COURS MATERIAUX DE CONSTRUCTION Réalisé par Mme GAHER

Caractérisation des matériaux de génie civil par les essais de laboratoire Auteur(s) : Raymond Dupain, Raymond Lanchon, Jean-Claude Saint-Arroman Nouveau guide du béton et de ses constituants Auteur(s) : G. Dreux, Jean Festa

GÉNIE CIVIL Art et techniques de conception dans le domaine de la construction et d’exécution Celles améliorant leur vie Celles abritant des personnes ou des biens Maison individuelle Immeubles à usage d’habitations, à usage commercial Bâtiments scolaires, sportifs, Bureaux, usines Entrepôts, Magasin (constructions industrielles) Voies de Communications (Routes, Autoroutes, Voies ferré) Ouvrages d’art (Ponts, Tunnels, trémies, Barrages, digues, château d’eau, Centrales nucléaires, centrale électrique, Ports & Aéroports ) Réseaux (Ouvrages d'adduction en eau potable) Ouvrages d'assainissement (eaux pluviales, eaux usées), Égouts, stations d'épurations) B.T.P H. (BÂTIMENT, TRAVAUX PUBLICS et HYDRAULIQUE)

Burdj Dubaï (808 m) la ville de Chicago

Réseau autoroutier (Los Angeles) Tunnel sous la Manche

AÉRODROME Barrage de Taksebt - Tizi Ouzou

OBJECTIFS Connaître les différents types de matériaux de construction Renforcer la compréhension nécessaire concernant les propriétés principales des matériaux de construction et leurs domaines d’emploi les plus efficaces Connaître la nature, le principe de fabrication et les applications en fonction de leurs comportements Pouvoir effectuer les différents essais sur les matériaux de construction Améliorer les propriétés mécaniques des matériaux de construction 9

L'ensemble du travail d'un ingénieur civil repose sur deux concepts clés : l'évaluation des charges et la résistance des matériaux. En fait, l'objectif premier est de combiner un ensemble de matériaux afin de résister à des charges pour accomplir une fonction principale

LE DÉROULEMENT D’UNE AFFAIRE DANS LE BTP

Première phase : client et architecte 1. L’idée, le besoin terrain à bâtir PHYSIQUE (Particulier) MORALE (Organisation) Maître d’Ouvrage le financement Exemple OPGI (Office de la Promotion et de la Gestion de l’Immobilier), AADL (Agence d’Amélioration et du Développent du Logement), ENPI (ex EPLF ,Entreprise Nationale de la Promotion Immobilière),ONA (Office National d’Assainissement), ANBT (Agence Nationale des Barrages et Transfert), ANA (Agence Nationale des Autoroutes), EMA (Entreprise Métro d’Alger)

2. Définition du Projet L’étude financière L’étude technique LE MAÎTRE D’OUVRAGE doit faire appel à un professionnel pour concrétiser son projet  L’étude financière réalise Le MAÎTRE D’ŒUVRE (Architecte) L’étude technique Permis de construire – appel d’offre

Remise de l’offre : adjudication- choix des entreprises Deuxième phase : Consultation des Entreprises, lancement de l’appel d’offres et passation du marché Étude technique préparatoire à la soumission étudient l’offre étude des procédés et méthodes de réalisation Des avant métrés détaillés (quantité de matériaux …) LES ENTREPRISES Étude de prix (métreurs, service financier) Remise de l’offre : adjudication- choix des entreprises Troisième phase : exécution de la commande Préparation et organisation du chantier Entreprises Réalisation des travaux Exemples : groupe COSIDER, ENGOA, SAPTA, groupe hydrotechnique, génie SIDER, groupe ETRHB, COJAAL, CITIC / ERCC.

