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TECHNOLOGIE DES MATERIAUX DE CONSTRUCTION

NOTES DE COURS SAMIA HANNACHI

Technologie des matériaux de construction

SOMMAIRE

1.

Classification et propriétés des matériaux de construction c onstruction ………..01

2.

Les granulats………………………………………………………..12

3. Les liants……………………………………………………………20 4. Le béton…………………………………………………………….29 5. Les métaux et alliages………………………………………………42 6. Les céramiques et verres……………………………………………57 7. Les polymères et composites……………………………………… .68

1


Chapitre 1 : Classification et propriétés des matériaux 1. Introduction Définition Un matériau est une substance ou une matière d'origine naturelle ou artificielle utilisée pour la fabrication d'objets, de machines, ou pour la construction de bâtiments. dictionnaire Larousse 2001

Il existe plusieurs familles de matériaux et plusieurs classifications possibles. Suivant leurs origines :

Les matériaux naturels :

Les matériaux naturels sont, comme leur nom l'indique, issus de la nature. Les matériaux

Origine animale

Origine minérale

Origine végétale

naturels peuvent être d’origine animale comme la la ine ou le cuir, d’origine végétale comme le coton ou le bois, d’origine minérale comme la pierre ou l'argile.

Les matériaux artificiels :

Les matériaux artificiels sont issus de la nature, mais ils sont transformés par l’homme avant utilisation. C’est le cas de la plupart

des métaux extraits à partir du minerai, ou du verre fabriqué à partir de la silice. Matériau artificiel (verre)

Les matériaux synthétiques : Les matières premières utilisées pour la production des matériaux synthétiques sont bien sur issues de la nature, comme le pétrole par exemple. Cependant les matériaux synthétiques sont créés par l’homme à partir de procédés chimiques ce qui les différencie des autres matériaux. Les matériaux synthétiques les plus connus sont les matières plastiques. Matériau synthétique (plastique ) 2


2. Classification des matériaux de construction 2.1 Généralités Sont considérés comme matériaux de construction tous les matériaux utilisés pour la réalisation de bâtiments (habitation, industriels,…) ou ouvrage d’art.

Il existe 3 grandes familles de matériaux de base :

- Les métaux - Les céramiques et verres - Les polymères (organiques + plastiques) Classification des matériaux Matériaux de base

Matériaux composites

Les matériaux de construction

Les matériaux de protection

Les métaux Les céramiques Les polymères

Pierres Terres cuites

Enduit

Bétons

Peinture

Aciers

Bitume

Bois

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2.2 Classification des matériaux a- Classification scientifique Dans la science des matériaux, selon la composition et la structure, les matériaux sont classés comme suit : - Métaux et alliages : - Polymères : - Céramiques b- classification en en matériaux de base base et produits : - Matériaux de base ou matière première (Argiles, pierres, p ierres, bois, calcaire, métaux - Matériaux produits et composites ; ciment (calcaire + argile), alliages, béton, ..) c- Classification pratique : Dans la construction, les matériaux sont classés selon le domaine d’emploi et selon leurs

propriétés principales principales (Résistance, compacité,..) compacité,..) comme suit suit : - Les matériaux de construction (ou de résistance) résistance) : matériaux qui ont la propriété de résister contre des sollicitations (forces) importantes (poids propre, surcharge, séisme, chaleur, ..) : Pierres, bois, béton, métaux, terre cuite (Brique), etc. - Les matériaux de protection : matériaux qui ont la propriété d'enrober et de protéger les matériaux matériaux de construction principaux principaux : revêtement revêtement ; enduits, peintures, peintures, bitumes, etc.

N.B. Récemment, l’aspect écologique du matériau (Emission des gaz à effet de serre lors de l’exploitation, de la production, du transport ou de la mise en œuvre), est considéré comme

très important dans le choix du matériau.

3. Propriétés des matériaux (Rappel) Grandeurs physiques, chimiques ou mécaniques, propres au matériau. Elles sont déterminées expérimentalement. Les propriétés principales des matériaux peuvent être divisées en plusieurs groupes tels que:  Propriétés physiques : (la densité; la masse volumique , l'humidité, la porosité , l'absorption, la perméabilité, le retrait (le gonflement) etc..) ;  Propriétés chimiques : (corrosion chimique, l’attaque de l’acide, etc..)  Propriétés mécaniques : (la résistance en compression, en traction, en flexion, torsion etc..)  Propriétés thermiques : (la dilatation, la résistance et comportement au feu, etc..) Les caractéristiques et propriétés mécaniques principales d’un matériau sont: la résistance à la compression, la résistance à la traction, le module d’élasticité, le fluage, la fatigue, …etc. Elles reflètent le comportement des matériaux sous l’effet des forces appliquées. 4


3.1 Les propriétés physiques La densité. En sens physique ; c’est le degré de remplissage de la masse d’un corps par la matière solide. Elle est calculée par le rapport de la masse volumique de ce matériau à celle de l'eau à une température. Elle est exprimée sans unité. La masse volumique apparente. C’est la masse d’un corps par unité de volume

apparent en état naturel (y compris les vides et

les capillaires). Elle est exprimée en (gr/cm 3 ; kg/m3; T/m3).

La masse volumique absolue. C'est la masse d’un corps par unité de volume absolu de

Elle est exprimée en (g/cm 3, kg/m3ou T/m3). (porosité des grains exclus), après passage passa ge à l’étuve à 105 °C, notée ρ ou γ e

D'abord on remplit le tube gradué d’eau (N 1), ensuite on verse l’échantillon sec dans le tube et le niveau de l’eau va augmenter (N 2 ).

N 2 - N 1 est le volume absolu. La La masse volumique volumique absolue peut se calculer calculer : 5


La porosité et compacité - 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.

La porosité et la compacité sont liées par la relation suivante: p + c = 1

La porosité et la compacité sont souvent exprimées en %. La somme des deux d eux est alors égale à 100%. L’humidité : teneur en eau L’humidité est l’une des propriétés importante des matériaux de construction. C’est la teneur en eau réelle contenue dans les pores d’un matériau. En général l’humidité est notée W et est exprimée en pourcentage (%). On peut déterminer l’humidité d’un matériau en utilisant la

formule suivante: 6


où Msec – est la masse sèche de l ’échantillon (apr ès èss passage à l’étuve) Mhum – est la masse humide de l ’échantillon. Le degré d’humidité des matériaux dépend de beaucoup de facteurs, de l’atmosphère où ils sont stockés, le vent, la température et de la porosité du matériau. Msec : masse sèche (séchage à 105°C) ; Msat : masse humide.

La capacité d’absorption de l’eau : L’absorption d’eau par immersion est la différence entre la masse d’un échantillon saturé dans l’eau et sa masse à l’état sec.

Essai : - Sécher un échantillon dans une étuve à 105°C soit Msec. - Immerger l’échantillon dans l’eau jusqu’à saturation (ΔM <0,1% après 24 H) ; soit Msat. L’absorption d’eau se calcule comme suit :

3.2. Les propriétés chimiques Les propriétés chimiques déterminent la stabilité chimique d’un matériau et l’aptitude de ce matériau de résister en service à l’action chimique des acides ou à l’action des facteurs atmosphériques comme l’humidité, la température,…etc.

3.3. Les propriétés mécaniques Les propriétés mécaniques des matériaux sont caractérisées par la capacité de résister à toute sollicitation extérieure (compression traction, flexion, fluage..).

La résistance mécanique : est la capacité d’un matériau de résister à la destruction sous l’action des contraintes dues à une charge.

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La résistance mécanique à la compression (à la traction) : La résistance à la compression (à la traction) correspond à la contrainte maximale d’un matériau soumis à une charge axiale et elle est calculée par la formule suivante : 

 

KN / cm2

Où: - P : La charge appliquée ; - S: La surface de la section de l’éprouvette.

Fig. 3: Essai de compression de traction axiale

Exemple : - La propriété principale du béton est sa résistance à la compression. Pour pouvoir évaluer la résistance à la compression, compressi on, on procède à l’essai de compression; le plus connu des essais mécaniques. Il s’effectue sur des éprouvettes cylindriques de diamètre 16 cm et de hauteur 32 cm ou cubiques (10x10x10 cm). La résistance à la rupture par compression est mesurée par compression axiale des éprouvettes (voir fig. N°3). - La propriété principale de l ’acier est la résistance à la traction. L’essai de traction s’effectue sur un échantillon normalisé en acier. La barre en acier est soumise à une charge de traction sur un appareil dit « machine de traction ».

La résistance à la flexion : C’est la résistance d’un matériau soumis aux charges de flexion. L’essai de flexion simple

consiste à faire écrasé une éprouvette prismatique (ex : 4x4x16cm pour mortiers, 7x7x28 pour le béton) sur deux appuis. (Voir fig. N°4) Le résultat exprime la résistance à la traction par flexion, la traction (par flexion) correspond à la contrainte contrainte maximale calculée par par la formule suivante : 

 

KN /cm2

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Fig. N°4: Essais de traction par flexion. P : La charge appliquée ; a : Le coté de l’éprouvette prismatique.

2.4. Autres propriétés : L a conducti conducti bil i téthermi therm i que : c’est la capacité d’un matériau de laisser passer la chaleur à

travers son épaisseur. Elle est appréciée au moyen du coefficient de conductibilité thermique = la quantité de chaleur traversant un échantillon du matériau de 1 m d’épaisseur ( 1m2 de surface) pendant 1 heure et la  = 1 °C. Exemple : le coefficient de conductibilité thermique du - Acier ; = 58 W/m.°C - Béton ; = 2,9 à 3,3 W/m.°C L a du r eté: est la capacité d ’un matériau de résister à la pénétration d’un corps plus dur e que lui. La dureté ne correspond pas toujours à la résistance d’un matériau. Plusieurs méthodes sont utilisées pour déterminer la dureté d’un corps. En matériaux de construction, la dureté est déterminée à l’aide des minerais de l’échelle Mohs. Tandis que pour les aciers, on utilise

la dureté Brinell ou Rockwell. Exemple : - les verres : on utilise utili se le minerai ; le diamant ou le quartz ; - l’acier : sur un échantillon d’acier le nombre de dureté Brinell HB ˜ 150

Pr opr op r i é té sé l asti ast i qu es et pl p l ast asti qu es : les matériaux sollicités par une

charge se déforment, ils changent de dimensions et de formes. - L’élasticité d’un corps est la propriété du matériau de rétablir sa forme et ses dimensions initiales après l’enlèvement de la charge.

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- La plasticité d’un corps est la propriété du matériau de changer sa forme sans se fissurer et garder cette forme même après l’enlèvement de la charge. Ex. aciers, cuivre, pâtes d’argile…etc.

poi sson on : Module d’élasticité d’élasticité et coeffici ent de poiss Module d’élasticité d’élasticité (module de Young): est l’aptitude d’un matériau à l’allongement pendant le service. Ce coefficient caractérise l’élasticité d’un matériau lorsqu’il travaille en extension ou en compression. D’une manière générale, le m odule d’élasticité caractérise la rigidité des

matériaux. Le module d’élasticité statique en compression est déterminé graphiquement, en exploitant la courbe contrainte – déformation.

Le module d’élasticité statique noté par E, est la valeur de la pente à l’origine de cette courbe. Il s’exprime par la relation suivante :

Où:   contrainte en MPa.  : La déformation

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Le coefficient de poisson, qui exprime le rapport de la déformation transversale à la déformation longitudinale est donné par l’expression suivante :

Exemple : Pour - Les aciers aciers : E = 2.10 5 à 2,2.105N/mm 2. -Les fontes : E = 0,9.105 0,9.105 à 105N/mm 2.

Les tableaux ci-dessous 1.1 et 1.2 résument résument la forme et les dimensions des éprouvettes éprouvettes ainsi que les méthodes utilisées pour pour déterminer respectivemen respectivement,t, la résistance à la compression compression et la résistance en traction des différents matériaux.

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Chapitre 2 : Les granulats

I. Introduction 1. Définition On appelle granulat un ensemble de grains minéraux, de dimensions comprises entre 0 et 125 mm, de provenance naturelle ou artificielle, destinés à la confection : • des mortiers, des bétons, • des couches de fond ation, des couches de base et de roulement des chaussées, • et des assises et des ballasts de voies ferrées.

Ils sont appelés fillers, sablons, sables, gravillons, graves ou ballast suivant leurs dimensions.

2. Origine des granulats granulats naturels Les granulats sont obtenus - en exploitant des gisements de sables et de graviers d’origine alluvionnaire terrestre ou marine, granulats roulés ou semi-concassés). - en concassant des roches massives (calcaires ou éruptives) ou encore - par le recyclage recyclage de produits tels que que les matériaux de démolition. démolition.  Granulats artificiels Des granulats artificiels peuvent être employés pour réaliser des bétons à usages spécifiques. - Sous-produits industriels, concassés concassés ou non Les plus pl us employés sont le laitier cristallisé concasséé et le concass l e laitier granulé de haut fourneau obtenus par refroidissement à l’eau. - Granulats à hautes caractéristiques. I l s’agit de granulats élaborés industriellement pour répondre à certains emplois, notamment notamment granulats très durs pour renforcer renforcer la résistance à l’usure de dallages industriels (granulats ferreux) ou granulats réfractaires. 

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II. Les caractéristiques des granulats Les granulats doivent répondre à des exigences et des critères de qualité et de régularité qui dépendentt de leur dépenden l eur origine et de leur procédé d’élaboration. Les granulats sont donc spécifiés par deux types types de caractéristiques. caractéristiques. • Des caractéristiques intrinsèques, liées à la nature minéralogique de la roche et à la qualité

du gisement, telles que, par exemple : – la masse volumique réelle ; – l’absorption d’eau et la porosité ; – l’absorption – la sensibilité au gel ; – la résistance à la fragmentation f ragmentation et au polissage; – la gélivité. • Des caractéristiques de fabrication, liées aux procédés d’exploitation et de production des

granulats telles que, en particulier : – la granularité ; – la forme (aplatissement) ; – la propreté des sables 1. Les caractéristiques géométriques 

Echantillonnage

Les essais effectués en laboratoire portent nécessairement sur des quantités réduites de matériaux, en général le prélèvement d'échantillons se fait en deux temps: a) Prélèvement sur le chantier, la carrière ou l'usine l 'usine d'une quantité de matériaux nettement plus grande que que celle qui sera utilisée pour l'essai. b) Au laboratoire, prélèvement prélèvement de la quantité quantité nécessaire à l'essai et qui soit soit également représentative de l'échantillon de départ. Prélèvement sur tas normaux a) à la main, à l'aide d'une planche ou d'une plaque métallique. b) à la main, sur sur tas d'éléments grossiers grossiers (gravier concassé) concassé) par ratissage dans un récipient. récipient. c) au moyen d'une sonde, ouverture 4 ~ 6 cm, longueur 60 ~ 100 cm, extrémité taillée en sifflet.

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Prélèvement en laboratoire (échantillonnage en laboratoire) Le passage de l'échantillon total prélevé sur le tas à l'échantillon réduit, nécessaire à l'essai, peut se faire par par quartage ou à l'aide d'un échantillonneur. échantillonneur. L'échantillon doit être séché à l'étuve à 105 ºC s'il est exempt de minéraux argileux, ce qui est rare, ou à 60 ºC dans le cas contraire.

