Poly ETSHER Matériaux de Construction CALLAUD 2003

ECOLE INTER-ETATS DES TECHNICIENS SUPERIEURS DE L’HYDRAULIQUE ET DE L’EQUIPEMENT RURAL 01 BP 594 Ouagadougou 01 Burkina Faso Tél : (226) 31 92 03 / 31 92 04 / 31 92 18 Email : [email protected] Fax : (226) 31 92 34

COURS DE TECHNOLOGIE de Construction

Tome III

Les matériaux de construction

I SAVADOGO 2000 M.A.J. M. CALLAUD juillet 2003 - version n°2

SOMMAIRE I.

Les granulats ......................................................................................................................... 6 I.1. Définition – Utilisation ................................................................................................. 6 I.1.1. Définition .............................................................................................................. 6 I.1.2. Utilisation.............................................................................................................. 6 I.2. Classification des granulats........................................................................................... 6 I.2.1. Selon la nature minéralogique .............................................................................. 6 I.2.2. Selon la forme des grains...................................................................................... 6 I.2.3. Selon les caractéristiques physiques ..................................................................... 7 I.2.4. Selon la nature des granulats................................................................................. 8 I.2.5. Selon la dureté du granulat ................................................................................... 9 I.3. Qualité des granulats................................................................................................... 10 I.3.1. Analyse granulométrique .................................................................................... 10 I.3.2. Le coefficient d’uniformité des granulats ........................................................... 13 I.3.3. Essai d’équivalent de sable (NF P 18.598) ......................................................... 13 I.3.4. Essai de propreté du gravier (NF P18-591) ........................................................ 14 I.3.5. Essai de fragmentation dynamique et essai Los Angeles (NF P 18-573) .......... 15 I.3.6. Module de finesse d’un granulat......................................................................... 16 I.4. Extraction – Traitement – Fabrication des granulats .................................................. 17 I.4.1. Extraction............................................................................................................ 17 I.4.2. Traitement ........................................................................................................... 18 II. Les Liants............................................................................................................................ 19 II.1. La chaux...................................................................................................................... 19 II.1.1. Chaux aérienne.................................................................................................... 19 II.1.2. Distinction entre chaux aérienne et chaux hydraulique ...................................... 19 II.1.3. Utilisation de la chaux dans la construction ....................................................... 20 II.2. Le ciment .................................................................................................................... 20 II.2.1. Généralités - Historique ...................................................................................... 20 II.2.2. Principe de fabrication du ciment Portland......................................................... 21 II.2.3. Ciments avec constituants secondaires ............................................................... 24 II.2.4. Classification des liants hydrauliques................................................................. 25 II.2.5. Mesure des résistances – Classe de résistance.................................................... 25 II.2.6. Les différents ciments normalisés - Composition............................................... 27 II.2.7. Utilisation des ciments........................................................................................ 27 II.2.8. Prise et durcissement........................................................................................... 29 II.2.9. Les adjuvants ...................................................................................................... 30 II.2.10. Les principaux essais sur les ciments.................................................................. 30 II.2.11. Les principaux essais sur les pâtes de ciment ..................................................... 33 III. Les bétons et mortier....................................................................................................... 35 III.1. Les mortiers ............................................................................................................ 35 III.1.1. Définition ............................................................................................................ 35 III.1.2. Composition et fabrication des mortiers ............................................................. 35 III.1.3. Mise en oeuvre et applications des mortiers ....................................................... 36 III.1.4. Qualité d'un bon mortier ..................................................................................... 37 III.2. Les bétons ............................................................................................................... 37 III.2.1. Introduction......................................................................................................... 37 III.2.2. Différents type de béton...................................................................................... 37 III.2.3. Fabrication du béton ........................................................................................... 37

Matériaux de construction

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III.2.4. Mise en œuvre des bétons ................................................................................... 38 IV. Etude et composition de béton........................................................................................ 41 IV.1. Méthode simplifiée pour la composition de béton d’usage courant ....................... 41 IV.1.1. Introduction......................................................................................................... 41 IV.1.2. Dosage et qualité du ciment................................................................................ 41 IV.1.3. Dosage et qualité des granulats........................................................................... 41 IV.1.4. Dosage en eau ..................................................................................................... 41 IV.1.5. Application pratique de cette méthode ............................................................... 42 IV.1.6. Conclusion .......................................................................................................... 43 IV.2. Méthode complète de l’étude de composition des béton selon DREUX-GORISSE 45 IV.2.1. Données de base.................................................................................................. 45 IV.2.2. Dosage en ciment, en eau.................................................................................... 46 IV.2.3. Trace de la courbe granulaire de référence ......................................................... 48 IV.2.4. Graphique d'analyse granulométrique ................................................................ 49 IV.2.5. Dosage des granulats........................................................................................... 52 IV.2.6. Essais d'étude - Corrections ................................................................................ 53 V. Pathologie : Effets du retrait du béton ................................................................................ 56 V.1. Retrait d'hydratation :.................................................................................................. 56 V.2. Retrait de serrage avant prise...................................................................................... 56 V.3. Retrait hydraulique après prise ................................................................................... 56 V.4. Retrait thermique ........................................................................................................ 56 V.5. Retrait de carbonatation .............................................................................................. 56 V.6. La cure des bétons....................................................................................................... 59 V.7. Influence de la température de l'air et du rapport E/C du mortier sur le retrait avant prise 60 VI. Les métaux ...................................................................................................................... 61 VI.1. Définitions............................................................................................................... 61 VI.1.1. Les métaux ferreux ............................................................................................. 61 VI.1.2. Les métaux non ferreux ...................................................................................... 61 VI.1.3. Les alliages.......................................................................................................... 62 VI.2. L’histoire de l’acier................................................................................................. 63 VI.2.1. Le process de fabrication de l’acier .................................................................... 65 VI.2.2. Les produits finis................................................................................................. 71 VI.3. Caractéristiques mécaniques de l’acier................................................................... 71 VI.4. Emploi des métaux dans la construction................................................................. 72 VI.4.1. Les tôles et les bacs............................................................................................. 73 VI.4.2. Les fers à béton (ou armatures)........................................................................... 73 VI.4.3. Les treillis soudés................................................................................................ 74 VI.4.4. Le métal déployé................................................................................................. 75 VI.4.5. Les profilés métalliques ...................................................................................... 75 VI.4.6. Les tubes ............................................................................................................. 75 VI.4.7. Les grillages ........................................................................................................ 76 VI.5. Normes.................................................................................................................... 76 VI.6. Compatibilité entre métaux et d’autres matériaux de construction ........................ 76 VI.7. Valeurs caractéristiques des principaux métaux ..................................................... 77 VII. Le bois............................................................................................................................. 78 VII.1. Avant propos........................................................................................................... 78 VII.2. Les contraintes admissibles et propriétés physiques des bois d’Afrique : Contraintes limites .................................................................................................................. 79


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VII.3. VII.4. VII.5. VII.6. VII.7. VII.8.

Structure du bois ..................................................................................................... 80 Propriétés physiques. .............................................................................................. 81 Débits des bois ........................................................................................................ 81 Séchage des bois ..................................................................................................... 83 Défauts et altérations des bois................................................................................. 83 La protection des bois ............................................................................................. 87


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I.

LES GRANULATS I.1.

Définition – Utilisation I.1.1. Définition On appelle « granulats » les matériaux inertes, sables graviers ou cailloux, qui entrent dans la composition des bétons. C’est l’ensemble des grains compris entre 0,02 et 125 mm dont l’origine peut être naturelle, artificielle ou provenant de recyclage. Ces matériaux sont quelquefois encore appelés « agrégats ». Exemple : sables gravillons /graviers granulats artificiels grains de polystyrène déchets de métallurgie etc… I.1.2. Utilisation Les granulats sont utilisés pour la réalisation des : filtres sanitaires filtres drains bétons remblais routiers etc…

I.2.