Assemblage, mise en forme Matériaux de mise en œuvre L’ACTE DE Construire Matériel Assemblage, mise en forme Matériaux de construction Matériaux de mise en œuvre Main d’œuvre Énergie

Matériaux de mise en œuvre base naturels Matériaux de base artificiels Matériaux de construction Matériels Matériaux de mise en œuvre Main d’œuvre Énergie Profilé métal Acier HA Fer Carbone Brique Argile Ciment Calcaire Bloc béton Sable Béton Gravier Eau Bois Bois 17

Matériaux de mise en œuvre Matériaux de base Matériaux de mise en œuvre Matériaux de construction Matériels Clous Visses Talonnettes Écarteurs Cales Huile de coffrage Bois Métal Main d’œuvre Boulons, écrous, rondelles Plastique Huile d’hydrocarbure Énergie Sable Ciment Eau Mortier

Fonctions des Matériaux de Construction Echanges avec l'extérieur Mécanique Echanges avec l'extérieur stabilité pour ne pas s’effondrer résistance aux sollicitations durabilité éviter la pénétration de pluie, de neige, de vent (étanchéité) isolation thermique et phonique

CLASSIFICATION matériaux de protection matériaux de résistance Le gros œuvre Le second œuvre Ce sont les matériaux qui ont la propriété de résister contre des forces importantes: Pierres, Terres cuites, Bois, Béton, Métaux, Ce sont les matériaux qui ont la propriété d'enrober et protéger les matériaux de construction principaux: Enduits, Peintures, Bitumes

Propriétés des matériaux de construction La connaissance des propriétés des matériaux permet de prévoir leur capacité à résister sous des conditions diverses. Propriétés physiques: (la dimension; la densité; la masse volumique de différentes conditions; la porosité; l'humidité etc..), Propriétés physico-chimiques:(l'absorption, la perméabilité, le retrait et le gonflement ) Propriétés thermiques: (la dilatation, la résistance thermique et le comportement au feu, etc..) Propriétés mécaniques: (la résistance en compression, en traction, en torsion etc..) Propriétés chimiques: (résistance à la corrosion, aux acides,…)

Les propriétés physiques

MULTIPLES ET SOUS-MULTIPLES Facteur préfixe Symbole 10 = 101 déca da 100 = 102 hecto h 1000 = 103 kilo k 106 méga M 109 giga G SOUS-MULTIPLES Facteur préfixe Symbole 0,1 = 10-1 déci d 0,01 = 10-2 centi c 0,001 = 10-3 milli m 10-6 micro µ 10-9 nano n

1g/cm3 = 1kg/dm3 = 1t/m3 1. La masse volumique ρ   Résultat du rapport de la masse d’un matériau ( après passage à l’étuve à 105 ± 5 °C ) / volume du matériau. 1g/cm3 = 1kg/dm3 = 1t/m3

Rappels : Unités de volume et de masse . Un volume se mesure en mètre cube m3 ou en litres L 1 m3 = 1000 L 1 dm3 = 1 L 1 cm3 = 1 mL 1 L = 1000 mL Une masse se mesure en kilogrammes Kg 1 Kg = 1000 g 1 g = 0.001 Kg 1g = 1000 mg 1 T = 1000 Kg

1.1. La masse volumique en vrac ρ3 Volume total La masse volumique en vrac d'un matériau est la masse volumique d'un mètre cube du matériau pris en tas, comprenant à la fois des vides perméables et imperméables de la particule (vides intragranulaires) ainsi que les vides entre particules (vides intergranulaires). Pour les matériaux usuels de construction (sable, graviers, etc.) cette masse volumique varie entre 1.4 et 1.6 g/cm3

V3 = VS + Vpores intra + Vpores inter ρ3 = M / V3 V3 = VS + Vpores intra + Vpores inter Remarque La masse volumique en vrac d'un matériau est fortement influencée par la composition granulométrique, la forme des grains, le degré de tassement (compacté ou non compacté)

ρ2 = Ms / V2 1.2. La masse volumique apparente ρ2 V2 = Vabs + Vpores intra les échantillons étudiés doivent être enrobés de paraffine afin d'être protégés de la pénétration de l’eau MS : Masse sèche d’échantillon (g) MS+P : Masse sèche d’échantillon après enrobage avec de la paraffine (g) MP= MS+P - MS V2 = ∆V– Vp Vp = MP / ρp (ρp = 0.98 g/cm3) ρ2 = Ms / V2

ρabs= M/Vabs V3 > V2 > V1 . ρ1 > ρ2 > ρ3 . 1.3. La masse volumique absolue ρ1 La masse volumique absolue ρabs est la masse par unité de volume de la matière pleine qui constitue le granulat, sans tenir compte des vides pouvant exister dans ou entre des grains. ρabs= M/Vabs pycnomètre V3 > V2 > V1 . ρ1 > ρ2 > ρ3 .