Opération de quartage

Echantillonneur Cet appareil de laboratoire, permet de diviser facilement en deux parties représentatives la totalité d'un échantillon initial, chaque moitié étant recueillie dans un bac de manière séparée. La répétition en cascade de cette opération, en retenant à chaque opération le contenu de l'un l 'un des bacs, permet d'obtenir l'échantillon nécessaire, après trois ou quatre opérations identiques.



Granulométrie

La granulométrie permet de déterminer l’échelonnement des dimensions des

grains contenus

dans un granulat. Elle consiste à tamiser le granulat sur une série de tamis à mailles carrées, de dimensions d’ouverture décroissantes et à peser le refus sur chaque tamis. 15 Samia Hannachi


Les ouvertures carrées des tamis sont normalisées et s’échelonnent de 0,08 mm à 80 mm.

La courbe granulométrique exprime les pourcentages pourcentages cumulés, en poids, de grains passant dans les tamis successifs. successifs.



Classes granulaires

Un granulat est caractérisé du point de vue granulaire par sa classe d/D, d et D étant respectivement respectivement la plus petite et la l a plus grande dimension des grains. Lorsque d est inférieur à 2 mm, le granulat est désigné 0/D. La norme XP P 18-540 indique la terminologie usuelle des granulats selon leurs l eurs dimensions : – Fillers 0/D: D < 2 mm – Sablons 0/D: D < 1 mm – Sables 0/D: 1 < D < 6,3 mm – Gravillons d/D : d > 1 mm ; D < 125 mm – Graves 0/D: D > 6, 3 mm – Ballast – Ballast d/D: d 6 25 mm; D ≤ 50 mm 16 Samia Hannachi


De façon pratique, la composition du béton peut faire appel à une granularité discontinue (par exemple un sable 0/5 et un gravillon 15/25). Cette formule permet de limiter les stockages d’un trop grand nombre de classes granulaires,

en ne nécessitant que deux classes faciles à trouver chez les distributeurs de granulats. La granulométrie continue (par exemple à partir de trois granulats 0/5, 5/15, 15/25) nécessite des dosages plus précis et des installations qui ne peuvent se concevoir que pour des chantiers importants ou des centrales de fabrication de béton.



Module de finesse

La norme XP P 18- 540 définit : le module de finesse d’un sable qui caractérise sa granularité comme le 1/100 ème de la l a somme des refus, exprimés en pourcentages, pourcentages, sur les différents tamis de la série suivante : 0,16 - 0,315 - 0,63 - 1,25 - 2,5 - 5,0 mm. Pour un sable 0/5, il est recommandé d’avoir un module de finesse voisin de 2,5.

 Coefficient d’aplatissement

Il caractérise la forme du granulat à partir de sa plus grande dimension et de son épaisseur. épaisseur. La norme NF P 18-561 définit les modalités de sa mesure.







La forme d'un granulat est définie par trois grandeurs géométriques: La longueur L, distance maximale de deux plans parallèles tangents aux extrémités du granulat, L'épaisseur E, distance minimale de deux plans parallèles tangents au granulat, La grosseur G, dimension de la maille carrée minimale du tamis qui laisse passer le granulat. Le coefficient d'aplatissement A d'un ensemble de granulats est le pourcentage pondéral des éléments qui vérifient la relation:

1. Les caractéristiques physico-chimiques 

Masse volumique apparente

C’est la masse du granulat sec occupant l’unité de volume. 17 Samia Hannachi


Elle dépend du tassement des grains. Elle se mesure conformément à un mode opératoire précis (normes NF P 18 554 et 18 555). 555). Elle est comprise entre 1 400 kg/m3 et 1 600 kg/m3 pour les granulats roulés silico-calcaires. silico-calcaires. La masse volumique réelle du granulat (vides entre grains exclus) est nettement plus élevée : de 2 500 à 2 600 kg/m3 pour les mêmes granulats. Sur chantier, les granulats contiennent un certa in pourcentage d’humidité, d’autant plus important que le granulat est fin. La conséquence en est, pour les sables, une expansion en volume désignée sous le nom de « foisonnement ». Il peut atteindre 20 à 25 % pour des teneurs en eau de 4 à 5 %, ce qui modifie les dosages lorsqu’on raisonne en volume.



Porosité et compacité

(1) Porosité En général la porosité la porosité est le rapport du volume des vides au volume.

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

(2) Compacité La compacité est le rapport du volume des pleins au volume total. Ou volume des pleins par unité de volume apparent.

Volume unitaire

La porosité et la compacité sont liées par la relation:

p+c=1

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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 D et la masse spécifique g d'un matériau, il est aisé de calculer sa compacité et porosité.

Teneur en eau La teneur en eau d'un matériau est le rapport du poids d'eau contenu dans ce matériau au poids du même matériau sec. On peut aussi définir définir la teneur en eau eau comme le poids d'eau d'eau W contenu par unité de poids de matériau sec. 

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



Propreté des granulats

Les granulats employés doivent être propres, car les impuretés perturbent l’hydratation du ciment et entraînent des défauts d’adhérence entre les granulats et la pâte.

La propreté est caractérisée par la teneur en particules fines (< 0,5 mm) essentiellement argileuses ou d’origine végétale ou organique dont la valeur acceptable P mesurée

conformément à la norme P 18-591 en ce qui concerne les granulats > 2 mm doit être < 1,5. 19 Samia Hannachi


Dans le cas des sables, le degré de propreté est fourni par l’essai appelé « équivalent de sable

piston PS » (norme (norme P 18-597) qui consiste consiste à séparer séparer le sable des particules particules très fines qui remontent par floculation à la partie su périeure de l’éprouvette où l’on a effectué le lavage. L’essai est fait uniquement sur la fraction de sable 0/2 mm. La valeur de PS doit selon les cas

être supérieure à 60 ou 65. 2. Les caractéristiques mécaniques

Méthodes de mesures Les caractéristiques mécaniques des granulats ne sont pas déterminées par des essais habituels de traction ou de compression. Par contre, il existe des essais tentant de reproduire certaines sollicitations propres à des usages spécifiques spécif iques des granulats, par exemple le degré d’usure pour les granulats granulats utilisés pour les bétons bétons routiers .

•

Essai Micro Deval

C’est un essai dont le principe est de reproduire, dans un cylindre en rotation, des phénomènes d’usure. Les modalités de cet essai font l’objet de la norme NF P 18 -572.

• Essai Los Angeles

Le principe de cet essai est la détermination de la résistance à la fragmentation par chocs et à l’usure par frottements réciproques. Il fait f ait l’objet de la norme NF P 18 -573. Le coefficient Los Angeles calculé à partir du passant au tamis de 1,6 mm, mesuré en fin d’essai, caractérise le granulat. Pour des granulats susceptibles d’être soumis aux effets du gel, on peut mesurer le coefficient coefficie nt Los Angeles après une série de 25 cycles c ycles gel/dégel ( – 25 °C, + 25 °C) et le comparer au

coefficient de référence. La valeur du coefficient - LA - est limitée à 30 pour les usages autres que routiers .

Catégories des granulats selon la résistance aux chocs et à l'usure

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Chapitre 3 : Les liants

1. Définition Produits utilisés pour lier ou agglomérer entre eux d’autres matériaux. Selon leur composition, les liants peuvent être classés en deux grandes familles : 

Les liants minéraux : selon leur mode de durcissement, ils peuvent être classés en deux familles : Les liants aériens : durcissement à l'air dû à une réaction de carbonatation : chaux aériennes, plâtres, argiles ;  Les liants hydrauliques : durcissement en milieux humides ou dans l’eau dû à une réaction d'hydratation d 'hydratation de silicates ou d'aluminates : chaux hydrauliques, ciment prompt, ciments (ciment Portland), Portland), laitiers. Les liants organiques : 



 

Les liants hydrocarbo h ydrocarbonés nés : bitumes, goudrons ; Les résines et surtout les polymères : les aminoplastes, par exemple, sont des polymères largement utilisés comme liants dans l'industrie du bois et de ses dérivés.

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Il existe deux types de liants hydrauliques : la chaux et le ciment . Ces deux liants hydrauliques diffèrent de par leur mode de fabrication. Ils sont élaborés à partir de pierre calcaire principalement.

2. Note historique La chaux, connue depuis l’antiquité: 1756, Smeaton en Angleterre, découvre que les chaux qui présentent les meilleures propriétés « hydrauliques » sont celles contenant des matières argileuses 1796, Parker en Angleterre, développe le ciment « Roman » en calcinant certains gisements naturels de calcaire argileux 1813-28, Vicat en France, met en évidence le rôle de l’argile et fabrique un ciment à partir d’un mélange intime de calcaire et d’argile. d’ar gile. 22 Samia Hannachi


1824, Joseph Aspdin en Angleterre, fabrique et brevète une chaux hydraulique à laquelle il donne le nom de ciment Portland, car sa couleur, après prise, ressemble à la pierre de Portland. 1835, Issac-Charles Johnson qui travaille dans une usine de ciment, observe que les morceaux trop cuits donnent, après mouture, un meilleur ciment. Il augmente la température de cuisson et donne naissance au véritable ciment Portland. 1838, William Aspin produit le ciment Portland à côté de la Tamise et convainc Brunel de l’utiliser pour réparer son tunnel sous la Tamise – la 1ère utilisation du ciment Portland dans le génie civil.

3. Fabrication du ciment Le constituant principal des ciments est le clinker, qui est obtenu à partir de la cuisson d’un mélange approprié de calcaire et d’argile, en proportion respective moyenne de 80 %/20 %. Les différentes étapes de la f abrication sont décrites ci-après.

Extraction : une cimenterie dispose d'une carrière de calcaire et d'une carrière d'argile. Les matières premières sont extraites et les blocs obtenus sont concassés pour obtenir des éléments inférieurs à 50 mm. Préparation du mélange : les matières premières sont très soigneusement dosées dosées et mélangées de façon à obtenir une composition parfaitement régulière. Le mélange est très finement broyé dans des broyeurs rotatifs à boulets. I1 est ensuite préparé à la cuisson suivant différents procédés. Le cru se présente sous forme d'une pâte liquide dans la voie humide, d'une farine dans la voie sèche, de granules dans la voie semi-sèche. Cuisson : La cuisson se fait à une température de 1450 °c. Elle est très généralement généralement réalisée dans un four rotatif dans lequel la matière chemine lentement, venant à la rencontre de la source de chaleur. Broyage : Le clinker est finement broyé pour obtenir le ciment portland. Il est incorporé du gypse >5%) pour régulariser sa prise. Les autres ciments sont obtenus en ajoutant d’autres constituants.

Procédés de préparation du mélange du « Ciment » • Procédé par voie sèche: préchauffée (en poudre) à 800°C par les gaz du four; • Procédé par voie demi-sèche : la poudre est agglomérée sous forme de boulettes

par ajout de 12 12 à 14 % d'eau; • Procédé par voie humide: la matière première est additionnée d'eau dès le broyage et manipulée sous forme de pâte fluide introduite par pompage dans des fours.

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4. Les principaux constituants du ciment Clinker Constituant de base du ciment, il résulte de la calcination à haute température (1 450°C) d’un mélange homogène de calcaire et d’argile, appelé cru. Il entre dans la composition de tous les

ciments courants.

Laitier de haut fourneau Résidu de l’industriel sidérurgique, il est issu du refroidissement rapide de la scorie fondue

provenant de la fusion du minerai minerai de fer. Ce matériau présente présente des caractéristiques caractéristiques hydrauliques latentes.

Pouzzolane naturelle D’origine volcanique, cet élément composé de silice, d’alumine et d’oxyde de fer, améliore la

qualité hydraulique des ciments.

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Cendres volantes Elles proviennent du dépoussiérage des gaz de chaudières alimentées au charbon pulvérisé. Mélangées au clinker, elles se comportent comme les pouzzolanes. Fumées de silice Particules sphériques très fines, elles sont obtenues par broyage de quartz. Leur ajout permet de fabriquer des bétons très performants en termes de résistance. Additifs Autres constituants servant à améliorer la fabrication f abrication du ciment ou de ses propriétés. Leur quantité globale ne peut pas dépasser 1 % en masse de ciment. Cette limite est à 0,5 % pour les additifs organiques (extrait sec).

5. Classification des «Ciments» / désignation

Ciment prompt Ciment prompt est un liant naturel obtenu à partir de la cuisson à température modérée (entre 500 et 1 200 °C) d’un calcaire argileux de composition régulière, suivie par un broyage très

fin. Il se caractérise par une prise et durcissement très rapide (en quelques minutes), une bonne adhérence adhérence et une résistance résistance aux eaux eaux agressives. agressives. Il est de couleur couleur jaune ocre à brune. Le ciment prompt est utilisé util isé pour les travaux de scellement, calage, enduits, montage de cloisons, réparation de sols, les travaux en milieu mili eu humide, les moulages, les pièces prefabriquées. 25 Samia Hannachi


Ciment alumineux Le ciment alumineux fondu est réalisé à base d’aluminates de calcium (contrairement au

ciment courant qui est à base de silicates de calcium). Il est utilisé comme liant hydraulique ou comme réacti f minéral associé à d’autres composants. Il résiste bien aux agents agressifs et aux hautes températures. Il est à l’origine de nombreux produits techniques tels que mortiers spéciaux, bétons réfractaires…

6. Principales caractéristiques des ciments Le ciment se caractérise par un certain nombre de critères mesurés de façon conventionnelle, conventionn elle, soit sur la poudre, soit sur la pâte, soit sur le « mortier normal » (mélange normalisé de ciment, de sable et d’eau défini par la norme NF EN 196 -1).

Caractéristiques de la poudre

La surface spécifique (finesse Blaine) permet de mesurer la finesse de mouture d’un ciment. Elle est caractérisée par la surface spécifique ou surface développée totale de tous les grains contenus dans un gramme de ciment (norme NF EN 196-6). Suivant le type de ciment, cette valeur est généralement comprise entre 2 800 et 5 000 cm2/g. La masse volumique apparente représente la masse de la poudre par unité de volume (vides entre les éléments inclus). Elle est de l’ordre de 1 000 kg/m3 (1 kg par litre) en moyenne pour un ciment. La masse volumique absolue représente la masse de la poudre par unité de volume (vides entre les éléments exclus). Elle varie de 2 900 à 3 150 kg/m 3 suivant le type de ciment.

Caractéristiques mesurées sur pâte ou sur « mortier normal »

Les réactions qui se passent dès le début du gâchage et se poursuivent dans le temps sont extrêmement complexes. C’est le développement et la multiplication multipli cation de ces micro-cristaux dans le temps qui expliquent l’augmentation des résistances mécaniques. Le ciment durci est une véritable « roche artificielle » qui évolue dans d ans le temps et en fonction des conditions extérieures. Avant d’atteindre son stade final, l’évolution du ciment passe par trois phases successives. successives.

26 Samia Hannachi


Phase dormante La pâte de ciment – ciment + eau – reste en apparence inchangée pendant un certain temps (de quelques minutes à plusieurs heures suivant la nature du ciment). En fait, dès le malaxage, les premières réactions réactions se produisent, mais sont ralenties par par la présence du du gypse. 

