Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU1 École Hassania des Travaux Publics Cours : Matériaux de construction II (32 heures: 8  4h + 6 h TP.

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1 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU1 École Hassania des Travaux Publics Cours : Matériaux de construction II (32 heures: 8  4h + 6 h TP : 3  2h ) Équipe enseignante : Pr. K. LAHLOU 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. OBJECTIFS DU COURS :

2 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU2 PROGRAMME DU COURS : Introduction générale : Rappels sur les notions vues en matériaux I (1 ère 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 École Hassania des Travaux Publics Cours : Matériaux de construction II (32 heures: 8  4h + 6 h TP : 3  2h ) Équipe enseignante : Pr. K. LAHLOU

3 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU3 SUPPORTS DU COURS : MODALITES D’ EVALUATION : 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. Contrôles surveillés 40% Compte-rendus des TP 25% T ravaux à rendre 20% Participation au cours 15% Compte-rendus des visites 10% École Hassania des Travaux Publics Cours : Matériaux de construction II (32 heures: 8  4h + 6 h TP : 3  2h ) Équipe enseignante : Pr. K. LAHLOU

4 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU4 PLANNING PREVISIONNEL DE REALISATION DU COURS SemDateCONTENUTRAVAUX 1Introduction Formulation du béton 4Comportement instantané du béton durci TP2 Gr1 Lundi 09 Octobre 06 : remise DL formulation 5Comportement différé du béton durci TP2 Gr2 6Durabilité du béton TP2 Gr1/2 7Durabilité du béton 2 TP2 Gr2/2 Merc 08 Novembre 06 : Contrôle 1 (30 à 45 min) 8Fabrication acier, métallurgie et traitement thermique Confection éprouvettes CONCOURS ? 11Bois, céramiques et polymères FIN DU COURS 12Essais, Proclamation gagnants du concours et remise prix ? Jeudi 14 Décembre 06 : Contrôle2 (30 à 45 min)

5 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU5 Bibliographie et Webographie (voir liste)

6 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU6 FORMULATION DU BETON

7 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU7 FORMULATION DU BETON OBJECTIFS Trouver les proportions d’un mélange ayant des propriétés précises à moindre coût

8 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU8 FORMULATION DU BETON BETON SQUELETTE GRANULAIRE INERTE (Sable + Gravier + air) PATE LIANTE (Ciment + Eau + Adjuvant + Ajout minéral)

9 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU9 FORMULATION DU BETON PRINCIPES DE FORMULATION 1° Principe : Compromis entre maniabilité et résistance

10 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU10 FORMULATION DU BETON PRINCIPES DE FORMULATION 2° Principe : Minimiser la porosité (Augmenter la compacité) 1° Principe : Compromis entre maniabilité et résistance

11 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU11 FORMULATION DU BETON CONTRAINTES Maniabilité  pâte = E + C Résistance  rapport E/C (ou E/Liant) Compacité optimale  D max, granulométrie, % fines Remplissage   V i = 1 m 3 Durabilité  E/L max, C min, A/(A+C) max, % a min, type C

12 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU12 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 ? f c28, f c3j, E,  r,  T max,  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...)

13 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU13 FORMULATION DU BETON PROPORTIONS TYPES EN VOLUME Eau : 14 - 22% Air : 1 - 6% Ciment : 7 - 14% Granulats : 60 - 78%

14 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU14 FORMULATION DU BETON IMPORTANT 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’’.

