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1. L’Ingénieur et les MatériauxIl existe plusieurs définitions du terme
ingénieur.
D’après Larousse: Homme qui
conduit et dirige à l’aide des mathématiques appliquées des travaux d’Art.
D’après Robert: Personne qui a
reçu une formation scientifique et technique le rendant apte à diriger certains
travaux.
En général, l’ingénieur est une personne
qui a terminé des études scientifiques de niveau Bac + 5 dans différents
domaines: Génie civil, Génie électrique, Génie mécanique etc. Selon le
programme des études d'ingénieur à l’Université Nationale du Laos,
particulièrement en Génie civil, les étudiants doivent valider en tout 172
unités d'enseignement: 41 unités pour les cours généraux, 56 unités sur les
sciences de base et 86 unités concernent la spécialité. Il y a 3 unités
d'enseignement de spécialité sur les matériaux de construction.
Comme l'illustre le shéma suivant, l
’ingénieur en génie civil doit connaître les matériaux quelque soit son domaine
d’activité.
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]1.2. Classification
des matériaux de constructionEn sciences des matériaux, il est possible de classer les matériaux de base
en trois catégories:
- Les métaux
- Les polymères
- Les céramiques
Mais dans la construction, il est devenu courant de distinguer les
matériaux selon des domaines d’emploi et des caractéristiques principales: les
matériaux de construction et les matériaux de protection.
Les
matériaux de construction sont les matériaux qui ont la propriété
de résister contre des forces importantes:
- Pierres
- Terres cuites
- Bois
- Béton
- Métaux, etc.
Les
matériaux de protection sont les matériaux qui ont la propriété
d'enrober et protéger les matériaux de construction principaux:
- Enduits
- Peintures
- Bitumes, etc.
1.3. Propriétés des matériaux de construction Les propriétés principales des matériaux
peuvent être divisées en plusieurs groupes tels que:
- Propriétés physiques: (la dimension; la densité; la masse volumique de
différentes conditions; la porosité; l'humidité
etc..),
- Propriétés mécaniques: (la résistance en
compression, en traction, en torsion etc..)
- Propriétés chimiques: (l’alcalinité, l’acide
etc..)
- Propriétés physico-chimiques: (l'absorption,
la perméabilité, le retrait et le gonflement
etc..)
- Propriétés thermiques: (la dilatation, la
résistance et comportement au feu, etc..)
Quelques caractéristiques et propriétés
physiques courantes des matériaux de construction sont:
Propriétés liées à la masse et au volume:
- Masse spécifique
- Masse volumique
- Porosité, densité
Propriétés liées à l’eau:
- Humidité
- Perméabilité
- Degré d'absorption d’eau
- Variation de dimension en fonction de la
teneur en eau
Propriétés thermiques:
- Résistance et comportement au feu
- Chaleur spécifique
- Coefficient d’expansion thermique
Les caractéristiques et propriétés
mécaniques principales d’un matériau sont: la résistance à la compression, la
résistance à la traction, le module de formation, le module d’électricité, etc.
Les matériaux de construction doivent:
- posséder certaines propriétés techniques
- pouvoir facilement être travaillés
- être économiques.
La science des matériaux s’efforce de
relier les propriétés macroscopiques des matériaux à leur structure
microscopique.
La technologie des matériaux s’occupe des domaines d’application de la science
des matériaux à l’art de construire (à savoir: choix des matériaux,
détermination de leurs caractéristiques, connaissance de leurs propriétés,
techniques de mise en oeuvre, méthodes d’essais, développement de nouveaux
matériaux ou systèmes de matériaux).
Dans ce cours on va présenter quelques
propriétés comme les propriétés physiques et les propriétés mécaniques.
1.3.1 Les propriétés physiques La masse volumique
apparente Définition: C’est la masse d’un
corps par unité de volume apparent en état naturel, après passage à l’étuve à
105 ±5 °C,
notée γ
0 et exprimée en (gr/cm
3 ; kg/m
3;
T/m
3).
Détermination:
Il existe plusieurs méthodes pour
déterminer la masse volumique apparente des matériaux
de construction selon leur dimension et leur dispersion:
a) Pour les matériaux solides : les
roches naturelles, le béton, le bois .., on peut faire des échantillons de
forme géométrique (cubique, cylindrique, ..).
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]b)
Pour les matériaux incohérents(ensemble de grains – sable ou gravier).
La détermination de la masse
volumique apparente peut se faire en utilisant un récipient standart (de
volume connu).
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]La masse volumique
d’un ensemble de grains est fortement influencée par la composition
granulométrique, la forme des grains, le degré de tassement ainsi que la teneur
en eau lorsque les grains sont petits. La masse volumique
apparente des sables ou des graviers peuvent varier
entre 1400 à 1650 kg/m
3.
c)
Pour les matériaux de
construction qui n’ont pas de forme géométrique (forme de patate).