Début et fin de prise Après une à deux heures pour la l a plupart des ciments, on observe une augmentation brusque de 

la viscosité : c’est le début de prise, qui est accompagné d’un dégagement de chaleur. La fin de prise correspond au moment où la pâte cesse d’être déformable et se transforme en un

matériau rigide. Le début de prise est déterminé par l’instant où l’aiguille de Vicat – aiguille de 1 mm2 de – ne ne s’enfonce plus jusqu’au fond d’une pastille de pâte pure de ciment. section pesant 300 g – Les modalités de l’essai font l’objet de la norme NF EN 196 -3. Suivant les types de ciment, le temps de début de prise doit être supérieur à 45 minutes ou à 1 heure.  Durcissement On a l’habitude de considérer le durcissement comme la période qui suit la prise et pendant la quelle l’hydratation du ciment se poursuit. La résistance mécanique continue à croître très longtemps, mais la résistance à 28 jours est la valeur conventionnelle.



L’expansion

se mesure suivant un essai normalisé (norme NF EN 196-3) et grâce aux aiguilles de Le Chatelier. Il permet de s’assurer de la stabilité du ciment. L’expansion ne doit pas être

supérieure à 10 mm sur pâte pure pour tous les ciments (conformément à la norme NF EN 197-1). 

Le retrait

La mesure du gonflement dans l’eau et du retrait dans l’air est effectuée sur prisme de 4 x 4 x

16 cm sur « mortier normal » (norme NF P 15-433). Le retrait est limité li mité à 0,8 mm/m ou à 1 mm/m suivant le type de ciment.

7. Classification des «Ciments» / classe de résistance Les résistances mécaniques, mécaniques, mesurées sur éprouvettes de mortier normal, caractérisent caractérisent de façon conventionnelle la résistance du ciment définie par sa valeur nominale. Cette valeur est la limite inférieure de résistance en compression à 28 jours.

Les classes de résistance Les ciments sont répartis en trois classes, 32,5 - 42,5 - 52,5, définies par la valeur minimale de la résistance normale du ciment à 28 jours. La résistance normale d’un ciment est la résistance mécanique à la compression mesurée à 28 jours conformément à la norme EN 196-1 et exprimée en N/mm2 (1 N/mm2 = 1 MPa = 10 daN/cm2 = 10 bars).

27 Samia Hannachi


La classe R correspond à une résistance au jeune âge plus élevée que la classe normale correspondante correspondan te (N). (N ).

Classification des différents types de ciments suivant les l es normes algériennes : — ciment Portland : CPA – CEM I ; — ciment Portland composé : CPJ – CEM II/A ou B ; — ciment de haut fourneau : CHF – CEM III/A ou B et CLK – – CEM III/C ; — ciment pouzzolanique : CPZ – CEM IV/A ou B ; — ciment au laitier et aux cendres : CLC – CEM V/A ou B.

Les constituants de ces types de ciments doivent être conformes aux valeurs fixées dans le tableau 1

28 Samia Hannachi


(1) Les valeurs indiquées se réfèrent au ―noyau du ciment‖ (*), à l’exclusion des

sulfates de

calcium et des additifs. (2) Les constituants secondaires peuvent être du filler ou bien un ou plus des constituants principaux, sauf lorsque ceux-ci sont sont incorporés en tant que constituants constituants principaux du ciment. (3) La proportion de fumées de silice est limitée à 10 % dans tous les ciments. (4) La proportion de filler est limitées l imitées à 5 %. (5) Le fabricant est tenu à une déclaration de composition stipulant les constituants utilisés et la proportion de chacun d’eux; il s’engage à ne pas faire var ier ier ces proportions au-delà d’une fourchette de plus ou moins 5 points, le clinker étant aussi un constituant. La forme et les modalités d’application de cette déclaration sont définies dans l’annexe B de la norme NA 442 - 2000. (*) Le noyau du ciment est une fraction ne comprenant que les constituants principaux et secondaires, donc ni le sulfate de calcium ni les additifs éventuels. N.B : Les lettres A, B, C fournissent une une information sur la proportion proportion de constituants constituants autres que le clinker.

(*) La lettre R indique que le ciment a une résistance élevée au jeune âge. 1) Li : Limite inférieure nominale pour une spécification donnée, respectée avec probabilité de 95 % pour les résistances et de 90 % pour les l es autres propriétés. 2) Ls : Limite supérieure nominale pour une spécification donnée, respectée avec une probabilité de 90 %.

29 Samia Hannachi


Chapitre 4 : Le béton 1. Généralités Le béton est un matériau composite aggloméré constitué de granulats durs de diverses dimensions collées entre eux par un liant.

Types de liants : • Ciment (Béton (Béton hydraulique); • Bitume, goudron, asphalte (Béton ( Béton hydrocarbon h ydrocarboné); é); • Résine (Béton (Béton de résine) (liant de polymère thermoplastique/thermodurcissable); thermoplastique/thermodurcissable); • Argile ( béton béton d'argile). d'argile). Types de granulats : grains de pierre, sable, gr avier, avier, cailloux; autres…. Béton hydraulique est constitué :   

d’une pate (ciment + eau), d’un mélange granulaire, de produits additionnels (adjuvants, additions minérales,…).

On désigne par : mélange liant + sable sable + eau, eau,  Matrice (mortier) : le mélange  Squelette : le mélange des granulats

Le ciment est un liant hydraulique qui se présente sous la forme d’une poudre minérale fine s’hydratant en présence d’eau. Il forme une pâte f aisant prise qui durcit progressivement à l’air ou dans l’eau. C’est le constituant fondamental du béton puisqu’il permet l a transformation d’un mélange sans cohésion en un corps solide (voir. cours sur les ciments).

Les granulats (sables, gravillons) constituent le squelette du béton. Ils doivent être chimiquement inertes vis-à- vis du ciment, de l’eau et de l’air. On utilise en général, pour les ouvrages courants, des granulats constitués uniquement uniquement par du sable et des gravillons. On emploie également des granulats légers qui sont le plus souvent artificiels et fabriqués f abriqués à partir de matières minérales, comme les argiles, les schistes (argiles expansées) et les silicates (vermiculite et perlite). Les premiers permettent la fabrication de bétons de structure légers, dont la résistance peut atteindre de 40 à 50 MPa. Les seconds servent à la fabrication de parois en béton béton très léger, à fort pouvoir d’isolation thermique. Le poids volumique apparent 30 Samia Hannachi


de ces granulats varie d’environ 0.6 à 8 kN/m3. Malgré leur intérêt technique, leur coût énergétique de fabrication en réduit l’emploi à des applications particulières. Les granulats

lourds sont soit des riblons ou de la grenaille de fer, soit des minéraux naturels comme la magnétite, la limonite ou la barytine. Ils sont utilisés dans les bétons destinés à assurer une protection contre les rayonnements atomiques. Leur poids volumique apparent apparent varie de 30 à 50 kN/m3.

Les additions minérales (ultrafines) sont des particules de faibles dimensions qui, ajoutées en quantités de l’ordre de 10% du poids de ciment, améliorent notablement le s performances

et la durabilité du béton grâce à leurs propriétés physico-chimiques (cendres volantes, laitier, fillers, ...). Les fumées de silice, ou micro silices, sont les plus utilisées, ce sont des oxydes de silicium à structure amorphe en forme de microsphères de diamètre de l’ordre de 10 µm.

L'eau (de gâchage) : de façon générale, l’eau de gâchage doit avoir le s propriétés de l’eau potable. Il est exclu d’employer de l’eau de mer, qui contient environ 30 g/l de chlorure de

sodium, pour la fabrication de bétons armés ou précontraints.

Les adjuvants sont des produits chimiques incorporés au béton frais en faibles quantités (en général moins de 3% du poids de ciment, donc moins de 0.4% du poids du béton) afin d’en améliorer certaines propriétés. Leur efficacité est liée à l’homogénéité de leur répartition dans

la masse du béton. Les principaux adjuvants sont : • les plastifiants, plastifiants, qui jouent un double rôle. Ils permettent, d’une part, d’obtenir des

bétons frais à consistance consistance parfaitement liquide, donc très maniables, maniables, par défloculation défloculation des grains de ciment. A maniabilité donnée, ils offrent, d’autre part, la possibilité de réduire la quantité d’eau nécessaire à la fabrication et à la mise mis e en place du béton. La résistance du béton durci peut ainsi être notablement augmentée. La durée durée d’action de ces adjuvants est de

1 à 3 heures, • les retardateurs de prise du ciment, qui prolongent la durée de vie du béton frais.

Ils trouvent leur utilisation dans le transport du béton sur de grandes distances ou la mise en place par pompage, pompage, en particulier par par temps chaud. chaud. Ils sont aussi employés employés pour éviter éviter toute discontinuité lors de reprises de bétonnage, • les accélérateurs de prise et de durcissement, qui permettent, pour les premiers, la réalisation de scellements ou d’étanchements et, pour les seconds, une acquisition plus rapide

de résistance au béton durci, • les entraîneurs d’air, qui confèrent au béton durci la capacité de résister aux effets de gels et de dégels successifs en favorisant favorisant la formation de microbulle s d’air réparties de façon homogène. Le volume d’air occlus doit être de l’ordre de 6% de celui du béton durci.

2. Ouvrabilité (caractéristique principale béton frais) 31 Samia Hannachi


L'ouvrabilité caractérise l'aptitude d'un béton (frais) à remplir les coffrages, et à enrober convenablement convenablement les armatures. Elle doit donc être telle, que le béton soit maniable et qu'il conserve son homogénéité.

2.1 Introduction L'ouvrabilité est caractérisée par une grandeur représentative de la consistance du béton frais. fr ais. Dans le cas de bétons classiques, elle est principalement influencée par : • la nature et le dosage du liant, • la forme des granulats, • la granularité, la granulométrie, • le dosage en eau.

Le rôle de l'eau est prépondérant pour l'ouvrabilité du béton frais et sur les propriétés du béton durci : • L'eau donne au béton sa maniabilité, d'une part par son action lubrifiante sur les

différents grains, d'autre part par la l a cohésion due à la pâte provoquée par l'association des grains fins (ciment et fines) avec elle. • L'eau permet l'hydratation l'hydratation du ciment et donc le durcissement du du béton. Un ciment

Portland demande environ 25% de son poids en eau pour s'hydrater complètement (sous réserve des problèmes problèmes de flocs et d'expansion. Toute Toute variation de la quantité d'eau entraîne des modifications de la vitesse de durcissement durcissement et des performances mécaniques. mécaniques. Le dosage en eau ne peut pas être augmenté au-delà d'une certaine valeur afin d'améliorer l'ouvrabilité sans entraîner des inconvénients. Les conséquences conséquences d'un excès d'eau sont : • risque de ressuage, • augmentation du retrait, • augmentation de la porosité, • défectuosité du parement : bullage, • risque de ségrégation des constituants du béton, • diminution de la compacité et corrélativement des résistances,

Le dosage en eau doit donc être limité au 'juste nécessaire' à l'hydratation du liant et aux exigences d'ouvrabilité.

Mesure et contrôle de l'ouvrabilité De nombreux essais et tests permettent de mesurer les caractéristiques dont dépend l'ouvrabilité d'un béton. Les plus utilisés dans la pratique sont : -

l'affaissement au cône cône d'Abrams d'Abrams le maniabilimètre LCPC l'étalement à la table à secousses le test CES (pour les ouvrages ouvrages en BA) le plasticimètre plasticimètre à rotation

2.2 Affaissement au cône d'Abrams (Slump test) 32 Samia Hannachi


La consistance du béton est donnée suivant les valeurs données dans le tableau ci-dessous: ci -dessous:

33 Samia Hannachi


2.3 Autres essais comparatifs – ouvrabilité

3. Résistance (caractéristique principale du béton durci) La caractéristique essentielle du béton durci est la résistance mécanique en compression compression à un âge donné (28 jours). Le béton est un matériau travaillant bien en compression, dont la connaissance connaissance de ses propriétés mécaniques est indispensable pour le calcul du dimensionnement dimensionnement des ouvrages. Lorsqu'il est soumis à l'action l 'action d'une charge rapidement croissante, le béton se comporte comme un matériau fragile. D'une part, sa rupture n'est pas précédée de déformations importantes et, d'autre part, sa résistance à la traction est beaucoup plus faible que sa résistance à la compression.

3.1 Facteurs influençant la résistance du béton La résistance du béton dépend d'un grand nombre de paramètres :

34 Samia Hannachi


- qualité du ciment, Une des caractéristiques essentielles de la qualité du ciment est sa classe de résistance ; un béton fabriqué avec avec un ciment de classe 42.5 42.5 présente une plus grande résistance résistance qu’un béton fabriqué avec un ciment de classe 32 .5. - le dosage en ciment et en eau, La résistance croit avec l’augmentation du dosage en ciment et décroit avec l’augmentation de la quantité d’eau incorporée ; c’est pourquoi on a tendance à prendre en compte le rapport E/C

comme facteur global intervenant dans la résistance du béton.

- la granularité,  La granularité est définit par le rapport  ; le rapport des volumes absolus du gravier et du sable. En général pour les bétons courants ( 1.5≤





≤2) ; pour des raisons d’ouvrabilité. Il en

résulte que l’influence de la granularité est relativement faible.

- l'influence de la température et de l'humidité, La chaleur accélère la prise et le durcissement du béton tandis que le froid allonge la durée de prise. Des expériences menées au laboratoire ont montré que l’augmentation de l’humidité du

milieu de cure contribue à améliorer la résistance du béton.

3.2 Essais sur béton durcis durcis 1. Résistance à la compression par rupture d’éprouvette La résistance en compression à 28 jours est désignée par fc28. Elle se mesure par ccompression axiale de cylindres droits de révolution et d'une hauteur double de leur diamètre. (16×32) ou (15×30)

35 Samia Hannachi




L’effort de compression compression

cj = f cj

est donné par la relation :

 (en MPa) 

S = 200 cm

2

Pour une éprouvette cylindrique de16 ×32 

D’après leur résistance résistance à la compression, compression, les bétons peuvent être : -

courants : fc est de : 20 à 40 MPa ;

-

à hautes performances : fc est de : 50 à 100 MPa ;

-

les bétons de très hautes performances : fc est de : 100 à 150 MPa ;

-

exceptionnels: FC est au-delà de 150 MPa ;

2. Résistance à la traction. Généralement le béton est un matériau travaillant bien en compression, mais on a parfois besoin de connaître connaître la résistance résistance en traction, en flexion et et au cisaillement. La résistance en traction à 28 jours est désignée par Ft28.

a. Traction directe : NF P 18.409.



f t =

La contrainte de rupture en traction est donnée par la relation :  

En MPa

P – charge de rupture, – la section exacte de l’éprouvette S – la

b. En traction par flexion : NF P 18.407 Les essais les plus courants sont des essais de traction par flexion. Ils s'effectuent en général sur des éprouvettes prismatiques d'élancement 4 (10×10×40), reposant sur deux appuis, soit sous charge concentrée unique appliquée au milieu de l'éprouvette (moment maximal au centre). soit sous deux charges concentrées, symétriques, égales, appliquées au tiers de la portée (moment maximal maximal constant entre entre les deux charges. charges.