Classification des granulats I.2.1. Selon la nature minéralogique

Roches magmatiques : - granulat de bonne qualité : exemple le granit, le quartz

Roches sédimentaires : - non recommandé pour le béton : le calcaire - bons granulats : exemple : le gneiss

Roches métamorphiques : -non recommandé pour le béton : le schiste

I.2.2. Selon la forme des grains Elle est soit naturelle, soit artificielle. La forme naturelle est en général roulée. Ces granulats proviennent des mers, dunes, rivières, carrières, etc… Matériaux de construction

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La forme artificielle est issue du concassage de roches dures (roches mères)

Phot. 1.1. : Exemple de granulats concassés et roulés

I.2.3. Selon les caractéristiques physiques La masse volumique est la masse d’un corps par unité de volume total y compris les vides entre les grains et le constituant (volume apparent). La masse spécifique est la masse d’un corps par unité de volume de matière pleine sans aucun vide entre les grains (volume absolu). La densité absolue est le rapport de la masse spécifique à la masse d’un égal volume d’eau à + 4 °C soit 1 000 kg ; la densité absolue est donc égale au millième de la masse spécifique, c’est un simple rapport sans dimension. La densité apparente est le rapport de la masse volumique à la masse d’un égal volume d’eau à + 4 °C soit 1 000 kg . C’est donc un rapport sans dimension dont la valeur est égale au millième de la masse volumique. Exemple : Une caisse de volume total V = 1 m³ est pleine de graviers dont la masse nette est de 1 520 kg ; les grains constituants occupent un volume réel VS = 600 m³ (volume de matière pleine). Le volume des vides entre les grains est : VV = V - VS = 0,400 m³. La masse volumique de ce granulat est : 1 520 kg /m³. 1520 = 2550 kg /m³ Sa masse spécifique est : 0.600 Sa densité apparente est : 1,52

Sa densité absolue est : 2,55 Compacité. Pour un corps poreux (ou un mélange de granulats) de volume V et dont les pores (ou vides internes) représentent un volume


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VV, la compacité est le rapport du volume de matière pleine au volume total. V − VV V = 1− V C= V V Pour les granulats courants on peut admettre que la compacité en vrac est de l’ordre de 0,70 à 0,60 pour les sables et de 0,55 pour les graviers selon qu’ils sont tassés ou non. V Porosité. La porosité est le rapport : n = V V VV L’indice des vides est le rapport : e= V − VV A noter : V VV V − V On a : V = x V V − VV V

V

Soit : n = e.C ou encore : e =

n C

L’indice des vides est donc le quotient de la porosité par la compacité. Exemple : Supposons que l’on soit en présence d’un granulat alvéolaire (argile expansée par exemple). Si la masse nette d’un mètre cube de ce granulat (non tassé) est de 460 kg, on dira que sa masse volumique est de 460kg/m³ et sa densité apparente de 0,46. Si les grains occupent dans ce mètre cube un volume réel de 525 l (non compris les vides entre eux) la masse volumique par grain est : 460 = 880 kg /m³ 0.525 et la densité absolue des grains est de : 0,88 Si dans un grain le volume des pores ou alvéoles est de 65%, la compacité d’un grain sera (rapport du volume de matière pleine au volume totale du grain): C = (1 – 65 /100) = 0,35 La densité absolue de la matière argileuse constituant le grain sera : 0,88/0,35 = 2,52. C’est approximativement la masse spécifique de la matière pleine (argile) non compris pores et alvéoles.

I.2.4. Selon la nature des granulats Les granulats courants On désigne sous le vocable granulats courants, ceux de masse volumique ∈ [2 ; 3 tonnes/m3]. Ce sont généralement les Basaltes, Quartzites, Grès, Porphyre, Diorite, granites, Schistes, Laitier. Pour la composition des bétons, on utilise en général des matériaux naturels alluvionnaires : sables et graviers. Cependant, lorsque ces matériaux font défaut localement, il est possible d’utiliser des roches éruptives ou


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sédimentaires transformées en granulat par concassage. Silex, calcaires durs, silico-calcaires. Les granulats lourds Ils sont essentiellement employés pour la confection des bétons lourds utilisés pour la construction d’ouvrages nécessitant une protection biologique contre les rayonnements produits, par exemple, dans les réacteurs et piles atomiques : la protection est d’autant plus efficace que l’épaisseur est plus grande et la densité du béton plus élevée. On utilise en particulier : La barytine, sa densité absolue est 4,2 à 4,7 La magnétite, sa densité absolue est 4,5 à 5,1 Les riblons, la densité absolue est celle du fer :7,6 à 7,8 La grenaille d’une densité absolue de: 7,6 à 7,8 Les granulats légers Ils sont utilisés pour la confection de bétons légers. Ces bétons présentent en général des résistances d’autant plus faibles qu’ils sont plus légers, mais cette dernière qualité peut, dans certains cas, être particulièrement intéressante (préfabrication, isolations, gain de poids sur fondations difficiles ou onéreuses, etc.) La densité absolue de ces granulats est généralement inférieure à 1. Exemple : Argile expansée, Schistes expansés, Laitier expansé, Pierre ponce, Pouzzolane. Granulats très durs Quartz, corindon, carborundum, paillettes de fonte, etc., sont incorporés au béton pour anti-usure (sols industriels par exemple).

I.2.5. Selon la dureté du granulat Il s'agit de caractériser la résistance d'une face d'un granulat à la rayure, c'est-à-dire à la destruction mécanique de sa structure cristalline. La dureté d'un granulat se juge par référence à l'échelle de dureté, dite échelle de MOHS, dont les degrés sont occupés par des minéraux de dureté type. Un minéral est dit plus dur qu'un autre s'il raye celui-ci. Dureté (échelle de MOHS) 10 9 8 7 6 5 4 Matériaux de construction

Granulat de référence (minéral) Diamant Corindon Topaze Quartz Orthose Apatite Fluorine

ACIER VERRE

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3 2 1

Calcite Gypse Talc

ONGLE

A noter : Dans la pratique, on compare les duretés des granulats (minéraux) courant à celle de 3 matériaux types : l'acier, le verre et l'ongle I.3.

Qualité des granulats

La qualité des granulats peut être appréciée à travers divers essais de laboratoire : I.3.1. Analyse granulométrique L’analyse granulométrique est le procédé par lequel on détermine la proportion des différents constituants solides d’un sol en fonction de leur grosseur à l’aide de tamis. On appelle « refus » sur un tamis le matériau qui est retenu par le tamis, et « tamisas » ou « passants » le matériau qui passe à travers les mailles d’un tamis. L’essai a pour but de déterminer les proportions pondérales des grains de différentes dimensions qui constituent le sol. Les pourcentages ainsi obtenus sont exprimés sous forme d’un graphique appelé courbe granulométrique. Ainsi en fonction de la dimension des grains, on distingue : - les cailloux & pierres

25 mm < D

- les gravillons grossiers

20 mm< D < 25 mm

Moyens Fins

- les sables grossiers Moyens Fins

12,5 mm< D < 16 mm 8 mm < D < 10 mm 2,5 mm < D < 5 mm 0,63 µm < D < 1,25 mm 80 µm < D < 315 µm

- Les Fillers

D < 80 µm

Tableau 1.1 : Définition des classes de dimensions selon la norme AFNOR 18-540

A noter :

