x 0.46 x 2.7 = 811 kg/m3 = 810 kg/m3 G= 653 x 0.54 x 2.7 = 952 kg/m3 = 950 kg/m3 Vfines = 105 + 653 x 0.46 x 0.08 = 129 l/m3 OK 330 3.15 Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 7 : Essais d'étude – corrections : AU LABORATOIRE ! Ajustement de l'ouvrabilité Ajustement de la formule au m3 Ajustement de la résistance Ajustement de E pour tenir compte de la teneur en eau des granulats Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU

Devoir libre en formulation du béton à rendre impérativement avant le Lundi 09 Octobre, délais de rigueur Procéder à la formulation d’un béton suivant la méthode exposée au cours à partir des données et des exigences consignées dans le tableau et les courbes granulométriques ci-joints. Le rapport doit comprendre dans l’ordre : rappel des données et des exigences de la formulation note de calcul et vérifications avec justification du choix du ciment (étapes résumées) composition granulaire (tracée sur EXCEL sous format normalisé) formule finale complète (en kg/m3) yc coût estimatif du m3 Accorder un soin particulier à la présentation qui comptera pour 20% (maximum 3 pages) Cours de matériaux de construction , Pr. K. LAHLOU