PROPRIÉTÉS MATÉRIAUX BTP

Classification et propriétés générales des matériaux

INTRODUCTION

En sciences des matériaux, il est possible de classer les matériaux de base en trois catégories, mais dans la construction, il est devenu courant de distinguer les matériaux selon les domaines d’emploi et les caractéristiques principales.

Les propriétés principales des matériaux de construction peuvent être généralement divisées en plusieurs groupes telles que:

Propriétés physiques.

Propriétés mécaniques.

Propriétés chimiques.

Propriétés physico-chimiques (cinétique chimique).

Propriétés thermiques.

L’Ingénieur et les Matériaux

Comme l'illustre le schéma suivant, l ’ingénieur en génie civil doit connaître les matériaux quelque soit son domaine d’activité.

Classification des matériaux de construction

En 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.

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 œuvre, méthodes d’essais, développement de nouveaux matériaux ou systèmes de matériaux).

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 γ0 et exprimée en (gr/cm3 ; kg/m3; T/m3). 

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, ..).

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 standard (de volume connu).

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/m3.

LA MASSE VOLUMIQUE ABSOLUE

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/cm3, kg/m3 ou T/m3). 

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 inférieure 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) 

D'abord on va remplir le voluménomètre d’eau (N1), ensuite on verse l’échantillon sec dans le voluménomètre et le niveau de l’eau va augmenter (N2). La différence entre le niveau N1 et N2 est le volume absolu de l’échantillon. La masse volumique absolue peut se calculer:

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

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.

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:

MS - Masse sèche d’échantillon (g)

MS+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).

gP – Masse de la parafine ayant enrobé de l’échantillon et γp – masse volumique absolue de parafine

LA POROSITÉ ET COMPACITÉ (LES GRANULATS)

Porosité:

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

On peut aussi définir la porosité comme le volume de vide par unité de volume apparent.

COMPACITÉ:

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

Ou volume des pleins par unité de volume apparent.

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:

Si l’on connaît la masse volumique Δ et la masse spécifique γ0 d’un matériau, il est aisé de calculer sa compacité et porosité.

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:

où

Gs – est la masse sèche d’échantillon (après passage à l’étuve)

Gh – 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 Hv (%)

où

Gab – est la masse absorbante.

Gs – est la masse sèche d’échantillon.

V0 – est le volume apparent du matériau.

b) L’absorption calculée suivant la masse de l’échantillon notée Hp (%)

où

Gab – est la masse absorbante.

Gs – est la masse sèche d’échantillon.

V0 – 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:

où

BH – est le degré de saturation (%)

Gsat – est la masse d’échantillon au moment de saturation.

Gs – est la masse sèche d’échantillon.

V0 – 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 CBH et exprimée en %. Ce coefficient peut être calculé avec la formule suivante:

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:

où

Km – Indice molle

RBH – Résistance d’échantillon au moment de saturation..

Rk – 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.

où

E – Poids d’eau dans le matérau.

Ps – Poids du matériau sec.

Ph – Poids matériau humide

Si W est exprimé en % :

A partir des définitions données plus haut, on peut écrire les relations :

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

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 . Ce type de déformation est appelée élasticité linéaire

Essai de compression

COURBE CONTRAINTE-DÉFORMATION

Trois comportements possibles

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.

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 σ0 et une déformation ε0 à l'instant de la mise en charge. Deux cas extrêmes peuvent se produire: 

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.

Ductilité

Propriété grâce à laquelle un matériau peut se déformer de façon permanente avant de se rompre (aptitude des matériaux à la déformation plastique). C’est un atout important pour la mise en forme des matériaux.

Ténacité

La ténacité : capacité d’un matériau à emmagasiner de l’énergie avant sa rupture. Elle caractérise la résistance du matériau à la propagation brutale de fissures

Propriétés de Dureté

Pour déterminer cette caractéristique, il existe 3 méthodes principales:

- la méthode Brinell;

- la méthode Vickers;

- la méthode Rockwell .

Par ailleurs, il existe des corrélations entre la dureté et les caractéristiques

de résistance statique: c’est ce qui rend cet essai intéressant.

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 destruction d'échantillon»

Parmi celles-ci, on peut citer le modèle de TABOR: mais ce modèle n’est guère utilisable que dans le sens traction-dureté dans la mesure où il fait intervenir la limite d’élasticité et la loi d’écrouissage