1. En géotechnique la classification des sols et la représentation des courbes granulométriques est différente 2. 1 micron = 10-6 m = 10-3 mm


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On désigne les granulats selon leur classe granulaire : le terme « Granulat d /D » est réservé aux granulats dont les dimensions s’étalent de « d » pour les petits éléments à « D » pour les gros éléments. La classe des granulats est définie par tamisage au travers d’une série de tamis dont les mailles ont les dimensions suivantes en mm : 0,063 – 0,08 - 0,125 - 0,16 - 0,2 - 0,25 - 0,315 - 0,4 - 0,5 - 0,63 - 0,8 – 11,25 – 1,6 – 2 – 3,15 – 4 – 6,3 – 8 – 10 - 12,5 – 14 – 16 – 20 - 25 – 31,5 – 40 - 50 – 63 – 80 – 100 - 125. A noter : 1. Les tamis dont les dimensions sont soulignées et notées en gras correspondent à la série de base préconisée. De ce fait, lors d’une étude granulométrique, ils doivent être utilisés en plus de tout autre tamis nécessaire à l’établissement de la courbe. 2. On trace la courbe granulométrique sur un graphique comportant en ordonnée le pourcentage des tamisas. Les mailles D sont indiquées en abscisse selon une graduation logarithmique. La suite des valeurs de D est une progression géométrique de raison 10 10 = 1,25

3. En géotechnique la représentation des courbes granulométriques est différente Exemple : Soit un matériau ayant un poids sec initial = 1 500 g. Finissez de remplir les tableaux ci-après. Tracez granulométrique. Tamis 5 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16 0,080


Refus /partiel

Refus cumulé

8 120 380 210 280 290 90

80 200 580 790 1 070 1 350 1 450

Refus %

la

courbe

Tamisât %

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A partir de la courbe granulométrique on peut définir la classe granulaire du granulat utilisé. Ex. : sable 0/5 ; gravier 5/25 A noter : 1. Dans le cas d’un béton ou d’un mortier, le % des fines dans les sables doit être inférieur à 10%. 2. Dans le cas d’un béton dont le gravier doit être 5/25, il faut éliminer tous les éléments supérieurs à 25 mm et inférieurs à 5 mm par tamisage. I.3.2. Le coefficient d’uniformité des granulats La notion de granulometrie étalée ou granulometrie serrée est mise en évidence par un coefficient d’uniformité ou coefficient de HAZEN noté Cu : d c u = 60 d 10 d y : dimension du tamis correspondant à y % de passants.

Ce coefficient est donc immédiatement calculé à partir de la courbe granulométrique. si cu < 2 , la granulométrie est uniforme (ou serrée),

si cu > 2 , la granulométrie est étalée (ou variée).

I.3.3. Essai d’équivalent de sable (NF P 18.598) La propreté des sables se contrôle par l’essai d’équivalent de sable (E.S). On agite une certaine quantité de sable dans une solution lavante (disponible dans le commerce) puis on laisse reposer pendant un certain temps. La hauteur du dépôt de sable visible étant hl, et h2 la hauteur total y compris le floculat = fines en suspension : h ES = 100 x l . h2 La hauteur de sable peut aussi se déterminer à l’aide d’un piston lesté que l’on dépose doucement sur le sable après avoir lu la hauteur totale. Théoriquement les limites extrêmes des valeurs E.S seraient : pour sable pur (pas de floculat) hl =h2 ⇒ E.S = 100 pour argile pure (pas de dépôt de sable) hl = 0 ⇒ E.S = 0 Matériaux de construction

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Valeurs préconisées pour l’E.S : E.S à vue

E.S piston

Nature et qualité du sable

E.S < 65

E.S < 60

Sable argileux : risque de retrait ou gonflement pas bon pour béton de qualité

65 ≤ E.S < 75

60 ≤ E.S < 70

Sable légèrement argileux : propreté admissible pour béton de qualité courante (retrait possible)

75 ≤ E.S < 85

70 ≤ E.S < 80

Sable propre à faible % de fines argileuses, bon pour béton de haute qualité

E.S ≥ 85

E.S ≥ 80

Sable très propre : pas de fines argileuses, ce qui risque en fait d’amener un défaut de plasticité du béton ⇒ augmenter le dosage d’eau ; donne des bétons exceptionnels de très haute résistance

I.3.4. Essai de propreté du gravier (NF P18-591) Le gravier est composé majoritairement de particules graveleuses mais il est rarement exempt d'éléments fins. Suivant son utilisation, une trop grande quantité d'éléments fins dans le gravier entraîne des conséquences néfastes sur le béton ; par exemple (chute des caractéristiques mécaniques, grands risques de fissuration). L'essai de propreté du gravier met en évidence la présence d'éléments fins dans le gravier et permet de les quantifier. Cet essai est normalisé et fourni une valeur numérique prenant en compte directement de la propreté du gravier. La présente norme fixe la valeur 2% qui est le seuil de propreté acceptable du gravier, donc p ≤ 2% Le pourcentage d’impureté est =

( P1 − P2 ) * 100 P2

, où P1 le poids initial sec du matériau et P2 son poids sec après lavage au tamis 0,5mm


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I.3.5. Essai de fragmentation dynamique et essai Los Angeles (NF P 18-573) Ces deux essais permettent de mesurer la dureté d’un échantillon de granulat. L’essai consiste à mesurer la quantité d’éléments inférieurs à 1,6 mm produits en soumettant le matériau aux chocs d’une masse normalisée (pour la fragmentation dynamique) et aux chocs de boulets normalisés dans la machine LOS ANGELES (pour l’essai LOS ANGELES). Si M est la masse du matériau soumis à l’essai, m la masse des éléments inférieurs à 1,6 mm produits au cours de l’essai, le coefficient s’exprime par la quantité sans dimension : m *100 M A noter : 1. Pour éviter toute ambiguïté il faut toujours indiquer clairement s’il s’agit du coefficient de fragmentation dynamique ou du coefficient LOS ANGELES 2. Dans la pratique le coefficient est bon lorsque le résultat obtenu est inférieur à 35.

Appareil Los Angeles


Appareil de fragmentation dynamique

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I.3.6. Module de finesse d’un granulat Le module de finesse d’un granulat est égal au 1/100° de la somme des refus, exprimés en pourcentage sur les différents tamis de la série suivante : 0,16 – 0,315 – 0,63 – 1,25 – 2,5 – 5 – 10 – 20 – 40 et 80 mm. Le module de finesse étant presque exclusivement vérifié sur les sables, les tamis concernés sont : 0,16 – 0,315 – 0,63 – 1,25 – 2,5 et 5 mm Le module de finesse est plus particulièrement appliqué aux sables dont il est une caractéristique importante. Exemple : Si un sable a les pourcentages de refus suivants dans les tamis correspondants ci-dessous : D = 0,16 D = 0,315 D = 0,63 D = 1,25 D = 2,5 D = 5 mm

= 93% = 81% = 57% = 27% = 8% =0

Total somme des refus: 266

Son module de finesse Mf = 1 x 266 = 2,66 100 C’est une caractéristique intéressante, surtout en ce qui concerne les sables. Un bon sable à béton doit avoir un module de finesse d’environ 2,2 à 2,8. Au-dessous, le sable a une majorité d’éléments fins et très fins, ce qui nécessite une augmentation du dosage en eau. Au dessus, le sable manque de fines et le béton y perd en ouvrabilité. La norme indique d’ailleurs pour les catégories A et B de sable, une limite inférieure LInf. = 1,8 et une limite supérieure LSup. = 3,2. Des recherches sur l’influence de la finesse des sables sur les diverses qualités du béton ont conduit à délimiter certains fuseaux de granularités admissibles. (Voir courbes jointes) La partie centrale A (2,2 < Mf < 2,8) convient bien pour obtenir une ouvrabilité satisfaisante et une bonne résistance avec des risques de ségrégations limités. La partie supérieure B (1,8 < Mf <2,2 ) est à utiliser si l’on recherche particulièrement la facilité de mise en œuvre au détriment probable de la résistance.