15 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU15 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) f c  f ck + 5 MPa si f ck  25 MPa f c  f ck + 6 MPa si f ck > 25 MPa Classe vraie du ciment f mj Maniabilité visée (affaissement) ou serrage disponible

16 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU16 FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL METHODE PRATIQUE ETAPE 0 : Dimension maximale des granulats Usage Disponibilités sur le marché Limites à observer Voir exemple polycopié

17 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU17 ETAPE 1 : Dosage en eau FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL L'eau efficace E = eau introduite dans la bétonnière + eau totale apportée par les granulats, adjuvants,... - eau absorbée dans les pores des granulats Adjuvant

18 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU18 Ex 1 Ex 1 : Pour 1 m 3 de béton: E= 180 l /m 3 introduit dans la bétonnière S=720 Kg /m 3 (w= 6%, Abs = 1.2% ) G= 1100 Kg /m 3 (w= 3%, Abs = 0.8% ) Ad= 5 l /m 3 ( extrait sec massique 40%, densité 1.22 ) Eau efficace E = ? donc + 62 litres d’eau /m 3 de béton Attention : Résistance porosité Eff = 180 +720 * 0.06 + 1100 * 0.03 +5 * 1.22 * 0.6 -720 * 0.012 – 1100 * 0.008 = 242 l /m 3

19 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU19 ETAPE 1 : Dosage en eau FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL Tableau 1 - Relations entre consistance cible, demande en eau et teneur en air 25 20 15 160 190 210 0 - 4 5 – 9 10 - 15 Ferme (F) Plastique (P) Très plastique (TP) Air (a) (l/m 3 ) Eau (E) (l/m 3 ) Affaissement au cône (cm) Consistance 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.

20 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU20 FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 1 : Dosage en eau 1° correction Tableau 2 - Coefficient multiplicateur de E et a lorsque D varie 481620254080 1,351,181,051,000,950,870,78 D (mm) Coefficient multiplicateur 2° correction Granulats concassés  majorer E et a de 10 à 15%

21 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU21 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 5101520253035 0,940,960,981,001,041,081,12 Température (°C) 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

22 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU22 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

23 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU23 FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 2 : Dosage en Liant D’après BOLOMEY modifiée: f cj = f mj k b C + k A [ E + a ] - 0,5 f cj : résistance cible du béton à j jours f mj : résistance du ciment à j jours k b : 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

24 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU24 FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 2 : Dosage en Liant Tableau 4- Valeurs estimées de k b Nature pétrographique des granulats D (mm) 10 à1620 à 2530 à 40 Siliceux, légèrement altérés 0,450,500,55 Siliceux, roulés 0,500,550,60 Calcaires, durs 0,550,600,65

25 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU25 FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 2 : Dosage en Liant La valeur E+a peut être mise sous la forme E/K v : Tableau 5 - Valeurs estimées de K v en fonction de la consistance du béton ConsistanceFermePlastique Très Plastique KvKv 0,870,900,93

26 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU26 Ex 3 : Estimer la résistance en compression f C28 d’un béton de consistance plastique dosé à 300 kg/m 3 de CPA 45 (f m28 = 55 MPa ) et 66 kg/m 3 de cendres volantes (K= 0.5) avec des granulats siliceux roulés ( D= 20mm) C + k A = 300 + 0.5 x 66 = 333 kg/m 3 E + a = 190 + 20 = 210 (à peu près égal 190/0.90) Kb Kb = 0.55 f C28 = 55 x 0.55 (333/210 – 0.5 ) = 32.8 = 33 MPa

27 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU27 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 f CK = 40MPa f C = f CK + 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 /m 3, L = 475 kg/m 3 C = 380 kg/m 3 et CV = 95 kg/m 3 Avec addition de plastifiant (-5% d’eau) E= 180 l /m 3 C = 360 kg/m 3 et CV = 90 kg/m 3

28 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU28 Coût : -20 kg de C -14 DH -5 kg de CV -1.75 DH +2 l plastifiant +6 DH - 9.75 DH /m 3 Avec meilleure rhéologie et compacité

29 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU29 FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 3 : Granularité optimale du squelette granulaire Courbe granulaire de référence O AB

30 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU30 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 Y A : majoration de 3% pour les granulats concassés majoration de 5% pour les bétons armés où le ferraillage  80 kg/ m 3 majoration de 10% pour les bétons pompés ou les bétons armés où le ferraillage > 80 kg/ m 3

31 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU31 FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL A B ETAPE 4 : Dosage des granulats Construction géométrique à partir des courbes granulaires s% et g%  % en volumes absolus de chacun des granulats: s% et g% s% g%