36 Samia Hannachi


 La contrainte de rupture en traction par flexion est donnée par la relation :

f tjtj

  

c. Essai de traction par fendage. L'essai consiste à écraser un cylindre de béton suivant deux génératrices opposées entre les plateaux d'une presse. Cet essai est souvent s ouvent appelé "Essai Brésilien". Si P est la charge de compression maximale produisant l'éclatement du cylindre par mise en traction du diamètre vertical, la résistance en traction sera : 

La résistance à la traction est donnée par:

P – charge de la rupture, D – diamètre du cylindre, L – longueur de cylindre, J – âge du béton.



f tjtj = 2

37 Samia Hannachi



3.3 Autres propriétés du béton béton :

Le retrait Il dépend de quatre facteurs : l'humidité, le dosage en ciment, le dosage en eau, le pourcentage des armatures) C'est le phénomène de raccourcissement d'un élément de béton dans son jeune âge En l'absence de toute charge. Il est assimilable à l'effet d'un abaissement de température entraînant un raccourcissement. Il est influencé par quatre facteurs : - L'humidité : le durcissement en milieu humide diminue le retrait. - Le dosage en ciment : le retrait croît en même temps que le dosage en ciment. - Le dosage en eau : à dosage en ciment constant, une diminution du rapport C/E augmente le retrait. Pour un béton armé, le retrait diminue avec une augmentation du pourcentage en aciers.

La dilatation On admet, en moyenne, un coefficient de dilatation thermique de 1 x 10-5 pour le béton (c'est-àdire.0, 01 mm/m °C).

Le fluage C’est le phénomène de déformation d éformation différé sous une charge constamment appliquée.

L'élasticité Le module d'élasticité est défini par la relation suivante :

E = Contrainte unitaire /déformation relative = Fci / (DL/L) L'effet poisson En compression ou en traction, la déformation longitudinale est aussi accompagnée d'une déformation transversale. C'est l'effet poisson. Le coefficient de poisson n est le rapport de la déformation transversale et la déformation longitudinale en valeur relative. Il est pris égal à 0,2 pour le calcul des déformations, et à 0 pour le calcul c alcul des sollicitations. Par ailleurs, pour les calculs des éléments bidirectionnels (dalles,…), il est pris égal à 0,2 pour u n béton non fissuré et

0 pour un béton fissuré.

38 Samia Hannachi



4. Différents types de bétons Le béton varie en fonction de la nature des granulats, des adjuvants, des colorants, des traitements de surface, et peut ainsi s'adapter aux exigences de chaque réalisation, par ses performances et par son aspect. as pect.

Les bétons réfractaires Ce sont des bétons qui résistent à des températures élevées (jusqu'à 2000°C). Ici, il faut un ciment réfractaire(en général alumineux) et des granulats également réfractaires (scories, corindon, terre cuite). 

Les bétons cellulaires Ces bétons sont très légers(ils flottent sur l'eau), sciables, clouables et sont de très bons isolants. Ces bétons sont en réalité du mortier (sable fin et ciment) auquel on a ajouté une matière génératrice de gaz traitée à l'autoclave (enceinte fermée dans laquelle le matériau est soumis à haute température et à haute pression). 



Bétons Prêts à l’Emploi :

Les "Bétons Prêts à l’Emploi", abrégés en BPE, sont des bétons conçus et produits p roduits

industriellement dans une centrale à béton. Le béton est livré frais sur le chantier dans des camions-toupies. Il est prêt à être mis en œuvre soit soi t directement avec la goulotte du camiontoupie, soit à l’aide d’un tapis ou d’une pompe à béton.

Le béton armé : Le béton armé est un matériau composite qui allie les propriétés mécaniques du béton et celles de l'acier. La résistance en traction du béton étant assez mauvaise, on ajoute des armatures en acier qui viennent renforcer le béton. L’acier ayant une bonne résistance tant en traction qu'en compression, il compense les faiblesses du béton et retarde ainsi l'ouverture des microfissures qui apparaissent lorsque le béton ne résiste plus à la traction. 

Le béton fibré : Le béton fibré est un béton dans lequel sont incorporées des fibres synthétiques ou métalliques. Comme pour le béton armé, les fibres renforcent le béton. Il permet une plus grande rapidité et une plus grande facilité de mise en œuvre du fait de la suppression de la mise en place du ferraillage et une limitation de la fissuration grâce au grand nombre de fibres dispersées dans le béton. 

Le béton précontraint : Techniques qui consistent à tendre (comme des ressorts) les aciers constituant les armatures du béton, et donc à comprimer, au repos, ce dernier. d ernier. 

39 Samia Hannachi



Dans la pré-tension (le plus souvent utilisée en bâtiment), les armatures sont mises en tension avant la prise du béton. Elles sont ensuite relâchées, mettant ainsi le béton en compression par simple effet d'adhérence. Cette technique ne permet pas d'atteindre des valeurs de précontrainte aussi élevées qu'en post-tension. La post-tension consiste à disposer des câbles de précontrainte dans des gaines incorporées au béton. Après la prise du béton, les câbles sont tendus au moyen de vérins de manière à comprimer co mprimer l'ouvrage au repos. Cette technique, relativement complexe, est généralement réservée aux grands ouvrages (comme les ponts) puisqu'elle nécessite la mise en œuvre d'encombrantes « pièces d'about » (dispositifs mis en place de part et d'autre de l'ouvrage et permettant la mise en tension des câbles). La précontrainte permet d’augmenter encore la résistance des pièces en béton, et d’allonger la portée des éléments porteurs. Elle équilibre les efforts eff orts des charges extérieures, et évite ainsi au béton de se fissurer. La compression compr ession initiale introduite grâce à la précontrainte dans la partie inférieure des poutres s’oppose aux tractions engendrées par les charges et surcharges appliquées sur la poutre.

Les Bétons à hautes Performances : Les BHP sont des bétons dits de hautes performances car ils possèdent de meilleures caractéristiques que les bétons normaux tels que :  Une meilleure résistance à la compression, ce qui permet une réduction des quantités de béton nécessaires.  Une grande fluidité (due aux super plastifiants) ce qui permet une meilleure mise en œuvre, un meilleur pompage et ne nécessite pas de vibrer le béton pour obtenir une surface lisse.  Des besoins en eau plus faible. De plus les BHP ont une plus grande durabilité qui résulte de leur forte compacité et de leur très faible porosité ce qui diminue la quantité d'agents agressifs pénétrant dans le béton et donc protège les armatures de la corrosion corros ion et augmente la résistance des bétons au cycle c ycle gel/dégel. 

Le béton projeté : Le béton projeté est un béton qui est projeté à grande vitesse sur une surface au moyen d’air 

comprimée. La force de l’impact sur la surface co mpacte le matériau ce qui l’empêche de s’affaisser ou de couler. Le béton projeté a des propriétés similaires à celles d’un béton ordinaire de composition similaire et mis en place de façon usuelle si ce n’est en fait qu’une méthode de mise en place différente. Cette méthode permet d’év iter l’utilisation des coffrages, elle ne nécessite qu’une seule surface de support et p eut être utilisée sur des surfaces courbes et

irrégulières. Il existe deux procédés pour faire du béton projeté, le procédé par voie sèche et celui par voie humide : 40 Samia Hannachi





Le procédé par voie sèche est le plus utilisé pour les réparations. Les matériaux secs, c’est-à-dire le ciment et les granulats, sont incorporés directement dans une canalisation, où ils sont transportés par l’air comprimé jusqu’à la lance. L’eau sous pression e st

introduite dans le mélange à la sortie de la lance. Le procédé par voie sèche a l’avantage de pouvoir être arrêté et reparti à tout moment

durant les travaux, Car le béton étant sec dans la lance il ne risque pas de se solidifier. Des résistances élevées peuvent être facilement obtenues avec ce procédé puisqu’il permet d’atteindre de faibles rapports eau/liant. Le désavantage du procédé sec est que le dosage de l’eau dans le mélange se fait directement à la lance, par le lancier, ce qui complique le

contrôle de la qualité. 

Le procédé par voie humide implique qu’un béton ou un mortier soit pompé de façon conventionnelle et projeté à haute vitesse contre u ne surface réceptrice en utilisant de l’air

comprimée ajoutée à la lance. Le procédé par voie humide est surtout utilisé lorsque les volumes à produire sont importants. Le contrôle de la qualité est plus simple avec ce procédé, puisqu’en utilisant un béton conventionnel, le dosage des constituants du mélange est connu.



Les bétons auto plaçant, auto compactant et auto nivelant :

Ce sont des bétons très fluides, homogènes et stables, mis en œuvre sans vibration dans le

coffrage, ils se mettent en place sans serrage. Ils se caractérisent par leur grande capacité d’écoulement sans altération de la stabilité, leur pompabilité et leur long maintien de la fluidité. Ils se distinguent des bétons courants principalement par leurs propriétés à l’état frais, frais, compromis entre fluidité, résistance à la ségrégation. Ils présentent à l’état durci des p erformances analogues à celles des bétons traditionnels mis en œuvre par vibration. 

Les bétons caverneux, drainant et poreux :

Ce sont des bétons à structure ouverte ouve rte de granulométrie discontinue, avec, à l’état durci, des vides

entre les plus gros éléments granulaires. La porosité ouverte utile (pourcentage de vides communiquant entre eux et avec l’extérieur) représente alors plus de 10 % du volume du béton compacté. Le béton devient donc suffisamment poreux pour être drainant.

Le béton de ciment alumineux (ou béton fondu) : Le béton de ciment alumineux est un béton dans lequel le liant utilisé est du ciment alumineux. Il s'agit un ciment à base d'aluminates de calcium. Ces aluminates ne libèrent pas de chaux au cours d'hydratation et offrent plusieurs propriétés spéciales au béton ou au mortier alumineux. Cela permet : une prise rapide une résistance chimique élevée une résistance élevée à l'usure 







41 Samia Hannachi



une résistance aux températures élevées une accélération de la prise par temps froid Ce béton a une bonne résistance aux environnements agressifs et développe rapidement des 



résistances mécaniques élevées. Lorsqu’il contient des granulats artificiels à base d’aluminium, il

a également des propriétés réfractaires (forte inertie thermique).

Le béton décoratif : Le béton bouchardé : béton décoratif mettant en valeur les granulats. Il est réalisé à l’aide d’un e machine qui érode le béton en surface afin de faire apparaître les granulats. Le béton désactivé : béton décoratif mettant en valeur les gravillons inclus dans le béton. Pour obtenir ce résultat, on applique lors du coulage, un retardateur de prise sur la surface sur béton 

frais juste après la mise en œuvre. Quelques heures après, un nettoyage au jet d’eau haute

pression est réalisé, pour faire apparaître les gravillons en relief par rapport au mortier.

42 Samia Hannachi



Chapitre 5 : Les métaux et alliages Introduction La famille des métaux se divise en deux catégories : les métaux ferreux, dont do nt l’acier et la fonte, forment la majeure partie du groupe, et les métaux non ferreux, plus diversifiés ( aluminium, plomb, cuivre, nickel, zinc et autres ), qui se trouvent trouv ent en minorité dans la composition des produits finis. L’acier constitue la presque totalité des métaux ferreux, et la demande pour ce métal ne cesse de croître. C’est le métal le plus largement utilisé et le matériau le plus recyclé dans le monde.

Historique

Le fer est l'un des métaux les plus abondants de la croûte terrestre. On le trouve un peu partout, combiné à de nombreux autres éléments, sous forme de minerai. En Europe, la fabrication du fer remonte à 1 700 avant J.C. Depuis les Hittites jusqu'à la fin du Moyen Age, l'élaboration du fer resta la même : on chauffait ensemble des couches alternées de minerai et de bois (ou de charbon de bois) jusqu'à obtenir une masse de métal pâteuse qu'il fallait ensuite marteler à chaud pour la débarrasser de ses impuretés et obtenir ainsi du fer brut, prêt à être être forgé. La forge était installée à quelques pas du foyer où s'élaborait le métal. D'abord simple trou conique dans le sol, le foyer se transforma en un four, le "bas-fourneau", perfectionné petit à petit : de l'ordre de quelques kilos à l'origine, les quantités obtenues pouvaient atteindre 50 à 60 kilos au Moyen Age. On fabriqua aussi dès le début, de petites quantités d'acier, à savoir du fer enrichi en carbone. Un matériau qui se révéla à la fois plus dur et plus résistant. Puis vint la fonte... Au XVème siècle, la génération des premiers "hauts fourneaux" de 4 à 6 mètres de haut propagea une découverte fortuite mais majeure : un métal ferreux à l'état liquide, la fonte, qui se prêtait à la fabrication de toutes sortes d'objets (marmites, boulets de canons, chenets, tuyau). La fonte permettait également de produire du fer en abondance, grâce à l'affinage : le lingot de fonte était chauffé et soumis à de l'air soufflé, ce qui provoquait la combustion du carbone contenu dans la fonte et un écoulement du fer goutte à goutte, formant une masse pâteuse de fer brut. Et enfin l'acier En 1786, Berthollet, Monge et Vandermonde, trois savants français, établirent la définition exacte du trio Fer-Fonte-Acier et le rôle du carbone dans l'élaboration et les caractéristiques de ces trois matériaux. Toutefois, il fallut attendre les grandes inventions du XIXème siècle (les fours Bessemer, Thomas et Martin) pour que l'acier, jusqu'alors fabriqué en faible quantité à partir du fer, connaisse un développement spectaculaire et s'impose rapidement comme le métal-roi de la révolution industrielle. Au début du XXème siècle, la production mondiale d'acier atteignit 28 millions de tonnes, soit six fois plus qu'en 1880. Et à la veille de la première guerre mondiale, elle grimpa à 85 millions de tonnes. En quelques décennies, l'acier permit d'équiper puissamment l'industrie et supplanta le fer dans la plupart de ses applications.

43 Samia Hannachi



Propriétés des métaux Les métaux se distinguent en fonction de différentes caractéristiques qui leur confèrent des propriétés spécifiques.

Fragilité La fragilité désigne la caractéristique d’un métal qui se brise facilement sous l’effet d’un choc ou d’une déformation. dé formation. Il se

déforme peu ou pas du tout, et se casse facilement.

Ductilité À l’opposé, la ductilité représente la capacité d’un métal à se déformer sans se rompre. Il

peut être étiré, allongé ou soumis à des forces de torsion. Les matériaux ductiles sont difficiles à casser parce que les fissures ou les défauts créés par une déformation se propagent difficilement.

Ténacité La ténacité correspond à la capacité des matériaux à résister aux chocs sans se briser ni s’écailler. Les marteaux et les

équipements utilisés pour déformer ou couper des plaques d’acier (matrices, poinçons, etc.) sont constitués de matériaux de haute ténacité.

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Malléabilité La malléabilité est une caractéristique qui permet au métal de se laisser façonner. Elle réfère à la résistance relative du métal soumis à des forces de compression, comme le forgeage ou le laminage. Un exemple de matériel extrêmement malléable, quoique non soudable, est la pâte à modeler. Notons que la malléabilité d’un matériau croît avec l’augmentation de la température.