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La partie inférieure C (2,8 < Mf < 3,2) correspond à des sables à utiliser pour la recherche de résistances élevées, mais on aura, en général, une moins bonne ouvrabilité et des risques de ségrégation. Correction éventuelle du module de finesse du sable On pourra utiliser la règle d’Abrams : supposons par exemple que l’on dispose d’un sable S1, de module de finesse trop fort Mƒ1 et que l’on désire y ajouter un sable fin S2 de module de finesse Mƒ2 afin d’obtenir un mélange dont le module de finesse serait Mƒ ; les proportions des deux sables composant devront être les suivantes : M f −M f2 Proportions S1 = M f1 − M f 2

Proportions S 2 =

M f1 − M f M f1 − M f 2

Exemple : M f 1 = 3,2 (sable grossier S1 ) Soit : M f 2 = 2,0 (sable fin S 2 )

M f = 2 ,5 (sable corrigé)

Proportion de sable S1 =

2,5 − 2,0 = 42% 3,2 − 2,0

Proportions de sable S 2 =

I.4.

3,2 − 2,5 = 58% 3,2 − 2,0

Extraction – Traitement – Fabrication des granulats

I.4.1. Extraction Les matériaux de construction (pierreux naturels) sont utilisés : En blocs de grosseur et de tailles variables pour la confection des maçonneries, En petits éléments pour les bétons et les matériaux routiers, En éléments fins, pour les mortiers. L'extraction se fait dans les carrières. On distingue : Carrières à ciel ouvert Carrières souterraines. Carrières à ciel ouvert L'exploitation en terrain meuble se fait soit manuellement, soit mécaniquement.


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L'exploitation manuelle s'effectue avec les outils suivants : Pelle, pioche, pics etc… L'exploitation mécanique s'effectue avec les engins de terrassements: pelles mécaniques, excavateurs, chargeurs mobiles, bulldozer, scrapers, etc... Sur un terrain dur ou compact on utilise des explosifs pour extraire les roches qui seront concassées. Carrières souterraines En travaux publics on fait de moins en moins recours à l'exploitation des carrières souterraines. On peut être amené à exploiter une carrière souterraine si aucun gisement en surface n'existe dans la région.

I.4.2.

Traitement Concassage Les conditions granulométriques de plus en plus précises auxquelles doivent satisfaire les matériaux constitutifs des mortiers et bétons modernes font que l'on est amené très souvent à faire subir aux produits directs de la carrière des opérations de broyage, concassage et criblage pour les amener à la grosseur désirée. On distingue 3 degrés de concassage : Le concassage primaire: les moellons bruts (50 à 30 cm) sont transformés en grosses pierres cassées de 10 à 6 cm de ∅. (Concasseur à mâchoires), Le concassage secondaire: les grosses pierres de 10 à 6 cm sont transformées en graviers de 3 à 1 cm de ∅ . (Concasseur giratoire ou pendulaire), Le concassage tertiaire: les graviers de 3 à 1 cm sont transformés en sable de 5 mm de diamètre maximal (concasseur à cylindre). Criblage La classification des produits par grosseur se fait à la sortie de chaque concassage au moyen de grilles ou tamis oscillants ou tournants (trommels). Les opérations de criblage sont complétées par celles de dépoussiérage et de lavage.


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II.

LES LIANTS

Les liants hydrauliques sont des poudres fines qui ont la propriété de former une pâte durcissant aussi bien à l’aire que sous l’eau. Il existe deux types de liant hydraulique : la chaux et le ciments. Ces deux liants hydrauliques diffèrent de par leur mode de fabrication. Ils sont tous élaborés à partir de pierre calcaire principalement. II.1.

La chaux

La chaux est le produit de la cuisson d’un calcaire, suivi d’une extinction à l’eau.

II.1.1. Chaux aérienne La chaux aérienne est obtenue par calcination d’un calcaire très pur à une température variable de 1 050 à 1 250 °C. Le carbonate de calcium constituant l’essentiel du calcaire, se dissocie pour donner l’oxyde de calcium (CaO, chaux vive) et du gaz carbonique. II.1.2. Distinction entre chaux aérienne et chaux hydraulique La Distinction entre chaux aérienne et chaux hydraulique se fait par la composition du gisement, dès que la silice est présente, une XHN est obtenue. La chaux aérienne ne durcit après gâchage qu’au contact de l’air (CO2) ; on s’en sert par exemple pour le traitement des sols argileux, les badigeons de chaux ou encore certaines peintures (peinture FOAM),


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La chaux hydraulique après gâchage durcit quant a elle au contact de l’air (part aérienne) et avec l’eau (part hydraulique). Il existe deux types de chaux hydraulique : les naturelles (XHN) et les artificielles (XHA)

II.1.3. Utilisation de la chaux dans la construction L’utilisation de la chaux a progressivement diminué au profit du ciment même dans les secteurs où ses qualités étaient largement reconnues. Aussi, la chaux doit retrouver une utilisation dans les domaines où son emploi est préférable, grâce à ses qualités de plasticité, d’élasticité, de perméabilité à la vapeur d’eau. Ces qualités sont particulièrement adaptées à la réalisation d’enduits et de badigeons. Les classes de résistance associées aux chaux hydrauliques sont : Chaux hydraulique naturel (XHN) : 30, 60, 100 (valeurs de résistance exprimées en daN/cm2, soit respectivement 3 MPa, 6 MPa et 10 Mpa) Chaux hydraulique artificiel (XHN) : 60, 100 II.2.

Le ciment

II.2.1. Généralités - Historique Le ciment est un liant hydraulique (Définition : hydraulique = il durcit sous l’eau). Les romains furent les premiers à fabriquer un véritable liant hydraulique en mélangeant de la chaux aérienne avec des cendres volcaniques du Vésuve (cendres volantes appelées Pouzzolane). En 1756, l’anglais du nom de SHEATON mis au point un produit, capable de faire prise sous l’eau. On parla pour la première fois de ciment. Ce ciment fût fabriqué à partir de pierres de l’île de Portland. D’où l’origine du nom donné aujourd’hui au ciment (Ciment Portland).


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II.2.2.