La détermination de la masse
volumique apparente des matériaux avec cette forme peut se faire de
façon indirecte. Dans ce cas, les échantillons étudiés doivent être enrobés de
parafine afin d'être protégés de la pénétration de l’eau, ensuite on va les
peser dans l’eau.
Pour déterminer la masse volumique des
matériaux de ce type on a:
M
S - Masse sèche d’échantillon
(g)
M
S+P - Masse sèche
d’échantillon après avoir enrober une parafine (g).
M
(S+P)L - Masse sèche
d’échantillon après avoir enrobé de parafine et pesé dans l’eau (g).
g
P – Masse de la parafine
ayant enrobé de l’échantillon et γ
p– masse volumique absolue de parafine.
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]La masse volumique absolue[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] Définition: C'est la masse d’un
corps par unité de volume absolu de matière pleine (volume de matière seule,
pores à l'intérieur des grains exclus), après passage à l’étuve à 105 °C, notée ρ et exprimée en (g/cm
3,
kg/m
3 ou T/m
3).
Détermination:
Si les matériaux étudiés sont poreux, on
doit les concasser et les broyer jusqu’à ce que la dimension des grains de
matériaux (l’échantillon) devienne inférieurs à 0,2 mm. Ceci afin d'éliminer
les pores et les vides existants dans les matériaux. Ensuite, on verse
l’échantillon dans un récipient, qui contient de l'eau pour pouvoir déterminer
la masse volumique absolue (Voir la figure 1.3.1)
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]Fig 1.3.1: Détermination de la masse volumique
absolue d'un matériau D'abord on va remplir le voluménomètre
d’eau (N
1), ensuite on verse l’échantillon sec dans le voluménomètre
et le niveau de l’eau va augmenter (N
2). La différence entre le
niveau N
1 et N
2 est le volume absolu de l’échantillon. La masse volumique absolue peut se calculer:
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]Si les grains ne sont pas poreux, la
masse spécifique absolue et apparente sont identiques
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]A la place de la masse spécifique et de
la masse volumique, on utilise aussi les anciennes
dénominations de poids spécifique et de poids volumique ainsi que les notions
de densité apparente qui sont des nombres sans
dimension égaux au rapport de la masse spécifique ou de la masse
volumique à la masse d’un volume égal absolu ou apparent d’eau à 4° C.
La porosité et compacité (les granulats) Porosité: La porosité est le
rapport du volume vide au volume total.
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]Fig 1.2: Volume quelconque On peut aussi définir la porosité comme le volume de vide par unité de volume
apparent.
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]Compacité: La compacité est
le rapport du volume des pleins au volume total.
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]Fig 1.3: Volume initaire Ou volume des pleins par unité de volume
apparent.
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]La porosité et la
compacité sont liées par relation:
p+c=1
Porosité et compacité: La porosité et la
compacité sont souvent exprimées en %. La somme des
deux est alors égale à 100%. En effet:
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]Si l’on connaît la masse
volumique Δ et la masse spécifique γ
0d’un matériau, il est aisé de calculer sa compacité et porosité.
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]L’humidité L’humidité est une des propriétés
importante des matériaux de construction. Elle est un indice pour déterminer la
teneur en eau réelle des matériaux au moment de l'expérience. En général
l’humidité est notée W et s’exprime en pourcentage (%). On peut déterminer
l’humidité de matériaux quelconques en utilisant la formule suivante:
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]où
G
s – est la masse sèche d’échantillon (après passage à l’étuve)
G
h – est la masse humide d’échantillon.
Le degré de l’humidité des matériaux
dépend de beaucoup de facteurs, surtout de l’atmosphère où ils sont stockés, le
vent, la température et de la porosité du matériau.
L’absorption de l’eau L’absorption de l’eau du matériau est la
capacité de conserver des échantillons quand ils sont immergés au sein de l’eau
à température de 20,5 °C
et à la pression atmosphérique. A cette condition l’eau peut pénétrer dans la
plupart des vides intersticiels du matériau. 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.
On peut déterminer le degré d’absorption
de deux manières:
a) L’absorption calculée suivant la masse
du volume apparent d’échantillon notée H
v (%)
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]où
G
ab – est la masse absorbante.
G
s – est la masse sèche d’échantillon.
V
0 – est le volume apparent du matériau.
b) L’absorption calculée suivant la masse
de l’échantillon notée H
p (%)
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]où
G
ab – est la masse absorbante.
G
s – est la masse sèche d’échantillon.
V
0 – est le volume apparent du matériau.