Élasticité L’élasticité désigne la capacité d’un matériel

à reprendre sa forme originale après avoir subi une déformation. C’est le cas typique d’un ressort qu’on étire puis qu’on relâche.

Dureté La dureté est la capacité d’un corps à résister à la pénétration d’un corps plus dur que lui.

Elle se caractérise aussi par sa résistance aux rayures. Le diamant constitue le matériau le plus dur. Les aciers à haute teneur en carbone sont durs, les aciers doux, un peu moins, et l’aluminium est de faible dureté.

Résistance à l’abrasion

Les matériaux durs présentent aussi une bonne résistance à l’abrasion, c’est-à-dire qu’ils ne s’usent pas facilement par frottement. En termes pratiques, ils sont plus difficiles à meuler.

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Résistance à la corrosion La résistance à la corrosion désigne la capacité d’un matériau à ne pas se dégrader sous l’effet de la combinaison chimique de l’oxygène et du métal. Un métal ferreux résistant à la corrosion ne rouille pas ; c’est le cas des aciers inoxydables et de certains autres aciers d’alliage.

Magnétisme Le magnétisme est une propriété caractéristique des métaux ferreux, qui les rend sensibles aux aimants. Caractéristiquess thermiques et électriques Caractéristique Dilatation et contraction (ou retrait) thermiques Lorsqu’un matériau est chauffé, il s’étire un peu ; c’est ce qu’on appelle la dilatation. À l’opposé, il subit un raccourcissement sous l’effet du froid ; c’est la contraction ou le retrait Plus le métal s’étire ou se raccourcit, plus le risque que des fissures fis sures ou des déformations

apparaissent apparaisse nt est élevé. On définit la capacité de dilatation/retrait des métaux par un coefficient thermique. Ainsi, le coefficient thermique de l’aluminium, par exemple, est plus élevé que celui de l’acier. Pour une même variation de température, l’aluminium se dilate

presque deux deux fois plus.

Point de fusion Le point de fusion indique la température à laquelle un métal passe de l’état solide à l’état

liquide.

Conductivité La conductivité thermique est la capacité d’un matériau à conduire ou à transférer la chaleur. Le cuivre est un très bon co nducteur thermique. L’aluminium possède environ la moitié de la conductivité thermique du cuivre, alors que l’acier, seulement un dixième. La conductivité électrique , quant à elle, est définie par la capacité d’un matériau à transmettre l’électricité.

Les métaux naturels Quelques métaux comme le fer, le cuivre, le zinc, l'étain, l'argent, l'or et le mercure existent à l'état naturel. Ils sont peu utilisés dans leur état d'origine et sont très souvent alliés (d'où le terme " alliage") à d'autres matériaux, métaux ou additifs divers, pour modifier leurs caractéristiques techniques et surtout mécaniques. On distingue :  Les métaux ferreux (fer, fonte, acier) et leurs alliages  Les métaux non ferreux (Al, Zn, Cu, Pb) et leurs alliages

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A. Les métaux ferreux et alliages Comme leur nom l'indique, les métaux ferreux contiennent du fer. C'est le cas de la fonte et des aciers. Ils se différencient par leur teneur en carbone. Cette différence dif férence de teneur en carbone joue sur leur résistance mécanique. mécanique. L'acier comme la fonte est un alliage de fer et de carbone, mais il est constitué de moins de 2% de carbone. Il peut, lui-même, être allié à de de nombreux métaux tels que le magnésium, le chrome, le molybdène, le nickel, ou le silicium. Ces additifs donnent des nuances d'acier très diverses aux caractéristiques très différentes. Ces alliages sont de ce fait plus ou moins fragiles, résistants, cassants ou élastiques.

1. Fontes La fonte est un alliage de fer, et de plus de 2 % de carbone ; dont les propriétés peuvent être modifiées par l'ajout de petites quantités de silicium, de manganèse, de phosphore et de soufre. Le carbone est est un élément non métallique que l'on trouve en général général dans le charbon. La fonte est présente sous toutes les formes de lingots, mais elle est principalement utilisée en fonderie, pour la fabrication de pièces moulées. La fonte résiste nettement mieux à la compression qu'à la traction. Par ailleurs, elle est relativement cassante. Les procédés de transformation permettent permettent de raffiner la fonte brute en fonte grise, en fonte blanche, en en fonte malléable, en en fonte nodulaire et et en fonte alliée.

Fonte brute La fonte brute n'a aucune utilisation pratique en raison de sa teneur élevée en carbone. Elle sert surtout à fabriquer d'autres types de fontes et des aciers. 

Fonte Grise On appelle fonte grise la fonte faite d'un mélange de fonte brute et de rebuts r ebuts d'acier. Dans les entreprises, la fonte grise est la plus utilisée pour fabriquer des pièces coulées d'usage général lorsque les considérations de coût sont primordiales. Les surfaces exposées ont une coloration gris sombre à cause de la présence de graphite (carbone cristallisé). Parmi les caractéristiques essentielles essentielles de la fonte grise, on note son aptitude à amortir amorti r les vibrations, grâce à sa teneur élevée en graphite, ainsi que sa résistance à l'usure. À l'aide d'un traitement thermique, on peut tremper la fonte grise afin d'augmenter sa dureté. 

Fonte Blanche La fonte blanche provient de la solidification de la fonte dans des moules en métal, un procédé communément communément appelé appelé moulage en coquille. coquille. Avec cette cette technique, le refroidissement refroidissement rapide de la fonte en surface confère aux pièces une surface extrêmement dure. La fonte blanche est est donc très résistante à l'usure; cependant, cependant, elle est très cassante cassante et fragile. fragile. La fonte blanche n'est pas très utilisée, car il est difficile de la couler et de l'usiner. On l'emploie quand même dans des applications où sa dureté et sa résistance à l'abrasion peuvent être exploitées, par exemple pour la fabrication de broyeurs, de cylindres, de dents de godets d'excavatrices, d'excavatrice s, etc. La fonte blanche peut être adoucie par recuite (chauffage suivi d'un refroidissement lent). 



Fonte Malléable 47 Samia Hannachi


La fonte malléable est habituellement de la fonte blanche recuite. Cette fonte est malléable comparativement comparativeme nt à la l a fonte grise. Toutefois, son degré de malléabilité est loin d'atteindre celui du plomb. Cette fonte présente tout de même une certaine ténacité. La fonte malléable est utilisée pour des applications requérant de la résistance mécanique, de la ductilité, de la résistance aux chocs et de l'usinabilité. Il existe plusieurs types de fontes malléables, dont les propriétés sont assez différentes. La fonte f onte malléable est utilisée couramment pour fabriquer des pièces telles que des engrenages, des bâtis, des joints j oints de tuyauterie, etc. Certains types de fontes malléables ont des propriétés assez proches de celles de l'acier pour être utilisés dans les situations qui exigent un surcroît de résistance à l'usure.

Fonte Nodulaire Dans la fonte nodulaire, aussi appelée fonte GS (graphite sphéroïdal), le graphite est présent sous forme de petites sphères (nodules), formées par l'addition de magnésium à la fonte avant la coulée. Cela améliore la résistance mécanique, mécanique, la ténacité et la résistance aux chocs. La fonte nodulaire peut être soumise à des contraintes élevées. Elle peut également être soudée, ce qui la rend comparable à l'acier. Elle est supérieure à la fonte grise à de nombreux égards, sauf en ce qui concerne sa capacité d'amortissement et sa conductibilité thermique. Elle peut être adoucie par recuit ou trempée, trempée, partiellement ou intégralement, intégralement, en coquille coquille ou à l'eau. Parmi les utilisations typiques de la fonte nodulaire, on trouve les vilebrequins, les bâtis de machines, les pistons, etc. 

Fonte alliée La fonte alliée contient des éléments d'alliage tels que le nickel, le chrome, le molybdène, le cuivre ou le manganèse en quantité suffisante pour améliorer certaines propriétés physiques. Habituellement, la teneur en alliage est de 3 % ou plus. Cette addition d'alliage peut améliorer: 

• la résistance mécanique; • la résistance à l'usure; • la résistance à la corrosion; • la résistance à la chaleur; • la capacité d'amortissement des vibrations.

La plupart de ces propriétés sont radicalement différentes de celles des autres fontes. Aussi, la fonte alliée est-elle normalement produite par des fonderies spécialisées. La fonte alliée est largement l argement utilisée dans l'industrie automobile pour fabriquer des pièces telles que les cylindres, les pistons, les carters et les tambours. On s'en sert aussi pour diverses pièces de machines machines et divers outils ou d'autres éléments éléments exposés à l'action d'agents d'agents abrasifs.

2. L’acier L’acier est un alliage de fer et de carbone qui contient généralement (en plus des impuretés) certains autres éléments. La teneur en carbone d’un acier est toujours inférieure à 0,5 %. 

Fer : moins de 0,1 % de Carbone ( C)

Fer industriel ou alors on parle d’acier à très bas carbone

Aciers doux : 0,1 à 0,3 % C L'acier doux est le métal le plus courant et le plus largement utilisé dans l'industrie de la transformation des métaux. Il sert à la fabrication d'une multitude de pièces, telles que les 

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boulons, écrous, écrous, les rondelle, les articles en tôle. Il constitue constitue environ 85% de la production de l'acier. Il est surtout choisi pour sa malléabilité à froid. À cause de leur faible teneur en carbone, les aciers doux ne peuvent être trempés par traitement thermique. En revanche, il peuvent être cémenté cémenté dans le but but d'augmenter leur leur quantité en carbone carbone en surface. surface. C'est pour cette raison que l'acier doux est est parfois appelé acier acier de cémentation. cémentation. L'épaisseur de la couche cémentée est habituellement inférieure à 1,2 mm. Après la l a cémentation, les pièces peuvent être trempées trempées afin de provoquer provoquer un durcissement durcissement structural en surface. Seule la surface pénétrée de carbone subira cette transformation. Cette formule est utilisée lorsque l'on désire une surface à la fois dure et résistante à l'usure et un noyau tenace.

Acier semi durs : 0,3 à 0,35 % C Les aciers semi-durs se trempent par traitement thermique, t hermique, mais dans certains cas, on a recours à la cémentation. Ces aciers offrent une meilleure résistance à la traction. On s'en sert largement comme aciers d'usage général: estampage de clés, marteaux, tournevis, éléments préfabriqués, ressorts, pièces forgées, etc. 

Aciers durs : 0,35 à 2 % C La trempe d'un métal est souvent exécutée par chauffage puis refroidissement à l'eau. Avec des pièces minces ou de petites dimensions, cela ne pose aucun problème, car les aciers au carbone sont appropriés pour ce genre de traitement. Par contre, avec les pièces de plus grandes dimensions ou plus épaisses, le noyau se refroidit plus lentement que la périphérie lors du refroidissement refroidissement de la pièce. pièce. La dureté est est alors répartie de façon façon inégale. De plus, des variations dimensionnelles inégales sont à l'origine l 'origine de tensions à l'intérieur des aciers au carbone. C'est pour éliminer ces inconvénients que l'on a développé les aciers alliés. 

Aciers alliés : Les propriétés particulières des aciers d'alliage sont déterminées par la quantité et les types d'éléments d'alliage qu'ils contiennent. contiennent. Il faut préciser que le carbone n'est pas considéré comme un élément d'alliage. Les aciers au carbone n'entrent donc pas dans la catégorie des aciers alliés. Par aciers alliés, on entend des aciers à teneur t eneur modérée en éléments d'alliage et qui exigent un traitement thermique pour acquérir les propriétés correspondantt à l'usage auquel ils sont destinés. Les alliages sont habituellement employés correspondan dans le but d'obtenir des propriétés supérieures. Par exemple, les éléments d'alliage permettent d'obtenir : 

• une meilleure élasticité; • une dureté accrue; • une meilleure ténacité; • une température critique modifiée (température à laquelle le métal subit une perte

de ses propriétés); • une résistance accrue à l'usure; • une meilleure aptitude à la trempe; • une meilleure résistance à l'oxydation (aciers inoxydables). 49 Samia Hannachi


Les principaux types d'aciers alliés sont les suivants: • acier au nickel; • acier au chrome; • acier au nickel-chrome; • acier au nickel-chrome-molybdène; • acier au chrome-molybdène; • acier au manganèse-molybdène; • acier de nitruration (durcissement de la surface par absorption

d'azote).

Le phosphore, le tungstène, le cobalt, cobalt, le silicium, le vanadium et le soufre entrent parfois dans la composition des aciers alliés. 

Aciers inoxydables

La principale propriété de l’acier inoxydable est sa résistance générale à la corrosion. Cette qualité provient du chrome qui forme une couche protectrice d’oxyde de chrome en surface.

Les quantités de chrome doivent cependant cependant être importantes, 2 % au minimum 30 % au maximum. C’est pour cela que l’acier inoxydable est un matériau cher (dans lequel on retrouve souvent du nickel en quantité appréciable, jusqu’à 36 %).

3. Ppropriétés de certains métaux ferreux

4. Elaboration de l’acier

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5.

Les produits finis : Les deux grandes familles de produits finis :

Les produits longs : Poutrelles en I , H, U , T.. Les cornières Les tubes les rails,    

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 

les palplanche palplanches, s, les fils, les ronds à béton.

Les produits plats :  Les produits laminés à chaud Plaques ; leur épaisseur épaisseur peut varier de 10 10 à 150 mm. Bobines leur épaisseur varie de 2 à 10 mm  



Produits plats laminés laminés à froid Ils Ils ont une épaisseur inférieure inférieure à 3mm 3mm ; Ces produits produits sont revêtus d’un métal protecteur qui les protège protè ge de la corrosion :   

Tôles plaquées, le plus souvent d’acier inoxydable.

Produits plats revêtus de plomb Produits plats pré laqués .

6. Procédés de fabrication Les trois familles de procédés (mise en forme, enlèvement de matière et assemblage assemblage). ). Les principaux procédés classés par famille sont donnés dans la liste suivante. 

Enlèvement de matière Usinage par machines-outils : Tour ; Perceuse sensitive ; Fraiseuse ;    

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    



Brocheuse. Outils de découpage : Scie à ruban ; Presse à poinçonner ; Outil progressif (progressive die).

Mise en forme Emboutissage ; Moulage au sable ; Pliage sous presse ; Forgeage ; Frittage ; Outil progressif (aussi dans outils de découpage).      



Assemblage Soudage par points ;      

Soudure à l’arc ;

Brasage ; Rivetage ; Vissage ; Boulonnage.

7. Comparaison Acier-Fonte Par rapport à l’acier, la fonte f onte est un matériau économique, mais il peut uniquement être mis e n forme par fonderie (et usinage de finition) parce qu’il ne peut pas subir de déformation plastique. La fonte résiste bien à la corrosion (mieux que l’acier), car les surfaces oxydées forment une couche protectrice. La fonte est moins ductile que l’acier mais elle résiste mieux à l’usure.

B. Les métaux non ferreux et leurs alliages Les deux métaux non ferreux les plus abondants dans le monde sont l'aluminium (si l'on considère l'écorce terrestre) et le magnésium (si l'on tient compte à la fois de l'écorce terrestre et des océans). il existe un grand nombre de métaux dont l'élément principal n'est pas le fer, mais seulement quelques-uns sont employés dans des applications techniques. Les métaux non ferreux ont les propriétés communes :  de ne pas être attirés par un aimant et  de résister à la corrosion .