Principe de fabrication du ciment Portland La cuisson à 1 450°C d’un mélange composé d’environ 80 % de calcaire et 20 % d’argile, donne une roche artificielle appelée CLINKER. C’est le constituant de base du Ciment. Le clinker est ensuite broyé avec environ 5% de gypse pour donner du ciment Portland artificiel (C.P.A.). Il existe 4 procédés de fabrication du ciment suivant l’état de la nature des matières premières et suivant certaines conditions économiques. La production journalière d’une usine est en moyenne égale à 2500 Tonnes. Parmi les procédés de fabrication on peut citer :


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Fig. Fabrication du ciment Portland


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Fabrication du ciment par voie humide et semi-humide Après extraction en carrière et concassage des pierres, les matériaux calcaires et argileux sont traités avec de l’eau dans les délayeurs. La pâte passe ensuite sur un crible et la partie grossière passe dans un broyeur. Tous les grains ont alors un diamètre inférieur à 200µ. Cette pâte passe ensuite dans des silos de dosage puis dans les cuves de stockage. Voie humide La pâte sortant des cuves de stockage alimente un four rotatif d’acier qui a une vitesse d’un tour / mn. La pâte perd son eau dans le four puis se clinkérise vers 1 450°C. Le clinker est ensuite refroidi. Voie semi-humide La pâte sortant des cuves de stockage est cette fois-ci essorée sur un filtre presse. La pâte est ensuite transformée en bâtonnets de 2 cm de diamètre. Ceux-ci sont ensuite introduits sur une grille pour y subir un séchage. Les bâtonnets rentrent dans un four pour y être clinkérisés. Le clinker est ensuite refroidi. Fabrication du ciment par voie sèche et semi-sèche Après concassage du calcaire et séchage de l’argile, les matériaux sont ensuite déversés dans un hall appelé hall de pré-homogénéisation. Le matériau est ensuite pris en tranches et envoyé dans un broyeur sécheur. Les poudres fines obtenues sont homogénéisées dans les silos munis de fond poreux au travers duquel on souffle de l’air. La poudre est ainsi stockée. La voie sèche La poudre obtenue alimente un four rotatif long d’environ 150 m de long et 4 m de diamètre. Ce four est composé de deux parties. Une partie verticale appelée le pré-chauffeur où la poudre chauffée descend par gravité et une partie horizontale où la poudre est clinkérisée. Le clinker est ensuite refroidi puis stocké. Voie semi-sèche La poudre stockée est agglomérée sous forme de boulettes de 10 à 20 mm de diamètre à l’aide d’une assiette granulatrice. Une assiette granulatrice est un cylindre de 2 à 4 m de φ muni d’un fond incliné à 50%. L’assiette reçoit la poudre et de l’eau et transforme le mélange en boulette. Ces boulettes passent ensuite dans d’un four rotatif pour y être clinkérisées. Broyage et conditionnement Le clinker obtenu par l’un ou l’autre des procédés est stocké dans les halls puis alimente des broyeurs à boulet. Les broyeurs à boulet sont des cylindres d’aciers comportant 2 ou 3 chambres de 8 à 12 m de long et de 2 à 4 m de diamètre munis intérieurement de boulets d’acier de 20 à 90 mm de diamètre. Les broyeurs produisent environ 30 T/h. On trouve des broyeurs qui peuvent aller à 200 T/h. Au moment du broyage on ajoute 5% de gypse et éventuellement des constituants secondaires. On ajoute quelquefois des


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agents de mouture. Les agents de monture permettent d’éviter la réagglomération des grains déjà moulus. Ce phénomène se constate lors du broyage ainsi que lors des manipulations. Les agents de mouture facilitent le remplissage et la vidange des silos et des camions. Après broyage le ciment est stocké dans les silos. Leur capacité varie de 1000 à 5000 tonnes d’où il sera ensuite livré en sac de 50 kg ou en vrac. Les sacs sont constitués de plusieurs feuilles de papiers kraft superposées destinées à protéger le ciment de l’humidité de l’air ambiant. Les sacs se remplissent à l’aide d’une valve et se referment lorsque les 50 kg de ciment y ont été injectés. II.2.3. Ciments avec constituants secondaires Les ciments avec constituants secondaires renferment en plus du clinker et du gypse des produits laitiers, cendres volantes, pouzzolanes à raison de 10 à 20 % environ. Le laitier de haut fourneau Il est un sous produits de la fabrication de la fonte élaborée dans les hauts fourneaux. Ce sont les résidus de la décomposition du minerai de fer. Le laitier à de nombreuses utilisations en génie civil. Celui destiné à la cimenterie subit à la sortie des hauts fourneaux une opération de trempe d’où il ressort sous forme de granulats de 1 à 5 mm de diamètre. Il est ensuite séché avant d’être broyé avec du clinker. L’opération de trempe consiste à immerger brusquement le matériau chauffé dans de l’eau. Les cendres volantes Elles sont des résidus de combustion de charbon dans les centrales thermiques et recueillis dans les dépoussiéreurs. Les cendres volantes se présentent sous forme de petits grains de 1 à 200 µ de diamètre. Les pouzzolanes naturelles Elles sont des roches d’origine volcanique principalement. Elles contiennent des éléments chimiques du clinker à l’état naturel appelés propriétés pouzzolaniques. Pouzzolanes artificielles Certains matériaux tels que les argiles et les schistes peuvent après chauffage jusqu’à une certaine température développer des propriétés analogues aux pouzzolanes naturelles. On les appelle pouzzolanes artificielles. Les Fillers Roches calcaires ou siliceuses broyées à une finesse élevée (grain de diamètre inférieurs à 50 micron ; on parle parfois de même de « fumée de silice » pour certains Fillers). Les fillers en générale améliorent considérablement la résistance. Fabrication des autres liants hydrauliques Il existe d’autres types de liants qui diffèrent du C.P.A. La différence se trouve soit par les éléments naturels servant à leur fabrication, soit par Matériaux de construction

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leur mode de cuisson, soit par la variation en % constituants au moment du broyage.

des différents

II.2.4. Classification des liants hydrauliques Dans la plupart des pays africains francophones et à défaut de normes propres, la classification utilisée est la classification française. Il existe deux classifications : L‘ancienne classification (CPA 45, CPJ 35, ..), La nouvelle classification (CEM I 32,5, CEM II 42,5, ..). La nouvelle classification est en fait l’expression d’une intégration des productions françaises de ciment au contexte Européen, ainsi qu’une amélioration des performances des ciments. La classification CEM est en vigueur depuis 1996. L’ancienne classification est en œuvre en France depuis 1979. En Afrique Francophone, l’ancienne classification (se référant aux normes NFP 15.300 et 301) reste jusqu’à présent la référence pour la classification des ciments. Nous ne parlerons donc que d’elle.

Les liants normalisés sont donc conformes aux normes AFNOR P 15.300 et 301 de janvier 1979. La norme distingue les ciments d’après : Leur classe de résistance Leur composition Mesure des résistances – Classe de résistance II.2.5. Les résistances sont mesurées sur un mortier 1/3 de composition pondérale (poids) suivante : Ciment : 1 Sable : 3 (granulométrie 0,1/1,6 - sable normalisé de la ville de Fontainebleau ; France) Eau : 0,5 (rapport E/C = 0,5 du même ordre de grandeur que celui d’un béton classique). A noter : 1. Des sables du Sénégal ont été essayés et une corrélation existerait entre les résultats obtenus. Un projet de normalisation ORAN serait en cours. 2. Ce mortier s’appelle le mortier Normalisé. Sa confection doit être réalisé selon un processus et avec un appareillage normalisé (malaxeur, moule, etc…). Des éprouvettes de 4x4x16 cm (3 par âge) sont confectionnées suivant un processus normalisé (malaxage, mise en place à la table à chocs) et conservées 24h en armoire humide puis démoulées avant d’être conservées dans l’eau à 20°C.


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Rupture en 2 par traction-flexion sous charge centrale concentrée puis par compression sur les 2 demi prismes obtenus. La classe de résistance est la résistance en compression (moyenne de 6 valeur) à 28 jours exprimée en MégaPascal ( 1 MPa = 10 daN/cm2 = 10 bar = 1 N/mm2). Il existe ainsi 4 classes principales : 35 , 45, 55 et HP (HP pour « Haute Performance»). Il existe des sous classes R ( pour les ciments rapides et contrôlés pour leurs part à 2 jours). On retrouve donc par ailleurs les sous-classes : 45R 55R et HPR. A noter : 1. Les résistances sont garanties en Afrique à défaut par les seuls auto-contrôles des fabricants (interprétation statistique des résultats de résistance). 2. Les ciments de certains fabricants se sont révélés par le passé de mauvais ciment en particulier parce qu’il était fabriqué à partir de gypse contenant des traces de bitume. 3. L’interprétation statistique des résultats de résistance repose sur le principe suivant : 99 % des résultats sont supérieurs à 1 limite inférieure nominale,

90 % des résultats d’essai à 28 jours sont inférieurs à 1 limite supérieure nominale. Et la moyenne de ces deux limites est retenue pour désigner la classe de résistance exprimée en méga Pascal. Pour les sous classes (R=rapide), dans ce cas 90 % des résultats à 2 jours devront être à une limite inférieure nominale.