Dégré de Saturation (Teneur en eau) La résistance mécanique des matériaux
dépend de plusieurs facteurs. Un des plus importants facteurs influençant la
résistance est le degré de saturation. On a remarqué que les matériaux
absorbants de l’eau, ont une résistance certainement diminuée. C’est pourquoi on
doit déterminer le degré de saturation de matériaux.
Lorsque tous les vides d’un corps sont
remplis d’eau, on dit qu’il est saturé. Le degré de saturation est le rapport
du volume de vide rempli d’eau au volume total de vide. Il joue un grand rôle
dans les phénomènes de destruction des matériaux poreux par le gel. En se
transformant en gel, l’eau augmente de 9% en volume environ.
Le degré de saturation est l’absorption
maximale de matériaux sous les conditions de pression et de température. Il y a
deux moyens pour réaliser la saturation dans les échantillons de matériaux:
l’immersion des échantillons dans l’eau bouillante et à la saturation en
pression d’air .
Pour déterminer le degré de saturation en
pression d’air, on a la démarche suivante:
- Immerger les échantillons dans l‘eau.
- Donner la pression de base de 20 mm Hg jusqu’au moment
où on peut éliminer toutes les bulles d’air.
- Ensuite on fait baisser la pression de base
de 20 mm
Hg à la pression atmosphérique. À ce moment là, presque tout le vide est
rempli d’eau et dans ce cas-là on dit que les échantillons sont saturés.
Le degré de saturation peut se calculer
par la formule suivante:
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]où
BH – est le degré de saturation (%)
G
sat – est la masse d’échantillon au moment de saturation.
G
s – est la masse sèche d’échantillon.
V
0 – est le volume apparent du matériau.
Mais de toutes façons, on ne peut pas
remplir entièrement les vides de l’échantillon d’eau, c’est pourquoi il est
obligatoire de présenter cette valeur en une autre solution: "coefficient
de saturation", notée C
BH et exprimée en %. Ce coefficient peut être calculé avec la formule suivante:
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]où
γ – est le
degré de porosité.
BH – est le degré de saturation.
Pour connaître la diminution de la
résistance de matériaux en présence d’eau, on utilise l’indice molle:
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]où
K
m – Indice molle
R
BH – Résistance d’échantillon au moment de saturation..
R
k – Résistance d’échantillon sec.
A la place de la saturation, on utilise
aussi la teneur en eau d’un matériau. Elle est le rapport du poids d’eau
contenu dans ce matériau au poids du même matériau sec. On peut aussi définir
la teneur en eau comme le poids d’eau W contenu par unité de poids de matériau
sec.
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]où
E – Poids d’eau dans le matérau.
P
s – Poids du matériau sec.
P
h – Poids matériau humide
Si W est exprimé en % :
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]A partir des définitions données plus
haut, on peut écrire les relations :
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة] L’eau et les matériaux pierreux (Divers états de
l’eau dans un matériau poreux) On distingue trois grandes catégories
d’eau:
- L’eau absorbée: qui se trouve dans le vide
entre les particules de matière solide;
- L’eau adsorbée: qui se trouve à la surface
des particules solides; Plus les particules sont petites, plus cette eau
joue un rôle important. La première couche moléculaire est orientée et
présente des propriétés voisines de celles de l’état solide;
- L’eau chimiquement liée: qui fait partie des
particules solides.
Ces distinctions ne sont pas toujours
absolument claires.
Par exemple, dans le gypse CaSO
4.2H
2O et dans le plâtre
CaSO
4.½H
2O, l’eau intervient dans l’édifice cristallin,
mais tout en conservant son identité. Dans un spectre infra-rouge du gypse et
du plâtre, il apparaît les bandes anhydrite CaSO
4 et eau H
2O
juxtaposées. On parle d’eau d’hydratation ou de cristallisation.
Par contre, dans la réaction MgO + H
2O -> Mg(OH)
2,
l’eau se combine chimiquement en perdant son identité.
L’eau dans les granulats destinés à la confection
des bétons En général, les granulats naturels
utilisés pour la confection du béton sont peu poreux et n’absorbent
pratiquement pas d’eau lorsqu’ils sont gâchés avec le ciment et l’eau. Par
contre, des granulats artificiels, tels le LECA (Light expanded clay aggregate
= agrégats légers expansés d’argile), sont poreux. Il faut alors tenir compte
de l’absorption de l’eau par les granulats lorsque l’on détermine la quantité d’eau
requise pour fabriquer le béton.
1.3.2 Les propriétés mécaniques La déformation: La déformation est une des propriétés
essentielles pour des matériaux de construction. Selon la caractérisation des
déformations, on les divise en trois sortes:
1. Déformation élastique: Lorsque l’on effectue un essai de mise en
charge et si, après décharge le corps reprend les mêmes formes qu’il avait
avant l’essai et qu’il ne reste aucune déformation résiduelle, on dit que le
corps a un comportement parfaitement élastique (Fig 1.4).