1) L’aluminium La transformation de l'aluminium s'effectue en deux étapes principales: 53 Samia Hannachi


• fabrication de l'alumine; • transformation de l'aluminium par électrolyse.

La fabrication de l'alumine se fait à partir d'un minerai mi nerai appelé bauxite. On concasse le minerai et on le sèche à 700 °C, puis on additionne de la soude caustique et on mélange le tout. Plusieurs réactions chimiques ont lieu avant et après la décantation et la dilution du mélange. On procède ensuite à la filtration, au lavage, puis à la calcination à 1300 °C, ce qui, par réaction chimique, donne l'alumine. La transformation de l'alumine se compare à celle des aciers dans le four à arcs électriques. L'alumine fondue à haute température ( 1000 °C) par le courant des électrodes est décomposéee en aluminium et en oxygène. L'oxygène est consumé par les anodes et dégage du décomposé monoxyde de carbone (CO). Finalement, on recueille l'aluminium périodiquement pour en faire des lingots ou des pièces directement moulées. L'aluminium est un métal blanc tirant légèrement sur le bleu, dont on obtient facilement un beau fini poli. Il est aussi léger (trois fois plus que le fer) et très malléable. Il conduit la chaleur trois fois f ois mieux que l'acier, mais sa conductivité décroît plus rapidement lorsque la température augmente. L'aluminium vient au second rang des métaux les plus employés après l'acier. Il est léger, robuste, facile à usiner, souvent économique et il résiste à la corrosion. Tout comme l'acier inoxydable, dès l'instant où l'aluminium est exposé à l'air, sa surface se recouvre d'une pellicule transparente transparente qui le protège contre toute forme de corrosion. corrosion. L'aluminium n'est n'est pas magnétique, il est bon conducteur de chaleur et d'électricité.

Alliages d’aluminium 

Les alliages d'aluminium-magnésium : peuvent être forgés ou coulés, mais ils ne peuvent subir subir de traitement thermique, à moins qu'ils ne s'agisse s'agisse d'alliages coulés et qu'ils contiennent plus de 10 % de magnésium. Modérément tenaces et résistants à la corrosion, les alliages forgés sont utilisés dans la construction navale, pour les tubes d'usage général, les pièces de tôlerie, les structures soudées, etc. Les alliages alli ages coulés sont utilisés pour fabriquer des réservoirs et des récipients, des composants d'avions et de bateaux ainsi que des pièces d'architecture.



Le duralumin est un alliage d'aluminium, de cuivre, de magnésium, de manganèse, de silicium et de fer. Très léger, il durcit par vieillissement (durcissement graduel graduel à la température ambiante). Comme il résiste bien à la corrosion, le duralumin est idéal dans les domaines de l'aviation et de l'automobile.



Les alliages d'aluminium-manganè d' aluminium-manganèse se peuvent être durcis uniquement par travail à froid (forgeage). La plupart de ces alliages se prêtent bien au formage et au soudage. On utilise ce type t ype d'alliages essentiellement essentiellement pour les l es ouvrages structuraux, les tôles, les récipients, etc.



Les alliages d'aluminium-zinc contiennent, en plus du zinc, d'autres éléments comme le cuivre et le magnésium. On obtient ainsi certains alliages d'aluminium parmi les plus robustes. Le Le durcissement se fait par vieillissement. Ces Ces alliages sont sont

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principalement employés employés dans l'industrie l'industrie aérospatiale pour pour les structures d'avions et pour des pièces pièces soumises à des contraintes élevées.

Les alliages d'aluminium-silicium sont très faciles à couper, ce qui permet de réaliser des formes complexes et des pièces à parois minces. On les trouve surtout dans l'industrie automobile: corps de carburateurs, pistons de moteurs, blocs-cylindres, etc. De plus en plus de pièces sont coulées à partir d'alliages d'aluminium en raison de la légèreté de ce métal. 

Les alliages d'aluminium-magnésium Le magnésium est produit en grande quantité quantité à partir de l'eau de mer. Il s'agit d'un métal blanc argenté très léger qui ressemble ressemble à l'aluminium. Cependant, Cependant, il s'oxyde s'oxyde facilement et sa surface se couvre alors d'une pellicule grisâtre. Il est modérément résistant aux produits chimiques tels que les acides, l'alcool, le phénol, les hydrocarbures, les huiles, etc. Il risque de s'enflammer lorsqu'il est chauffé à l'air libre. Il est n'est donc pas facilement soudable, sauf s'il est allié à du manganèse ou de l'aluminium. Le magnésium est employé comme désoxydant pour le laiton, le bronze, le nickel et l'argent. En raison de sa légèreté, on l'utilise pour fabriquer des pièces d'avions. Les alliages de magnésium se retrouvent, par exemple, dans les machines à coudre et les machines à écrire. 

2) Le cuivre Le cuivre est un métal brun tirant légèrement sur le rouge. Il permet p ermet d'obtenir facilement un beau fini poli. Il est est assez léger. Le cuivre vient au troisième rang des métaux les plus utilisés après l'acier et l'aluminium. C'est le premier métal à avoir été utilisé utili sé par l'être humain. Ses propriétés sont multiples, mais il se distingue surtout par sa bonne conductibilité électrique. Le cuivre est facile à mettre en forme. Il possède une grande résistance aux intempéries et de bonnes caractéristiques mécaniques. mécaniques. Le cuivre ternit t ernit mais ne rouille pas. Il possède néanmoins néanmoins une faible résistance à certains acides. Une pellicule adhérente se forme sur les alliages de cuivre, les protégeant ainsi contre la corrosion. Tout comme l'aluminium, les alliages sont plus résistants que le métal pur. Le cuivre à l'état pur est utilisé util isé pour fabriquer des fils électriques, de l'appareillage de communication, de la tuyauterie, des toitures, etc. Le cuivre est vendu sous les mêmes formes que les aciers. Très ductile et malléable, on peut aussi l'obtenir sous forme de fils, de tôles, de tubes, de forgeages et de pièces moulées.

Alliages de cuivre Laitons On reconnaît facilement le laiton à sa couleur passant du rouge cuivré, pour les alliages riches en cuivre, jusqu'au jaune pour les alliages qui contiennent un peu plus de 36 % de zinc, comme c'est le cas des alliages alli ages les plus souvent utilisés dans les ateliers d'usinage. On peut facilement obtenir un beau fini lisse. Le laiton est un alliage de cuivre et de zinc dont la teneur en zinc peut excéder 50 %. Chaque type de laiton présente des caractéristiques particulières. On apporte d'importantes modifications à ces alliages en ajoutant, en faible quantité, des éléments comme le plomb, l'aluminium, l'étain, le fer, le manganèse, le nickel et le silicium. Le laiton possède une bonne résistance à la corrosion et aux contraintes mécaniques, ainsi qu'une ductilité et une malléabilité assez élevées, mais moindres que celles du cuivre et de 55 Samia Hannachi


l'aluminium purs. Les qualités du laiton font en sorte qu'il peut servir à l a fabrication d'accessoiress électriques, de raccords, de rivets, de tuyaux, de pièces embouties, de tubes et de d'accessoire tôles. On choisit le laiton à grande ténacité pour les pièces de structures nécessitant une grande résistance. Le laiton jaune est utilisé util isé dans la fabrication de conduits (radiateurs, ( radiateurs, systèmes de climatisation, bornes d'accumulateurs, d'accumulateurs, etc.) et de différentes petites pièces coulées. Cet alliage alli age est utilisé lorsqu'on doit obtenir des pièces qui s'usinent bien à faible coût. Le laiton rouge est utilisé util isé dans la fabrication de couronnes mobiles et de pompes centrifuges, d'accessoiress sur les conduites à essence et de transport d'huile, de petits coussinets, etc. Ce d'accessoire laiton est classé dans la catégorie des laitons à décolletage rapide. Il possède d'excellentes d'excellentes propriétés au regard regard du moulage et et de la qualité du fini de surface.

Bronzes Il y a quelques années, seuls les alliages de cuivre-étain étaient considérés comme du bronze. Avec le temps et l'exigence d'autres propriétés, la définition du bronze s'est un peu élargie. Les bronzes contiennent d'autres éléments d'addition principaux comme l'aluminium, le plomb, le nickel, le manganèse, manganèse, etc., et ce terme terme s'applique aujourd'hui aujourd'hui à n'importe quel alliage de cuivre autre que l'alliage de cuivre-zinc (laiton). La couleur des bronzes varie du rouge au jaune, suivant la composition des alliages. Les bronzes sont identifiés selon l'élément principal ajouté au au cuivre. o

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Aluminiums : On emploie ces bronzes dans des applications telles que les engrenages, engrenages, les outils, les éléments de fixation, les aubes de turbines ainsi que les coussinets Nickel: Les alliages de ce type ont des applications diverses, notamment les tubes, les arbres, les paliers et les roulements, les corps de valves, etc. Silicium ; ces bronzes sont très utiles dans les industries chimique, pétrolière et marine. On en fait des réservoirs, de la tuyauterie, tu yauterie, des paliers, des pignons, des engrenages, etc. Beryllium ; On s'en sert dans la fabrication des ressorts, des matrices, des filières, des tubes et des appareils à contacts à haute résistance.

3) Titane Le titane est un métal blanc et brillant. Le titane et ses alliages se distinguent par les caractéristiques suivantes: • très bonne résistance à la corrosion; • charge à la rupture élevée; • bonnes propriétés mécaniques à haute tempéra ture.

Le titane est aussi résistant que l'acier, tout en étant deux fois plus léger. l éger. On l'utilise dans les industries aérospatiale et chimique.

4) Nickel Le nickel est un métal blanc grisâtre présentant une bonne dureté. Il est malléable et ductile. À l'état pur, le nickel est meilleur conducteur que les aciers. toutefois, lorsqu'il est allié avec du cuivre, du chrome, du fer ou du molybdène, il est moins conducteur. On utilise le nickel comme élément d'alliage pour augmenter la ductilité, la dureté et la résistance tant des métaux ferreux que non ferreux. On utilise les alliages de nickel pour produire des pièces pièces devant supporter supporter des températures températures élevées : résistances résistances électriques électriques d'appareils de chauffage, évaporateurs et échangeurs pour l'industrie chimique, accessoires de décorations lumineuses. o L'Inconel et le Monel sont des alliages de nickel couramment utilisés. 56 Samia Hannachi


o

L'acier inoxydable est un alliage de nickel, de chrome et de fer.

C. Comparaison métaux ferreux - métaux non non ferreux En raison de leurs nombreuses propriétés, les métaux non ferreux rivalisent de plus en plus avec les les métaux ferreux et tendent tendent à les remplacer remplacer dans bon nombre nombre d'applications.

Résistance à la corrosion Les métaux non ferreux résistent mieux à la corrosion que les métaux ferreux. Ces derniers, à l'exception des aciers inoxydables, sont grandement attaqués par la corrosion. 

Conductivité électrique La conductivité électrique des métaux non ferreux est largement supérieure à celle des métaux ferreux. 

Conductivité thermique En général, la conductivité thermique des métaux ferreux est inférieure à celle des métaux non ferreux. 

Ferromagnétisme Tous les métaux ferreux, à l'exception l' exception de l'acier inoxydable austénitique, sont attirés par un aimant. Quant aux métaux non ferreux, ils ne le sont pas, à l'exception du nickel et du cobalt. 

Densité L'aluminium, le zinc et l'étain sont plus légers que le fer, tandis que le nickel, le cuivre, 

l’'argent, le plomb et l'or sont plus lourds que le fer.

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Chapitre 6 : Les céramiques et verres I.

Les céramiques

Définition : La racine grecque du mot céramique est « Kéramos » qui signifie « argile ». C’est un produit issu de la cuisson d’une terre argileuse qui peut être émaillée ou vitrifiée en surface pour donner la faïence , de la porcelaine…etc.

1. Introduction Une céramique est est un matériau solide de synthèse synthèse qui nécessite souvent souvent des traitements thermiques pour son élaboration. La plupart des céramiques modernes sont préparées à partir de poudres consolidées consolidées (mise en forme) et sont densifiées par un traitement thermique (le frittage). La plupart des céramiques sont des matériaux poly- cristallins, c’est à dire comportant un grand nombre de microcristaux bien ordonnés (grains) reliés r eliés par des zones moins ordonnées (joins de grains). 2. Gamme de matériaux en céramiques    

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Habitat et design : "céramiques traditionnelles" : vaisselle, carreaux de sol et de mur, sanitaire, matériaux de construction : briques, tuiles Industries céramiques et métallurgie : hautes températures (2000°C) matériaux réfractaires (haut fourneau, poche de coulée…) Energie et transport éléments chauffants pour les fours haute température, bougies d'allumage d'allumage et de préchauffage, préchauffage, filtres à particules, supports de catalyseurs…

Aéronautique et spatial : composites à matrice céramique volets de tuyères, chambre de combustion, nez, bord d'attaque, bouclier thermique des navettes spatiales. Médical : biocéramiques chirurgie réparatrice, domaine dentaire; Electrotechnique et électronique condensateurs condensateurs multicouches, composants piézoélectriques, 58 Samia Hannachi


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thermistance,

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céramiques magnétiques…

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Revêtements céramiques : dépôts de borures, carbures, nitrures, carbonitrures, carbone et oxyde.

3. Propriétés des matériaux céramiques Les céramiques sont caractérisées par des liaisons fortes, ce qui se traduit dans la pratique par ; - Une très bonne tenue en température ; - Une excellente rigidité élastique ; - Une bonne résistance à la corrosion ; - Une bonne résistance à l’usure. - matériaux fragiles - Pas de ductilité - Sensibilité aux aux chocs thermiques - Faible ténacité - Résistance mécanique mécanique en traction faible devant devant la résistance en compression compression - Mauvais conducteurs de chaleur chaleur et d’électrcité.

4. Classification des céramiques On distingue deux grandes classes des céramiques : - céramiques silicatés (de construction) et - céramiques techniques.

59 Samia Hannachi


Les céramiques sont classées selon les qualités suivantes (de la plus artisanale aux plus avancés) :  Terre cuite (Briques, tuiles, poteries, conduits de fumée, tuyau de drainage, etc.) ;  Faïence (Équipement sanitaire, vaisselle, carreaux, etc.) ;  Grès (Carreaux de sol, appareil de chimie, équipement sanitaire, etc.) ;  Porcelaine (Vaisselle, appareil de chimie, isolateur électrique, etc.);  Produits réfractaires (application dans l’industrie thermique, etc.);  Céramiques techniques avancées (composant semi-conducteur, outils de coupe, pièces de moteurs, etc.). 5. Fabrication Fabrication d’une pièce céramique

Parmi les oxydes rentrant dans la composition des argiles sont : - Oxyde de silice SiO 2 ; - Oxyde d’alumine Al 2 O 3 ; - Oxyde ferrique Fe 2 O 3 ; - Oxyde de Calcium CaO;

6. Les procédés de mise en forme Le choix de la méthode pour la fabrication d'un corps crus de poudre dépend de plusieurs facteurs comme les propriétés souhaitées, la géométrie de la pièce, sa taille, les tolérances dimensionnelles, l'état de surface, et naturellement naturellement le prix et taux de production. Les procédés de mise en forme consistent, à partir des matières premières plus ou moins humides (barbotine, pâte plastique, poudre) à donner sa forme à l’objet céramique. 60 Samia Hannachi




parti r d’une pâte plastique Les procédés manuels : mise en forme manuelle à partir - le modelage - le moulage - le tournage

Les procédés mécanisés : 4 types de façonnage 1. Le pressage  Pressage unidirectionnel :  Pressage isostatique : bougies d'allumage,buses réfractaires, billes de roulement, 2. Le coulage de barbotine dans des moules en plâtre plâtr e  le coulage en « revidé » : pour les pièces creuses  le coulage « entre deux » 3. Le moulage par injection A la poudre céramique est ajoutée une résine organique pour obtenir une pâte suffisamment rigide ("pâte plastique") pour être moulée moulée à température ambiante pour des petites pièces de de formes complexes. 