Fig. Courbe statistique des essais


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Classe

Sous classe

Résistance à la compression en Mpa à 2 jours à 28 jours Limite inférieure Limite inférieure Limite supérieure nominale nominale nominale

CPA 35

-

-

25,0

45,0

CPA 45 CPA 45 R CPA 55 CPA 55 R T.H.R. (Très Haute Résistance)

R R

15,0 22,5

35,0 35,0 45,0 45,0

55,0 55,0 65,0 65,0

-

30,0

55,0

-

Tab. Valeurs limites selon les classes de résistances

II.2.6. Les différents ciments normalisés - Composition Il existe 5 familles de produits (associables aux différentes classes de résistance). Dans les pourcentages suivant le Gypse n’est pas donné (il est en plus) :

Le CPA contenant au moins 97% de clinker (et donc moins de 3 % de filler)

Le CPJ contennt au moins 65 % de clinker (j pour ajout : laitier, cendre, pouzzolae, filler)

Le CLC contenant de 25 0 60 % de clinker et de 20 à 45 % de cendres ou de laitier (Ciment au Laitier et aux Cendres)

Le CHF contenant de 40 à 75 % de laitier

Le CLK contenant plus de 80 % de laitier

Les ciments les plus ulisés en Afrique sont les CPJ 35 et CPA 45. II.2.7.

Utilisation des ciments

CPJ 35 : Peut être utilisé en maçonnerie, en béton courant (non armé ou armé), fondation, poutre de petite portée, poteau. Mais il faut dire qu’en fait son domaine d’emploi privilégier est les enduits, mortier et chape. Ce n’est pas un ciment de structure. Le CPJ 35 peut être aussi utilisé pour les blocs préfabriqués en mortier ou en béton non armé. Ex : agglomérés, hourdis (corps creux ). Le CPJ 35 peut être utilisé pour la stabilisation des sols (grave ciment). Il peut être également utilisé pour les travaux en grande masse peu sollicité en traction. Ex : barrage.


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CPA 45 : Pour BA sollicité (poteau, poutre, dalle) ; c’est le ciment de structure courant : Béton armé, Béton précontraint, Dallage industriel, Béton routier, Ouvrage de génie civil CPA 55 R BA très fortement sollicité (ossature porteuse) et avec prise rapide: BA avec décoffrage rapide. Eléments préfabriqués en BA (poutre, poutrelle, pré-dalle). Béton précontraint.

Les CHF et CLK sont surtout destinés aux fondations, aux travaux souterrains, milieux agressif, travaux en grande masse, travaux d’injection. Les autres ciments. On peut citer :

Les ciments alumineux (ciment réfractaire à 40 % d’alumine), résistant aux milieux agressifs ; attention dégage en séchant une très grande quantité de chaleur ; prise normale mais durcissement très rapide ; de couleur gris très foncé ; recommandé en milieu froid ; ciment difficile à utiliser,

Ciment Prompt prise très rapide ; prend en quelque minutes ; utilisé pour le scellement et réparation, ou encore en à la projection (par voie sèche, pour construction de tunnel, talus de soutènement, ect ..); de couleur jaunâtre

Ciment blanc (souvent CPA 55 et R)

Ciment prise mer

Ciment pour eaux sulfatées

Ciment expansif ou encore à retrait compensé

Ciment réfractaire (résiste jusqu’à 2 000°C) ; attention au choix des granulats pour les bétons fabriqués avec ces ciments (eux aussi devant être nécessairement réfractaire); ce sont en générale des ciments alumineux (forte teneur en alumine , de 50 à 80 %) A noter : La norme NF P 15. 010 de 1985 est le guide d’utilisation des ciments normalisés selon les ouvrages. En pratique pour tout ouvrage particulier, consulter le fabricant.


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II.2.8. Prise et durcissement Lorsqu’on réalise une gâchée de pâte de ciment, de mortier ou de béton, on constate après un certain temps un raidissement du produit : c’est le début de prise. Ce raidissement s’accentue jusqu’à ce que le produit obtienne une résistance appréciable en fin de prise. Gâchage

Début de prise

Période dormante

Prise

Fin de prise

Durcissement

0 Temps

Les réactions qui se passent dès le début du gâchage et qui se poursuivent dans le temps sont complexes. Il se produit une micro-cristallisation. La multiplication de ces cristaux dans le temps explique l’augmentation de résistance mécanique. Les temps de début de prise peuvent varier de quelques minutes (ciment prompt) à quelques heures (CPA).. Le temps de début de prise se caractérise : Par une augmentation assez brusque de la cohésion, du seuil de cisaillement Par une élévation de la température Ensuite la courbe d’évolution des résistances est continue dans le temps. Le durcissement total (résistance maximale) peut durer plusieurs années. On repère le début de cette courbe par la résistance à la fin de prise (repère technologique). Le début de prise est normalisé : essai sur pâte pure de consistance normale à l’aide de l’aiguille de VICAT de 1 mm2 de section et de 300 g .Un essai préalable permet de déterminer la teneur en eau nécessaire à l’essai, compte tenu du fait que la teneur en eau fait évoluer le temps de prise (valeur souvent comprise entre 24 et 26% ⇔ à la quantité d’eau juste nécessaire pour l’hydratation du ciment). Le début de prise est l’instant où l’aiguille n’arrive plus au fond de la coupelle. La fin de prise n’est pas normalisée : c’est l’instant où l’aiguille ne laisse plus de trace à la surface de la pâte. Le temps de prise à 20 °C pour les ciments courants normalisé sont compris : Entre 2h30 et 4h30 pour le début de prise Entre 4h30 et 7h30 pour la fin de prise


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Les ciments normalisés doivent avoir une vitesse de début de prise supérieure à : 1 heure pour les classes 55 et HP 1 heure 30 minutes pour les classes inférieures (35 et 45). Le temps de prise pour les mortiers et bétons augmente avec : L’ajout de constituant secondaire L’éventement du ciment Plus le ciment est broyé finement plus la prise est rapide ; c’est ce qui différencie principalement un CPA45 et un CPA45R par exemple, L’eau : quantité, qualité Sable (propreté) Adjuvants : accélérateurs et retardateur Humidité de l’air (prise un peu plus lente dans l’eau) Température (prise très retardée par temps froid) A noter : La température est le paramètre important

Les adjuvants II.2.9. Ce sont des produits liquides ou en poudre que l’on ajoute en petite quantité dans les gâchées de béton et qui sont destinées à leur conférer des propriétés particulières. Parmi les adjuvants il y en a qui agissent sur la prise : Les accélérateurs de prise, Les retardateurs de prise. Les accélérateurs de prise sont utilisés lorsqu’on est astreint à des délais de décoffrage très courts ou lorsque l’on bétonne en temps froid (5 à 10° C). Les retardateurs de prise sont utilisés lorsque l’on bétonne par temps chaud ou pour éviter les reprises de bétonnage. Il existe aussi des adjuvants pour rendre les bétons étanches (béton hydrofuge) ou encore résistant au gel, etc …. II.2.10.