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]De nombreux corps soumis à des charges
peu élevées ont un comportement presque élastique et la déformation est
approximativement proportionnelle à la contrainte. Si l’on reporte les mesures
sur un diagramme contrainte (σ) et déformation (ε), on obtient une ligne droite (Fig 1.5). Ce type
de déformation est appelée élasticité linéaire.
2. Déformation plastique: La déformation est dite plastique, si
après décharge le corps ne reprend pas les mêmes formes qu’il avait avant
l’essai, il reste quelques déformations (fig 1.6). Cette
déformation est appelée aussi déformation résiduelle.
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]Le fluage et la relaxation
Lorsqu'un corps est soumis à l'action
prolongée d'une force, la déformation instantanée apparaissant lors de la mise
en charge est suivie d'une déformation différée lente à laquelle on donne le
nom de fluage.
Le fluage peut se
manifester de deux façons:
1) Le fluage
proprement dit (au sens restreint du mot)
2) La relaxation.
Admettons que l'action permanente ou de
longue durée à laquelle est soumis le corps ait produit un état de contrainte σ
0 et une déformation ε
0à l'instant de la mise en charge. Deux cas extrêmes
peuvent se produire:
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]La relaxation est une conséquence du fluage, comme cela est bien mis en évidence par les
définitions suivantes:
Fluage proprement dit = Fluage
sous charge constante.
Fluage sous charge variable = Superposition de fluages
débutant à des âges variables.
Relaxation = Fluage sous charge décroissante variable telle que la déformation
reste constante.
3. Déformation visqueuse: La déformation est dite visqueuse, si
après décharge le corps ne reprend pas instantanément les même formes qu’il
avait avant l’essai, mais il se produit lentement.
La résistance La résistance des matériaux est un des
cours de la formation des ingénieurs en génie civil. Dans ce cours on apprend
de façon plus détaillée les calculs du comportement des matériaux, mais dans le
cours de "Matériaux de construction" on va montrer seulement la
résistance en compression et en traction.
Tableau 1.1 : Schéma et méthode de détermination
de la résistance à la compression Tableau 3.2.2 : Schéma et méthode de détermination
de la résistance à la flexion En général la résistance des matériaux
est sa capacité contre les actions des forces externes (les charges, les
conditions d’ambiance) étant définie en contrainte maximale quand l’échantillon
est détruit.
La propriété principale de béton durci
est sa résistance à la compression. Pour pouvoir évaluer la résistance à la
compression, on doit avoir la valeur moyenne de trois échantillons au moins,
dont les différences entre eux doivent être inférieures à 15 %.
Il existe deux méthodes pour déterminer
la résistance des matériaux : Méthode «Destruction d"échantillon» et
méthode «Non destuction d"échantillon».
3.2.1 Méthode « destruction d’échantillon » La Méthode de
destruction d’échantillon est la plus utilisée, surtout pour déterminer la
résistance à la compression de béton, mortier, bloc de béton etc.. Ce type de
détermination est largement usitée dans les laboratoires. Le mode opératoire est le suivant:
- Préparation des échantillons.
- Entretien des échantillons.
- Destruction des échantillons.
- Détermination des valeurs de résistance.
L’opération de l’essai est exécutée sur
les réglementations de la norme concernée.
3.2.2 Méthode « Non destruction d’échantillon » La méthode de non destruction
d’échantillon est une des méthodes, qui permet l’obtention rapide de la
résistance des matériaux des ouvrages (béton d’un ouvrage), sans procéder à des
prélèvements de béton durci par carottage.
Généralement il existe quelques moyens
usités :
- On utilise l’appareil qui s’apelle «
scléromètre ». En fait il s’agit de tester la dureté de surface d’un béton
durci (d’ouvrage). Cette dureté d’autant plus élevée que le béton est plus
résistant, cela permet d’avoir un ordre de grandeur de la résistance
atteinte par un béton à un âge donné.
- On utilise l’appareil qui peut lancer le
rayon X à travers l ’ouvrage. Selon le changement de la vitesse du rayon
X, il est possible de déterminer la résistance du matériau.
- L’utilisation de l’auscultation sonique : Le
principe de l'essai consiste à mesurer la vitesse du son à l’intérieur du
béton. Cette vitesse est d’autant plus élevée que le béton est plus
résistant; cela permet d’avoir un ordre de grandeur de la résistance
atteinte par un béton à un âge donné.
طلبة جامعة منتوري قسنطينة 
الإثنين 14 يناير 2019 - 0:15 من طرف boufris