4. L'extrusion  profilés, pleins ou alvéolés, tubes, tiges, tiges,

7. Traitements thermiques des céramiques Le frittage permet de transformer le comprimé de poudre (corps crus) en une masse solide et cohérente par l'effet de la température. Des liaisons chimiques sont formées entre les particules, et pores pores entre les particules particules sont plus ou moins comblés. L'action de la chaleur sur les pâtes céramiques se traduit par 2 phénomènes :

a) Départ de l'eau ; eau éliminée au séchage et à la cuisson. o

o

o

o

Eau interstitielle ou eau libre : qui remplit les espaces libres entre les particules et dans les pores ; son départ (à 100-200°C) entraîne un retrait Eau d'humidité ou eau d'adsorption : eau adsorbée mécaniquement par la surface du minéral ; son départ (vers 300°C) ne détruit pas la structure cristalline et donne lieu à des phénomènes réversibles Eau zéolithique : eau qui reste autour de chaque particule (elle est surtout insérée entre les feuillets des argiles) par l'effet des forces de Van der Waals; son départ(400°C) ne détruit pas la structure cristalline, donne lieu à des phénomènes réversibles et ne provoque pas de retrait. Eau éliminée à la cuisson : eau de constitution cette eau résulte de la libération des hydroxyles appartenant appartenant au réseau. Son départ (vers 560°C) détruit la structure cristalline du minéral. Il donne lieu à un phénomène irréversible. b) Transformations Transformations physico-chimiques

61 Samia Hannachi




450°C – 800°C : décomposition Matières argileuses : départ d'eau d 'eau de constitution.



573°C-870°C : recomposition, fusions et cristallisations.



1000°C – 1300°C : augmentation des processus de fusion, Cristallisations.

Le frittage (définition) Consolidation sous l’effet de la température d’un agglomérat pulvérulent

; les particules se

soudent les unes aux autres pour donner un solide mécanique cohésif.

Différents types de frittage Frittage naturel : consolidation par traitement thermique sans pression extérieure Frittage sous charge : consolidation par traitement thermique avec application d’une pression extérieure extérieure Frittage en phase solide : la consolidation et l’élimination de la porosité se fait sans apparition de phase liquide nécessité de particules très fines et de hautes températures Frittage en phase liquide : écoulement visqueux et réarrangement des grains, dissolution, re précipitation puis Frittage sans réaction température puis

développement d’un squelette solide : frittage précédé d’un chamottage (matières premières traitées à haute

broyées) Frittage réactif : mélange de poudres ; réaction chimique au cours du traitement trait ement thermique.

62 Samia Hannachi


II.

Le verre

1. Introduction Le verre est un matériau connu depuis plus de 5000 ans. Toutefois, ce n’est qu’aux environs

de 1920 que la mécanisation est apparue dans les processus de production. Le processus de fabrication comprend essentiellement essentiellement trois phases : verre proprement dite, au départ de matières premières, comprenant : 1. L’élaboration du verre

- la fusion aux environs de 1.500 ° - l’affinage aux environs de 1.400° C Cette dernière opération consiste essentiellement à débarrasser le verre fondu des gaz pouvant apparaître sous forme de bulles. 2. Le façonnage, c’est-à-dire la mise en forme des produits verriers, souvent précédée d’un

conditionnement conditionnement qui amène le verre dans un état où il peut être travaillé. 3. La recuisson, traitement traitement thermique particulier qui, en réduisant les contraintes internes, internes, rend le verre utilisable.

1. La composition du verre Les principales matières premières utilisées se classent en trois catégories : Les vitrifiants, les fondants et les stabilisants. A ces matières s’ajoutent les affinants, les colorants et les opalisants. La principale fonction de ces diverses catégories s’explique par

leur désignation : - les vitrifiants sont les éléments de base qui créent la structure vitreuse ; La silice (sable) - les fondants permettent de fondre les vitrifiants à des températures acceptables ; carbonate de sodium ou de potassium. - Les stabilisants permettent d’empêcher la détérioration dans le temps des verres fondus ; chaux, magnésie et alumine. - les affinants facilitent l’élimination des gaz provenant des réactions chimiques ; le sulfate de sodium et le nitrate de sodium et de potassium - les colorants apportent les éléments nécessaires à la coloration du verre ; les oxydes de manganèse, manganèse, fer, nickel, cobalt, chrome, cuivre, uranium, vanadium. - les opalisants sont utilisés lorsque les verres ne doivent pas être transparents ; fluor et les phosphates.

2. Les propriétés du verre 63 Samia Hannachi


Propriétés physiques - La transparence : mais il peut être opaque ou opalescent. - La dureté : seuls les diamants et le carbure de tungstène le rayent. Le verre le plus dur est le verre de Bohème et le cristal est le plus tendre. t endre. - La densité : elle dépend des composants ; elle est d’environ 2,5. Cela signifie qu’un mètre cube pèse environ deux ton nes et demie ou qu’une feuille d’un mètre carré et d’un millimètre d’épaisseur pèse 2,5 kg. - La résistance et l’élasticité : la cassure du verre est liée à sa flexion et à

sa résistance au choc. Il casse là où le métal se tord. Contrairement, sa résistance à la compression est importante : il faut une pression de 10 tonnes pour briser un centimètre cube de verre. - L’imperméabilité : elle est extrêmement grande mais le verre reste poreux pour certains liquides comme le kérosène ; on dit « qu'il sue ».

Propriétés thermiques - La dilatation : c’est un très mauvais conducteur de chaleur. Il se brise s’il subit un brusque changement changement de température car les différentes parties du verre ne se réchauffent pas en même temps. Son coefficient de dilatation est faible, ce qui lui confère de nombreuses applications : il sert d’isolant thermique (laine de verre). - La conductivité : il est mauvais conducteur conducteur (environ 500 fois moins que le cuivre); on l’utilise comme isolant électrique. C’est aussi un bon isolant acousti acousti que suivant l’épaisseur de la feuille.

- Il est ininflammable et incombustible. i ncombustible.

Propriétés chimiques - L’action de l’eau : l’eau agit sur les silicates qui, en se décomposant, forment un dépôt en surface qui devient peu à peu opaque ; le verre perd de sa transparence. alc alins se combinent avec l’acide carbonique contenu dans - L’action de l’air : les silicates alcalins l’air ce que donne un dépôt blanchâtre à la surf ace du verre. - L’action de la lumière : exposés aux ultraviolets, certains verres se colorent ou se décolorent. - L’action des acides : ils décomposent la silice, le plus rapide est l’acide fluorhydrique qui

permet de graver graver en profondeur le verre plaqué. Le verre peut donc donc être dissout. 3. La fabrication du verre

64 Samia Hannachi


4. La recuisson du verre Le refroidissement de la matière est inégale : certaines parties restent chaudes pendant pendant que d'autres refroidissent plus lentement. Des tensions se créent favorisant la casse du verre. La recuisson annule les tensions provoquées par ces différences de température. Elle comporte

3 phases : 1. La température du verre descend suffisamment pour que le verre ne risque pas de se déformer, mais reste encore assez chaude pour conserver sa viscosité. Les contraintes disparaissent entre 500° et 550°C pour les verres courants. 2. La température est abaissée à 400°C jusqu'à ce qu'il devienne rigide. Cette phase de refroidissement évite la formation de nouvelles contraintes. 3. Simple refroidissement jusqu'à température ambiante.

5. Les différents types de verre 



Les verres sodo-calciques : Exemple de composition : Silice (72%) + soude (13%) + chaux (5%) C'est le plus commun des verres. Il a une bonne stabilité chimique, mais il est sensible aux chocs thermiques. Il est utilisé pour la fabrication des verres plats et creux, des ampoules électriques et en bouteillerie. Les verres borosilicates :

65 Samia Hannachi


Exemple de composition : Silice (80%) + anhydride borique (13%) + soude (4%) + alumine (3%) Le plus connu est le Pyrex (1915) qui possède une bonne résistance aux chocs thermiques. On en fait des ustensiles de laboratoire et de cuisine (résistance à la chaleur et aux agents chimiques). Il sert aussi pour l'isolation (fibres de verre) et le stockage de déchets radioactifs. 







Les verres au plomb : Exemple de composition : Silice (62%) + oxyde de plomb (21%) + potasse (7%) On l'appelle cristal si la teneur en oxyde de plomb est supérieure à 24 %. Il sert en gobeleterie et en verrerie d'art, pour les téléviseurs et en électronique. Le cristal est limpide, très sonore, très résistant à la dévitrification (attention : sa matière n'a rien de cristallisé). En élevant la teneur en plomb (60%), on obtient un verre dense utilisé pour la protection des rayons X. Le verre contient du plomb s'il noircit lorsqu'on le chauffe au chalumeau. Le verre de silice : Il contient au moins 96% de silice. Il est très employé grâce à sa grande pureté (transparence optique) et pour sa résistance aux températures élevées, à la corrosion et aux chocs thermiques. On l'utilise pour la fabrication de tubes de lampe à halogène, des éléments d'optique et des miroirs de télescope. Les vitrocéramiques (ou vitro cristallins) : Exemple de composition : Silice (75%) + alumine (15%) + sel de titane (5%) + oxyde de lithium (3%) Ce sont des dérivés du verre dont la fabrication est basée sur le principe de dévitrification. La transformation en céramique semi-cristalline s'obtient par un traitement thermique appelé "céramisation" qui permet d'obtenir un début de cristallisation. La température de cristallisation est à environ 800° et la cristallisation dure environ 2 heures. Les vitrocéramiques peuvent posséder posséder une grande résistance à la rupture et un coefficient de dilatation très faible, ce qui leur permet d'être très résistants aux chocs thermiques. Ils sont notamment utilisés en verrerie culinaire résistante au feu (plaques de cuisson). On les utilise aussi pour fabriquer des miroirs de télescope géant d'environ deux mètres de diamètre. Les fibres de verre Les fibres de verre sont produites essentiellement sous deux formes : les fibres d’isolation et les fibres textiles. Elles sont destinées à des usages très différents. Ces fibres se présentent sous la forme d’un enchevêtrement de fibres assez courtes

constituant une sorte de matelas, souvent désigné sous le nom de « laine de verre ». Le diamètre moyen d’une fibre est de quelques microns. Le matelas est considéré comme 66 Samia Hannachi


un isolant thermique en raison de l’air emp risonné et immobilisé entre les fibres et qui

représente plus de 99% de son volume.

6. la trempe du verre Un verre plat se brise facilement lorsqu’il subit des contraintes de flexion. La flexion provoque des tensions (des forces) dans l’épaisseur du verre. On distingue distingue des tensions de compression et d’extension qui sont la cause de la casse.

Un verre plat devient un produit de sécurité lorsqu’il subit un processus de trempe. Celle-ci le rend cinq fois plus résistant à la flexion et aux chocs thermiques. Il existe deux possibilités de traitement : la trempe thermique et la trempe chimique.

La trempe thermique : (Attention : ne pas confondre avec la recuisson du verre) Le volume de verre est chauffé jusqu'à 700°C (température où les molécules peuvent se déplacer), puis refroidit très rapidement et uniformément à 300°C par des jets d’air froid. Les couches externes sont refroidies en premier. La surface se rigidifie car les molécules diminuent de volume et atteignent leurs dimensions définitives avant celles de la couche interne. Quand les régions internes se contractent contractent à leur tour, tour , elles «tirent» sur la surface et créent une tension résiduelle de compression. Le procédé crée des tensions permanentes dans l’épaisseur du verre. On distingue trois

couches de tensions qui permettent de compenser les tensions inverses subies par un choc éventuel, par une flexion.

La trempe chimique : Elle est plus facile à contrôler que la trempe thermique mais elle est plus coûteuse et réservée

67 Samia Hannachi


à des verres spéciaux (hublot pour avion). Le verre est immergé dans un bain salin (sel de potasse ou nitrate de potassium fondu) à 400°C pendant une durée de 12 à 36 heures (ou plus en fonction de la résistance désirée). Les ions sodium du verre quittent sa surface et sont remplacés par les ions potassium qui sont plus grands ; ceux-ci compressent la surface interne qui se met en extension. Il y a donc une compression très élevée sur une très faible épaisseur de la surface.

7. Conclusion

Si on compare les céramiques aux verres, les deux types de matériaux peuvent être obtenus à partir des mêmes matières premières. premières. La différence est que, que, dans le cas cas du verre, on on porte la matière première à son point de fusion, et, une fois obtenu l’état liquide, on la met en forme (dans un moule, ou par soufflage). A l’inverse, pour élaborer une céramique, on commence par la phase de mise en forme de la matière première à l’état de poudre, à température ambiante. Ensuite, la cuisson se fait à une

température bien inférieure à la température de fusion du matériau. Lors de cette cuisson, les particules (les grains grains de la poudre) poudre) se soudent les unes unes aux autres, autres, en éliminant la plupart plupart des pores ou des des cavités interstitielles, et, en en conséquence, conséquence, le corps se contracte et et durcit, mais garde sa forme de départ. Ce procédé s’appelle le frittage.

68 Samia Hannachi


Chapitre 7 : Polymères et Composites I. Polymères 1. Définition Sous le nom générique de polymère ou de matière plastique, on désigne une vaste gamme de matériaux extraits artificiellement de substances organiques et qui présentent la propriété de pouvoir être formés par échauffement. échauffement. Il existe : 

Des polymères naturels. Exemples : La cellulose ; L’amidon ; Les protéines ; Etc…

Des polymères synthétiques ; fabriqués à partir de petites molécules issues de la pétrochimie. Exemples : Le polyéthylène ; Le polystyrène ; Le PVC ; Les polyesters ; Etc… Un monomère est une molécule composée principalement de carbone et d’hydrogène. 

Le terme macromolécule désigne simplement des grandes molécules. Ce terme est souvent utilisé pour désigner un enchaînement de monomères. Un polymère peut être défini comme un enchaînement d’unités structurales L’unité de répétition dans le polymère étant le monomère.

répétitives.

Exemple :

CH2-CH2- est l’unité du polymère.

2. Polymérisation Polymérisation : Procédé de transformation d'un monomère en un polymère

69 Samia Hannachi


La réaction qui conduit à la formation des polymères est la polymérisation. Il existe deux types importants de polymérisation. pol ymérisation.