32 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU32 FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 4 : Dosage des granulats Construction géométrique à partir des courbes granulaires s% et g%  % en volumes absolus de chacun des granulats: s% et g% Volume absolu de l'ensemble des granulats: V = V G + V S = 1000 - (C/3,10 + E + a) D'où :S = V  s%  m s G = V  g%  m g m g et m s étant les densités spécifiques du gravier et du sable respectivement

33 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU33 FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 5 : Vérification du dosage optimal en fines (< 63  m)  porosité minimale D'après Caquot et Faury: V fines optimal (en l/m 3 de béton) = (D en mm) 220 D 0,2 V fines = C/m C + F/m F + A/m A C: dosage en ciment de densité m C F: dosage en fines des granulats de densité m F A: dosage en ajout minéral de densité m A

34 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU34 FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 5 : Vérification du dosage optimal en fines (< 63  m)  porosité minimale D (mm) 81620254080 Volume optimal 14512512011510590 Valeur plancher pour éviter les risques de ségrégation 1251101051009075 Valeur plafond pour un beau parement 165140135130120105 Tableau 6- Volume optimal de fines, en l/m 3, pour différentes valeurs de D

35 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU35 FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 5 : Vérification du dosage optimal en fines (< 63  m) Tableau 7- Masses volumiques des fines à utiliser pour convertir les dosages massiques (kg/m 3 ) en dosages volumiques ( l/m 3 ) FinesCPA-CEM I CPJ-CEM II Calcaire * Cendres volantes * Laitier vitrifié * Fumées de silice ** Masse volumique (kg/m 3 ) 31503070300031003060 * 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 vitrifiéFumées de silice calcairessiliceuses Masse volumique (kg/m 3 ) 2700265022002850 (2700-3000) 2250 (2100-2400)

36 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU36 Ex 5 : Un béton (D=20) dosé à 350 kg/m 3 de CPJ45 renferme 700 kg/m 3 de sable siliceux contenant 3% de fines 63mm. Des cendres volantes sont ajoutées à raison de 50 kg/m 3 350 700 x 0.03 50 V fines = + + = 145 l /m 3 3.07 2.65 2.2 plasticité (demande en E, visqueux) C’est trop Pbs retrait …

37 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU37 FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 6 : Respect des spécifications et des valeurs limites Exemple: Durabilité des Bétons Prêts à l'Emploi (BPE)

38 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU38 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 Ex: pour un environnement 4a 2 : E eff /(C+kA) < 0,5 CV/(CV+C) < 0,15 C > 350 kg / m 3 Ciment PM

39 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU39 FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 6 : Respect des spécifications et des valeurs limites Exemple: Durabilité des Bétons Prêts à l'Emploi (BPE) SEC1 HUMIDE2a 2b1 2b2 sans gel ou gel faible gel modéré gel sévère GEL + SELS3 gel + sels MARIN4b1 4b2 4b immergé zone de marnage et d'embruns mer + gel CHIMIQUE5a 5b 5c faible moyen fort

40 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU40 Ex 6 : Béton dosé à 330 kg/m 3 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/m 3 = 810 kg/m 3 G= 653 x 0.54 x 2.7 = 952 kg/m 3 = 950 kg/m 3 V fines = 105 + 653 x 0.46 x 0.08 = 129 l/m 3 OK 330 3.15

41 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU41 FORMULATION D’ UN BETON CONVENTIONNEL ETAPE 7 : Essais d'étude – corrections : AU LABORATOIRE ! Ajustement de l'ouvrabilité Ajustement de la formule au m 3 Ajustement de la résistance Ajustement de E pour tenir compte de la teneur en eau des granulats

42 Cours de matériaux de construction, Pr. K. LAHLOU42 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 : 1. rappel des données et des exigences de la formulation 2. note de calcul et vérifications avec justification du choix du ciment (étapes résumées) 3. composition granulaire (tracée sur EXCEL sous format normalisé) 4. 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)