ρ1(kg/l) ρ2 (kg/l) ρ3(kg/l) Masses volumiques réelle, apparente et en vrac de divers matériaux de construction Matériaux ρ1(kg/l) ρ2 (kg/l) ρ3(kg/l) Acier 7.8 – 7.9 Basalte 2.9 – 3.2 2.8 – 3.05 1.5 – 1.8 Calcaire 2.5– 2.7 2.4 – 2.7 1.1 – 1.7 Ciment 2.9 – 3.3 1 – 1.8 Sable 2.6 – 2.7 1.45 – 1.7 Béton 1.8 – 3.0 0.4 – 2.6 Verre 2.5 – 2.9 0.1 – 2.4 Matière plastique 0.9 – 2.2 0.01 – 2.2 Bois 1.5 – 1.6 0.1 – 1.3 0.2 – 0.3 Argile expansé 2.5 – 2.8 0.8 – 1.2 0.4 – 1.2 Chaux 2.2 – 2.3 0.5 – 0.75 Plâtre 2.3 – 2.7 1.1 – 1.2

EXERCICE Des essais d’identification réalisés sur une pierre cubique d’une arrête de 15 cm et une masse sèche M = de 8,2 kg, ont donnés les résultats suivants : Après usure par abrasion, la hauteur de l’éprouvette rectangulaire à diminuer de 5 cm et la poudre issue de cette abrasion occupe un volume de 1020 cm3 Une masse de 7 kg occupe un volume en vrac de 4 dm3 ; CORRECTION 1. La masse volumique absolue ρ3 2. La masse volumique absolue ρ2

Mf = 5.47 kg ρ1 = 2.68 kg/l 3. La masse volumique absolue ρ1 15 cm Cube après abrasion Mf = 5.47 kg Mp = Mi – Mf = 8.2 – 5.47 = 2.73 kg ρ1 = 2.68 kg/l

2. LA POROSITÉ  Les pores sont des vides contenus dans les matériaux, leurs formes peuvent être sphérique, cylindrique ou quelconque. Ces vides sont soit remplis d’air ou d’eau, la structure des pores peut être différente, on distingue : Des pores fermés sans communication entre eux, sans pouvoir d’absorption capillaires Pores ouverts Pores fermés Matière solide Des pores ouverts reliés entre eux par des capillaires communiquant avec l’extérieur Les matériaux denses sont utilisés pour les construction qui résistent à l’eau (imperméable), tandis que les matériaux poreux assurent un bon isolement thermique et phonique

Lorsque des granulats présentent une porosité ouverte importante, l’eau pénètre dans les pores et entraine des conséquences nuisibles pour la qualité du béton réalisé Le béton est gélif , c’est-à-dire que le granulat est vulnérable vis-à-vis du gel car l’eau absorbée provoque en gelant des pression qui peuvent le fissurer et le faire éclater Une porosité élevée des granulats est défavorable pour la durabilité des bétons car elle facilite la pénétration des eaux chargées d’agents agressifs

La porosité des granulats nuit au maintien de la maniabilité du béton frais, car une partie de l’eau de gâchage se trouve absorbée après malaxage

Porosité intragranulaire Porosité intergranulaire Porosité totale

Porosité intragranulaire Porosité intergranulaire Porosité totale

3. COMPACITÉ La recherche d’une compacité maximale pour les granulats est extrêmement importante ; en effet plus les granulats présentent un minimum de vides et plus le mortier ou le béton sera résistant, imperméable, et durable La compacité est le rapport du volume des pleins au volume total.