La polyaddition : Les monomères se soudent entre elles ; la réaction par addition ne génère que des polymères de longueurs spé cifiques, sans élimination d’aucun sous -produit. La totalité des atomes des monomères se retrouvent dans la macromolécule (le polymère). Ex: les résines époxydes. La polycondensation : les monomères se soudent entre elles pour former des produit, l’eau en général. Ex: les résines macromolécules macromolécules avec élimination d’un sous - produit, phénolique, les résines aminoplaste polyester

3. Structure des polymères (macromolécules) La soudure des groupes moléculaires du monomère peut donner naissance à trois types t ypes principaux de macromolécules macromolécules Polymères linéaires  Polymères ramifiés  Polymères réticulées Polymères linéaires : 

Les polymères les plus simples sont formés d’un alignement de monomères. Les liaisons entre ces monomères se réalisent dans une seule direction. Il s’agit donc de macromolécules filiformes, que l’on qualifie de linéaires.

Exemple : le Teflon …

- CF 2 - CF 2 - CF 2 - CF 2 - CF 2 - …

Polymères ramifiés : Un polymère linéaire qui, dans certains cas, présente pr ésente des « accidents » de polymérisation conduisant à des branchements, est qualifié de ramifié.

Exemple : le polyéthylène (PE)

Polymères réticulés (tridimensionnels) : 70 Samia Hannachi


Certaines molécules peuvent se lier entre elles, elles ell es se nomment alors réticulées. Il s’agit d’un pontage entre les chaînes. Le plus souvent, ces liaisons sont tridimensionnelles, c’est-à-dire qu’elles se développent dans les trois directions de l’espace, donnant une structure en volume (parfois bidimensionnelles, ne se développant que dans un plan). Il arrive que la totalité de la masse ne form e qu’une seule macromolécule.

Exemple : le caoutchouc caoutchouc Les liaisons de réticulation sont faites fait es par le souffre. Il s’agit s’a git du procédé de vulcanisation.

4. Les différents groupes groupes de matières plastiques En général, les polymères formés à partir de chaînes linéaires non réticulées et flexibles sont souples (à certaines températures) tandis que les polymères très réticulés, r éticulés, formant un réseau tridimensionnel sont plus rigides. Les premiers donnent lieu à des polymères thermoplastiques, les seconds à des polymères thermodurcissables. On distingue principalement trois groupes   

les thermoplastes les thermodurcissables thermodurcissables les élastomères

Les thermoplastes Définition : Matière plastique retrouvant sa plasticité à chaud et durcissant lors du refroidissement. [1]

Exemples de thermoplastes : Le polychlorure de vinyle (PVC)  Les résines acryliques (PMMA - plexiglas)  Les polyéthylènes  Les polyamides  Les polycarbonate pol ycarbonatess Les thermoplastes sont constitués de macromolécules linéaires. Les polymères de ce type sont en principe solubles et fusibles (susceptible de fondre). On peut les fondre, puis les former à 

l’état fondu. Ils gardent leur forme après refroidissement ref roidissement et peuvent être fondus à nouveau,

pouvant recevoir recevoir une nouvelle forme. A basse température les macromolécules macromolécules linéaires linéaires sont enchevêtrées. enchevêtrées. Le produit est dur, tenace (résiste à la l a rupture), non élastique, parfois cassant (mais moins que le verre). A une température plus élevée (souvent voisine de 100°), 71 Samia Hannachi


l’agitation moléculaire croissante provoque la rupture d’un nombre gran dissant de liaisons.

Les chaînes acquièrent une certaine liberté leur permettant de se tendre et de se détendre, sous l’action de forces extérieures. Le produit devient élastique, caoutchouteux. Cet état convient

pour certains formages. formages. Si on élève encore la température, il n’y a presque plus de liaisons, les molécules peuvent glisser les unes sur les autres, le produit passe progressivement à l’état liquide. C’est dans cet

état que le thermoplaste peut être mis en forme. Au-delà d’une certaine température, dite de décomposition, les molécules se détruisent. La température de fusion étant souvent très proche de celle de décomposition, on abaisse la température de fusion en incorporant un plastifiant au thermoplaste, ce qui améliore en même temps la souplesse à température ordinaire. Les plastifiants diminuent dimi nuent la cohésion entre les chaînes.

Les thermodurcissables thermodurcissables Définition : Se dit d'une matière plastique qui perd définitivement son élasticité sous l'action de la chaleur. [2]

Exemples de thermodurcissables thermodurcissables Les époxydes  Les polyesters non linéaires  Les phénoplastes Les thermodurcissables thermodurcissables sont constitués de macromolécules macromolécules réticulées réticulées (tridimensionnelles). Une fois la polymérisation achevée, achevée, le produit est devenu insoluble insoluble et définitivement infusible. Dans certains cas il peut y avoir ramollissement mais sans fusion. Au- delà d’une 

certaine température c’est la décomposition.

Certains de ces produits ont une rigidité rappelant celle du verre. Ils ne peuvent plus être travaillés que par usinage, pour autant qu ’ils ne soient pas trop cassants. D’autres sont cependant souples et tenaces comme la corne (état corné).

Les élastomères Définition : Polymère synthétique possédant les propriétés du caoutchouc naturel, telle qu'une grande capacité d'extensibilité et de reprise élastique. [3]

Exemples d’élastomères  

Le polychloropène (néoprène) Le caoutchouc

72 Samia Hannachi


On désigne sous le terme d’élastomère, toute substance présentant des propriétés comparables

à celles du caoutchouc, quelle que soit sa constitution. Cette classe très particulière des « plastiques pl astiques » comprend des produits naturels et leurs dérivés (caoutchouc) ou des matières synthétiques s ynthétiques.. A température ordinaire, les macromolécules forment un réseau déformable. Elles peuvent, sous l’effet d’une force de traction extérieure, se déplier. Elles présentent alors un allongement considérable. Ce phénomène appelé haute élasticité est réversible. r éversible. Sitôt relâché, le produit reprend ses dimensions primitives.

Résumé :

5. Les additifs Ce sont en général des produits organiques qui, ajoutés aux polymères, modifient leurs propriétés chimiques chimiques et physiques physiques : Pigments et colorants Selon que l’on désire colorer un produit opaque ou transparent, on utilise un pigment

insoluble ou soluble. Lubrifiants Ils améliorent l’écoulement des polymères lors de leur mise en forme.

Plastifiants Ils diminuent la rigidité. Ils permettent la mise en forme à des températures inférieures à la température de décomposition de certains polymères linéaires. Stabilisants Ces produits permettent de réduire les phénomènes de vieillissement dus à la chaleur, les UV, etc. 73 Samia Hannachi


Ignifugeants Ils améliorent la résistance au feu. Fongicides Ils empêchent l’attaque par de micro -organismes (éviter la pourriture).

Produits divers Ils s’emploient pour accélérer ou retarder la polymérisation, limiter l’accumulation des

charges statiques, désodoriser, etc.

6. Propriétés des différentes matières plastiques Le succès des plastiques comme le PVC, le polyéthylène, polyéthylène, le polypropylène pol ypropylène ... s'explique par leurs propriétés spécifiques, dont les plus importantes sont:

Une technologie de transformation variée et économique , grâce à une température de fusion relativement basse, entre 200 et 400°C pour la plupart des thermoplastiques ou une mise en forme à température ambiante pour certains thermodurcissables; •

•

Une faible masse volumique , permettant une manipulation aisée et une construction

légère;

Une bonne ténacité et une excellente résistance au choc pour certains types, comme le PE, le PC et le PVC plastifié; •

Une coloration dans la masse et un aspect brillant , rendant superflus des traitements de surface postérieurs, comme le dégraissage, le polissage, le vernissage, la peinture ou le laquage; laquage; •

Une résistance chimique exceptionnelle , même dans des milieux extrêmement corrosifs, ils résistent parfaitement à l'oxydation; l 'oxydation;

•

•

Une isolation électrique excellente , ce sont donc de bons isolants;

Une faible conductivité thermique, encore améliorée si la matière plastique est moussée. Les plastiques sont donc des isolants thermiques.

•

•

Aucun phénomène d'oxydation .

Les limites les plus fréquentes posées à l'usage de certaines matières plastiques sont : Une rigidité et une résistance mécanique moins élevées élevées que pour les métaux, exception faite pour les composites ou pour quelques fibres synthétiques de haute performance. •

Le fluage: quand un thermoplastique, comme le PE, est chargé, il subit une déformation immédiate, suivie d'une déformation lente au cours de la durée de cette charge.

•

74 Samia Hannachi


Ce phénomène est plus prononcé quand la température est plus élevée. Le fluage nécessite un dimensionnement dimensionnement judicieux sur base de prévisions de la durée et de la température d'usage.

La fragilité au choc à basse température : le PVC rigide par exemple est fragile f ragile en dessous de O°C, le PE et. Le PC garde une bonne ténacité jusqu'à -40°C. •

L'instabilité dimensionnelle à haute température: coefficient de dilatation 7 X plus élevé que l'acier. Les températures maximales d'usage en continu varient entre 70°C pour le PE, le PS et le PVC rigide et plus de 300°C pour certains plastiques techniques, renforcées de fibres de verre. •

Le vieillissement ou la dégradation sous l'influence de la radiation solaire (rayons ultraviolets): certains plastiques, comme le PS, y sont très sensibles, d'autres, comme le PMMA, ne vieillissent pas. •

Le comportement au feu : toutes les matières plastiques peuvent brûler vu leur structure organique, Certaines matières plastiques s'enflamment facilement, alors que d'autres, comme le PVC et le PF, sont auto-extinguibles: ils s'éteignent immédiatement en dehors du feu et sont donc difficilement inflammables. L'inflammabilité peut en outre être réduite effectivement au moyen d'additifs ignifugeants. Il est à conseiller de prescrire pour toute application dans le bâtiment des matières plastiques auto-extinguibles ou d'une qualité ignifugée. •

7. Procédé de fabrication et mise en forme des matières thermoplastiques Comme pour les métaux, les produits en matières plastiques peuvent être fabriqués par enlèvement de matière, pliage et soudage. Ces techniques de transformation demeurent cependant marginales. Généralement on utilisera des procédés de mise en forme permettant de réaliser des séries importantes. Pour les matières thermoplastiques, on emploiera principalement les procédés suivants :  L’injection ;  L’extrusion ;  L’extrusion soufflage ;  L’injection soufflage ;  

Le thermoformage ; Le rotomoulage.

75 Samia Hannachi


II. Matériaux composites Essor important depuis depuis 40 ans ans avec l’utilisation des matrices polymères.

1. Introduction Produit hétérogène généralement décrit décrit comme une matrice (matériau de base) base) renforcée par des fibres ou des particules plus ou moins grosses d’un autre matériau qu’on appelle les renforts. Les propriétés d’un composite dépendent de la nature de la matri ce et des renforts mais

également : -

de la fraction volumique de chacun des constituants, de la morphologie et de la dispersion des renforts, de la qualité de l’adhésion de la matrice sur les renforts

2- Les fibres de renfort Les propriétés mécaniques des renforts exercent une influence déterminante sur les propriétés mécaniques finales du matériau composite ; la matrice matri ce sert à leur transmettre les contraintes. On utilise de nombreux renforts dans l’industrie qui sont adaptés à l’application visée. 

Les fibres de verre Les fibres de verre sont généralement employées avec des résines thermodurcissables : polyester, v ynilester, époxy …Elles peuvent servir à renforcer les bétons, sont relativement peu coûteuses à produire par rapport à d’autr es mais également moins intéressantes. Elles sont d’un emploi courant.



Les fibres polymères Fibres à rigidité élevée. Exceptionnelles qualités de résistance à la traction et à l'élongation. Faible densité, capacité d’absorption des vibrations et excellente, résistance aux chocs.

Dilatation thermique nulle, nulle, Bon comportement comportement chimique vis-à-vis des des carburants. Fibres onéreuses que l’on n’emploie que pour des composites haute performance. Applications : - Gilets pare-balles - Renforts de vêtements - Voiles de bateaux - Aéronautique - Matériel sportif - Pneumatiques 76 Samia Hannachi




Les fibres de carbone Les fibres de carbone sont obtenues par carbonisation de fibres polymères. Les applications : - matériel sportif : applications classiques : cannes à pêche (la plus ancienne), raquettes de tennis, clubs de golf, bateaux…nouvelles applications : cyclisme,

skis, crosses de hockey - industrielles : énergie et environnement : éoliennes, ultracentrifugation, piles à combustible, volant d’inertie, câbles THT transport : réservoirs haute pression, automobiles (arbres de transmission, capots…) nautisme, trains (TGV ?)

- BTP Génie Civil : renforcement antisismique, réparations, ponts - divers : rouleaux d’imprimerie, équipements médicaux, ordinateurs portables, outillage…,

- Formule 1, courses autos et bateaux - aéronautiques et spatiales : conquête spatiale, programmes aéronautiques en

cours chez Boeing et Airbus, A 380, A 400 M, Boeing 787, A 350 

Les renforts minéraux Les fibres d’amiante : silicates magnésiens ou calciques « Les caractéristiques

physico-chimiques physico-chimiques (point de fusion, fusion, résistance à la traction, stabilité chimique, chimique, aptitude au filage…) des amiantes en font un produit exceptionnel. On les retrouve dans plus de 3000 produits industriels, depuis l'amiante-ciment, l'isolation, les l es enduits, les freins, etc… Toxicité élevée : le « scandale de l’amiante » 

Les renforts métalliques et céramiques Certains métaux ou certains composés composés (Al 2 O 3, SiC, Si 3 N 4, BeO) ont des propriétés mécaniques qui en font d’excellents renforts. La fabrication de fibres est

cependant cependant très onéreuse. Limitation des applications commerciales. 

Les nanotubes de carbone Propriétés mécaniques exceptionnelles exceptionnelles : E = 1 400 GPa

3- Les matrices La matrice remplit deux rôles : - elle incorpore les fibres, - elle assure le transfert des contraintes mécaniques appliquées aux fibres ; l’adhésion de la matrice aux fibres est cruciale. 

Les matrices organiques

77 Samia Hannachi


Les composites à base de thermoplastiques sont généralement renforcés par des fibres ou paillettes bon marché marché : utilisation de grande grande diffusion. Les Les thermodurcissables sont utilisés lorsqu’on désire obtenir des composites aux performances élevées. 

Les matrices carbonées Deux techniques sont utilisées pour imprégner les fibres d’un matériau carboné :

- La voie liquide : on imprègne les fibres, tissées ou sous forme de mat, d’un liquide organique que l’on carbonise ensuite

- La voie gazeuse : elle consiste en un craquage thermique thermique de molécules d’hydrocarbure au contact des fibres à des températures te mpératures allant de 900°C à 1400

°C et à des pressions < P at.

Les matrices métalliques Limite en température des matrices polymère Oxydation du carbone à apartir de 500°C sous air L’inertie chimique des métaux à haute température est meilleure Co-extrusion, laminage, imprégnation en en phase liquide, solidification directionnelle. directionnelle. 

Les matrices céramiques : Réfractivité, résistance et bonne stabilité chimique Amélioration de la ténacité, de la résistance aux chocs. 

78 Samia Hannachi

Notes de cours TMC.docx

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