Les principaux essais sur les ciments

a. Masse volumique apparente

Masse volumique apparente =

masse volume apparent

C’est la masse par unité de volume, c’est à dire le volume occupé par les grains et les vides. b. Densité apparente La densité apparente est un nombre sans dimension. C’est le rapport de Matériaux de construction

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la masse volumique apparente considéré à celle de l’eau pure à 4° C = 1g/cm3. La densité apparente varie avec le degré de tassement du ciment. Pour cela, on utilisera un appareil permettant d’avoir un tassement identique lors de tous les essais. Il s’agit d’un entonnoir muni d’une passoire qui limite la hauteur de chute du ciment dans un litre taré : Remplissage du litre, Araser la surface du litre à l’aide d’une règle, Peser l’ensemble (litre + ciment) connaissant le poids du litre, déduire le poids du ciment. La densité apparente Da est alors : Da =

Fig. Appareil pour densité apparente

masse.du.ciment volume.du.recipient

La valeur moyenne de la densité apparente Da est 1g/ cm3 (Da = 1). c. Masse volumique absolue ou poids spécifique Elle est la masse de l’unité de volume absolu c’est à dire le volume occupé par les grains seuls. On parle aussi de poids spécifique. La méthode de mesure du poids spécifique ou masse volumique absolue est la même qu’il s’agisse d’un ciment, d’un gravier ou d’un sable. Le ciment est pesé et son volume est déterminé par déplacement d’un liquide. Avec le ciment on utilise un liquide qui ne réagit pas lui, et qui a un faible coefficient de dilatation (Benzène - CCl4). Mesure au voluménomètre de Châtelier On utilise un petit ballon de verre surmonté d’un bouchon rodé muni d’un tube capillaire avec un repère de remplissage. Remplir l’appareil de CCl4 jusqu’à ce que le niveau parvienne entre les divisions 0 et 1. Immerger le voluménomètre dans un récipient contenant de l’eau à 20 ° C +/- 1°C. Pendant l’équilibrage des températures, peser 64 g de ciment dan un bêcher (à 0,1 g près). Repérer exactement le niveau atteint : N0


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Verser le ciment très lentement ( en ¼ d’heure environ) dans l’appareil, en prenant garde à ne pas laisser de dépôt sur les parois. Boucher le voluménomètre, l’incliner à 45° par rapport à la table et le faire rouler avec un mouvement de va et vient de manière à faciliter le départ de l’air. Replacer l’appareil dans le bain et lire le niveau N2 du CCL4 après équilibrage des température. La masse volumique absolue du ciment exprimé en g/cm3 est donnée par le rapport : 64 Poids de ciment (en g ) γS = = volume absolu du ciment (en g ) N 2 − N1 A noter : La masse volumique est comprise entre 2,90 et 3,20 g/cm3 suivant la nature du ciment

d. Analyse granulométrique du ciment Elle consiste à déterminer la répartition en poids des grains suivant leur dimension. Les dimensions des grains de ciment varient de 1 à 200 microns. On peut utiliser pour les plus gros un tamisage aidé par aspiration c’est à dire les φ de 40 à 200 µ. Pour les φ < 40 µ on utilise le principe de la vitesse de sédimentation des grains dans un fluide. Ce principe dit que la vitesse de sédimentation des grains est proportionnelle au carré de leur taille V = k × d2 (loi de stokes) On utilise comme fluide soit l’alcool, soit l’air . L’essai avec l’air est la FLOUROMETRIE L’essai avec l’alcool est celui de ANDEASEN

e. Surface spécifique du ciment La surface spécifique est mesurée le plus souvent avec le perméabilimètre de BLAINE. Principes : On mesure la perméabilité d’une couche de ciment tassée dont la porosité est connue = 0,5. On crée une dépression grâce à un tube manométrique et on mesure le temps de descente du liquide entre deux repères. La perméabilité étant liée à la surface spécifique des grains, on peut donc la calculer à l’aide du temps (t) relevé grâce à la formule ci-dessus. Les valeurs courantes des Ss sont :


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La surface spécifique des ciments est compris entre 2 500 et 4 500 cm2/g.

II.2.11.

Les principaux essais sur les pâtes de ciment

a. Détermination du pourcentage d’eau normale (Essai de consistance) Il s’agit de déterminer la quantité d’eau à ajouter à un poids de ciment pour obtenir une pâte dite normale. Cette quantité d’eau est la quantité jugée nécessaire pour l’hydratation complète du ciment. Cet essai dit essai de consistance est réalisé à l’aide de l’appareil de VICAT. Pour réaliser l’essai de consistance, l’appareil de VICAT est muni d’une sonde dite de VICAT. La sonde de VICAT a 10 mm de diamètre. Elle est laissée sans vitesse initiale depuis la surface d’un moulage de pâte de 40 mm de haut. Elle s’enfonce sous son propre poids pour s’arrêter à une distance d du fond. La pâte est dite normale lorsque la sonde s’arrête à 6 ± 1 mm du fond. Cette détermination est faite par tâtonnement. Et on exprime le E résultat sous le rapport C

La pâte est réalisée selon un processus et avec les appareils normalisés. La pâte normale est utilisée pour l’essai de prise. b. Essai de prise Les fins et débuts de prise sont mesurés sur pâte normale à l’aide de l’appareil de VICAT muni d’une aiguille de VICAT dont la section = 1 mm2. On remplit en général deux moules tronconiques de pâte normale que l’on conserve dans l’eau pendant toute la durée de l’essai. A intervalle de temps réguliers on laisse descendre l’aiguille dans la pâte début de la surface sans vitesse initiale. On constate au bout d’un certain temps que l’aiguille ne descend plus jusqu’au fond du moule. Le temps de début de prise est l’instant ou l’aiguille ne s’arrête plus qu’à 2,5 mm du fond du moule. Le temps 0 étant pris égal à l’instant ou le liant est mis en contact avec l’eau. Le temps de début de prise est normalisé (NFP 15-431). Le temps de fin de prise n’est pas normalisé. Mais on considère en général que c’est l’instant où l’aiguille ne laisse plus de trace à la surface de la pâte.


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c. Essai de retrait et de gonflement Les essais sont réalisés sur les prismes 4×4×16 de mortier normal munis à leur extrémité de plots de mesures noyés dans le mortier. On étudie dans le temps, c’est à dire à 7 jours et à 28 jours après la confection, le retrait à l’air et le gonflement dans l’eau. Le retrait à l’air est mesuré à 20° C avec une humidité relative de 50 %. Le gonflement à l’eau est mesuré à 5°C, les variations de dimensions sont mesurées à l’aide d’un appareil appelé retractomètre. Le retractomètre est capable d’enregistrer une variation de longueur de 5 microns. La nouvelle normalisation indique que les retraits à 28 jours mesurés sur mortier normal ne doit pas dépasser :

800 µ par mètre pour les ciments de classe 35 et 45

1 000 µ par mètre pour les ciments de classe 45 R et 55 Elle indique également que le gonflement à 28 jours ne doit pas dépasser 250 µ / m.

d. Essai de flexion et de compression Cet essai est réalisé sur mortier normal. On confectionne des séries de 3 prismes (ou éprouvettes prismatiques 4×4×16) qui sont conservées dans l’eau jusqu’à la période des essais. Ces prismes sont d’abord rompues en traction par flexion. Sous l’effet d’une charge concentrée appliquée au milieu de la portée. Les deux morceaux obtenus sont ensuite écrasés en compression sous une presse et sur une surface de 16 cm2. On obtient ainsi pour une éprouvette donnée, un résultat en traction par flexion et deux résultats en compression.