C + Pintra =1 POROSITÉ ET COMPACITÉ La porosité et la compacité sont liées par la relation C + Pintra =1

Porosité , compacité et indice des vides INDICE DES VIDES I le rapport du volume de vide au volume de la matière solide Porosité , compacité et indice des vides I × C P intra = I × C

V2 = V1( 1+ I) I = (ρ1 / ρ2 -1) EXERCICE Trouver la relation exprimant le volume apparent en fonction du volume absolu et l’indice des vide V2 = V1( 1+ I) Déduire la relation exprimant l’indice des vide en fonction de la masse volumique absolue et la masse volumique apparente I = (ρ1 / ρ2 -1)

Exercice 1. Établir la relation donnant la porosité en fonction de l’indice des vides 2. Une pierre à bâtir se caractérise par un indice des vides de 19.78% Calculer sa porosité

AN I = 19.78 % P = 16.51%

Le rapport entre la masse d’eau et la masse des grains solides La teneur en eau Le rapport entre la masse d’eau et la masse des grains solides ω = Meau / Msèche

Différence de masse = masse de l’eau Détermination Granulats humides Granulats secs 105 °C Peser le granulat dans son état Le sécher dans l’étuve à 105 °C Différence de masse = masse de l’eau

La masse volumique apparente humide ρh C’est le rapport entre la masse totale du matériau humide et le volume apparent total

Établir la relation donnant la masse volumique apparente sèche en fonction de la masse volumique apparente humide, et de la teneur en eau.

les matériaux absorbants de l’eau, ont une résistance diminuée Le degré de saturation Sr La résistance mécanique des matériaux dépend de plusieurs facteurs. Un des plus importants facteurs influençant la résistance est le degré de saturation. Il joue un grand rôle dans les phénomènes de destruction des matériaux poreux par le gel les matériaux absorbants de l’eau, ont une résistance diminuée

Matériau humide 0 < Sr < 1 Le degré de saturation c’est le pourcentage du volume des vides qui sont remplis d’eau Matériau sec Sr = 0 (Ve = 0 ) Matériau saturé (tous les vides du corps sont remplis d’eau) Sr = 1 (Vv = Ve ) Matériau humide 0 < Sr < 1

EXERCICE Un échantillon de gravier à l'état sec a une masse de 0.001950 t et un volume total apparent V2= 1.500 dm3 à l'état saturé, sa masse est de 2120 g 1. calculer la porosité 2. calculer son indice des vides 3. calculer sa masse volumique absolue

L’HUMIDITÉ L’humidité est une des propriétés importante des matériaux de construction. Elle représente la source principale de détérioration dans le bâtiment Décollement des revêtements Effritement et émiettement des enduits Ramollissement des matériaux Gonflement et gauchissement du bois Corrosion des aciers

L’HYGROSCOPICITÉ La capacité que possède un matériau pour absorber les vapeurs d’eau contenues dans le milieu ambiant Elle est influencée par La nature et la structure de la matière La porosité (structure, nombre et diamètre de pores)

Les matières hydrophiles ou hygroscopiques Un matériau ayant une affinité avec l’eau, et favorise sa condensation, il attire les molécules d’eau à la surface Le bois, les liants aériens Les matières hydrophobes ou hydrofuges Un matériau est dit hydrophobe quand il repousse l'eau Les métaux, le verre, les matières plastiques

LA CAPACITÉ D’ABSORPTION D’EAU Am et Av C’est la pouvoir d’un matériau d’absorber et de retenir l’eau, elle se caractérise par la quantité d’eau absorbée par un matériau sec immergé dans l’eau et s’exprime en % de la masse (capacité d’absorption massique Am) ou % du volume (capacité d’absorption du volume volumique Av) La capacité d’absorption d’eau dépend de La nature de la matière et son pouvoir hydrophile La structure et dimensions des pores

Mode de mesure de la capacité d’absorption d’eau La détermination de cette caractéristique consiste en des mesures d’absorption d’eau à la pression atmosphérique normale Le corps d’épreuve est posé dans un bac, on ajoute de l’eau jusqu’à l’immersion complète, le niveau d’eau est augmenté au fur et à mesure de manière à ce que l’air puisse s’échapper des pores. On mesure ensuite l’accroissement du poids du corps d’épreuve jusqu’à la saturation en eau Mode de mesure de la capacité d’absorption d’eau Si la porosité du matériau est importante, l’absorption de l’eau est plus grande, mais l’absorption est toujours inférieure à la porosité du matériau. car une partie des pores est fermée, sans communication entre eux, ni avec le milieu ambiant et donc inaccessible à l’eau Une comparaison entre la porosité et la capacité d’absorption permet de conclure quant à la nature des pores

Coefficient d’absorption d’eau (Am) Définition

Coefficient d’absorption d’eau (Am) Signification de Am Am= le volume d’eau des pores accessibles à l’eau Am pénétration de l’eau durabilité - Am des granulats naturel est faible n’absorbent pas d’eau pendant le malaxage Am des granulats légers est important absorbent de l’eau : perte d’affaissement Prémouillage des granulat avant le malaxage

Sr = 1 La capacité d’absorption massique Am le rapport de la différence entre la masse du matériau saturé d’eau M2 et la masse du matériau à l’état sec M1 Sr = 1 La capacité d’absorption volumique Av Vm : Volume du matériau sec m la masse volumique du matériau sec Veau : Volume d’eau eau la masse volumique de l’eau eau = 1 kg/l Av est toujours inférieure à 100%, mais Am des matériaux extrêmement poreux peut dépasser 100%

Exercice Calculer la capacité d’absorption de l’eau Am et Av pour un bois vert après l’abattage Pour un cube de 10 cm d’arête on a pesé A l’état sec après séchage jusqu’à 0% d’humidité 630 g A l’état saturé d’eau 1290 g CORRECTION

Coefficient de ramollissement Pour connaître la diminution de la résistance des matériaux en présence d’eau, on utilise le coefficient de ramollissement Kram qui est Le rapport entre la résistance à la compression d’un matériau saturé Rsat à la résistance à la compression à l’état sec Rsec Rsat : Résistance à la compression du matériau saturé d’eau (en MPa) Rsec : Résistance à la compression du matériau sec (en MPa)

La valeur du coefficient de ramollissement caractérise la résistance à l’eau des matériaux il varie de 0 à 1 exemples : Argile → Kram= 0 (capacité d’absorption élevée) Métaux et verre → Kram= 1 ( matériaux non poreux, hydrophobes) pour les ouvrages soumis aux intempéries et situés dans des régions de forte humidité, on exige d’utiliser des matériaux dont le Kram est supérieur à 0.8

(éprouvette cubique d’arête Ø =16 cm et de hauteur H = 32 cm) Exercice Des essais mécaniques réalisés sur deux variétés de bétons A et B sont résumés dans le tableau suivant :   Béton A (éprouvette cubique d’arête a =14 cm ) Béton B (éprouvette cylindrique de diamètre Ø =16 cm et de hauteur H = 32 cm) Force de rupture (KN) Contrainte de rupture (KN/cm²) A l’état sec 2,7 – 2,3 -2,5 482 - 488- 494 A l’état saturé 420 - 416 - 424 - 1,4 – 1,1 – 1,7 Quel est le béton le plus résistant aux intempéries?

La résistance au gel Parmi les actions susceptibles de provoquer des dégradations aux ouvrages ou aux revêtements en béton, le gel peut constituer un facteur particulièrement actif, surtout lorsque les cycles de gel et de dégel s’alternent rapidement. Le risque de désordres est d’autant plus élevé que le degré de saturation en eau du béton est important. C’est le cas notamment des parties d’ouvrages non protégées des intempéries. La résistance au gel d’un matériau saturé d’eau est le pouvoir à supporter la congélation et le dégel alternatifs sans aucun signe de destruction ni pertes de résistance mécanique

Coefficient de résistance au gel C’est le rapport de la résistance mécanique après l’essai de résistance au gel(Rrg) à la résistance à la compression du matériau saturé d’eau (Rsat) Rrg : Résistance à la compression après la résistance eu gel (en MPa) Rsat : Résistance à la compression du matériau saturé d’eau(en MPa) Les valeurs de Krg pour matériaux résistants au gel doivent être supérieures ou égales à 0.9 .

Quel est le béton le plus résistant aux cycles gel/dégel ? Exercice Des essais mécaniques réalisés sur deux variétés de bétons A et B sont résumés dans le tableau suivant :   Béton A (éprouvette cubique d’arête a = 14 cm) Béton B (éprouvette cylindrique de diamètre Ø = 16 cm et de hauteur H = 32 cm ) Force de rupture (KN) Contrainte de rupture (KN/cm²) A l’état saturé 420 - 416 - 424 - 1,4 – 1,1 – 1,7 Après plusieurs cycles dégel/dégel La chute de résistance par rapport à l’état saturé est de 07% 194 – 197 – 191 Quel est le béton le plus résistant aux cycles gel/dégel ?