L’essai de compression permet de déterminer la classe de résistance du ciment. On réalise un essai de traction par flexion car l’essai de traction directe est difficile à réaliser.


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III.

LES BETONS ET MORTIER

III.1.

Les mortiers

III.1.1. Définition Un mortier est un mélange de liant, de sable et d'eau réalisé dans des proportions biens définies de manière à obtenir une pâte de plasticité convenable pour la mise en oeuvre. Il sert à lier les différents éléments constituant toute maçonnerie ou à exécuter des revêtements. Dans un mortier, le liant peut être du ciment, de la chaux ou un mélange des deux. III.1.2. Composition et fabrication des mortiers Les mortiers sont fabriqués selon les prescriptions consignées dans les cahiers de charges par le maître d’œuvre ou encore du fabricant de ciment. Ils sont couramment faits manuellement car utilisés d'habitude pour les petits travaux (bétons de propretés, enduits, etc.). Cependant le maître d’œuvre peut exiger l'emploi de bétonnière. Désignation des mortiers Mortier n°1 : maçonnerie, hourdage,

Poids de ciment pour 1 000 litres de sables 300 kg / classe 45

Mortier n° 2 : enduits extérieurs et intérieurs

300 à 500 kg (selon couche)/ classe 35

Mortier n°3 : chape ordinaire, jointoiement

250 kg / classe 35

Mortier n°4 : scellements

750 kg / classe 45

Désignation du mortier BTC

Mortier BTC

Dosage en ciment en % de Poids de terre latéritique Le double du dosage utilisé pour la fabrication du bloc BTC

A noter : Il existe dans la pratique trois types de BTC : 9 BTC pour maçonnerie intérieure : dosage en ciment = 6 % 9 BTC pour maçonnerie extérieure : dosage en ciment = 8 % 9 BTC pour maçonnerie extérieure façade exposée: dosage en ciment = 12 % D’où le dosage du mortier de pose.


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Le mélange de sable et de liant doit être homogène. Pour le gâchage manuel, les dispositions suivantes doivent être observées :

Disposer d'une aire propre et à l’abris de la pluie si nécessaire,

Mesurer le sable suivant le dosage prescrit, soit avec une brouette , soit à l'aide d'une caisse,

Mélanger le sable et le liant (ciment) à sec dans les proportions définies. Le mélange est fait à sec au moyen de pelles ou d’une bétonnière. On ajoute ensuite la quantité d'eau préalablement mesurée, et de façon progressive, jusqu’à l'obtention de la plasticité recommandée.

a. Le liant Le liant couramment utilisé est le ciment. Pour un (1) mètre cube de mortier, la quantité de ciment varie selon l'usage. Le ciment doit être exempte de grumeaux et doit avoir fait l'objet de test au laboratoire. Usage : la quantité d ciment est donné en poids de ciment kg par m3 de mortier

b. Le sable Pour 1 m3 de mortier, il faut 1,2 m3 de sable. Le sable utilisé doit être exempt de terre et de matière végétale. Il ne doit pas comporter d'éléments très grossiers surtout pour les ouvrages à faible épaisseur (enduits lissés, chapes, etc). La taille des grains de sable (fin à grossier) est fonction de l'usage. c. L'eau de gâchage L'eau doit être propre, sans matière organique. Il faut éviter les eaux qui contiennent une forte proportion de sels (sulfates, chlorures). La quantité d'eau est fonction de la nature du liant utilisé, de l'humidité préalable du sable et de l’utilisation qu’on en fera de ce mortier. A titre indicatif, il faut environ 200 litres d'eau pour préparer un mètre cube de mortier dosé à 400 kg de ciment portland. III.1.3. Mise en oeuvre et applications des mortiers Les emplois des mortiers sont divers. Les règles suivantes doivent être observées dans la mise en œuvre :

Nettoyer et brosser s'il y a lieu, les surfaces d'application pour une bonne adhérence,

Humidifier les surfaces d'application pour permettre une bonne adhérence et éviter immédiatement les retraits,

Protéger les surfaces enduites ou maçonnées pendant la durée de la cure (paillage, sacs de jute, sable, etc.), et les arroser. Une cure en Afrique dure de 4 à 7 jours.


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III.1.4. Qualité d'un bon mortier Un bon mortier doit être mou, d'aspect lisse, luisant et légèrement huileux. Une fois que la prise est commencée, le mortier doit être rejeté ; on ne peut jamais le re-gâcher. En pratique, on peut considérer comme début de prise le moment où la pâte commence à opposer une certaine résistance à la pénétration du doigt et comme fin de prise celui où la surface de la pâte n'est plus rayée par la pression de l'ongle.

III.2.

Les bétons

III.2.1. Introduction Un béton est un mélange en proportion convenable de liant (ciment, chaux), d'agrégats (graviers, sable) et d'eau. Il intervient dans la construction des ouvrages (ponts, dalots, murs de soutènement), des bâtiments (poutres, chaînage, dallage) et des retenues d'eau (déversoirs poids, voiles, murs bajoyers) etc... III.2.2. Différents type de béton Parmi les bétons et maçonneries courants, on distingue : Dosage en sable (0/5) 400 Litres

Dosage en ciment par m3 de béton en place

Béton n°1 : (propreté)

Dosage en gravier (5/25) 800 Litres

Béton n°2 : (gros béton de fondation)

800 Litres

400 Litres

250 Kg / classe 45

Béton n°3 : (forme de sols, agglomérés Ù chapes et parpaings)

800 Litres

400 Litres

250 Kg / classe 45

Béton n°4 : (béton armé)

800 Litres

400 Litres

350 Kg / classe 45

Désignation des bétons

150 Kg / classe 45

III.2.3. Fabrication du béton Le béton de faible quantité peut être fabriqué manuellement à l'image des mortiers. Pour les grandes quantités, il est fait appel à l'emploi de bétonnière. Dans la pratique, les capacités de production des bétonnières sont variables et les différents dosages en matériau se feront en rapport avec le type de bétonnière. Le sable, l'eau de gâchage, le ciment doivent avoir les qualités requises énoncées dans le cas des mortiers. Il en sera de même pour les graviers qui doivent être calibrés et bien lavés. Matériaux de construction

37

Les différents constituants doivent être mesurés proportionnellement à la quantité de liant qui sera utilisé. On mélange le sable et le ciment jusqu'à ce que l'ensemble ait pris une teinture uniforme. On ajoute ensuite le gravier nécessaire et on brasse de nouveau jusqu'à l'obtention d'un mélange homogène. L'eau ne doit être ajoutée que progressivement jusqu'à l'obtention de la plasticité souhaitée. a. Exemple n°1 Soit à préparer un béton dosé à 300 kg/m3 avec une bétonnière d'une capacité de 500 litres. Trouver le nombre de sacs de ciment de 50 kg ainsi que la quantité de gravier et de sable pour une gâchée. Réponse : Pour 1 m3 de béton, on indique d'utiliser 400 litres de sable et 800 litres de gravier. La capacité de la brouette est de 50 litres. Solution 1 Ciment 300 kg x 0,5 = 150 kg soit 3 sacs de 50 kg Sable 400 litres x 0,5 = 200 litres Gravier 800 litres x 0,5 = 400 litres Nombre de brouettes de sable⇒ 200/ 50 = 4 Nombre de brouettes de gravier ⇒ 400/ 60 = 8 b. Exemple n°2 Sur un chantier, on doit mettre en oeuvre 800 m3 de béton dosé à 350 kg/m3. Quels sont les besoins en sable et en gravier si on estime les pertes au cours de la mise en oeuvre à 2 % pour le ciment et 10 % pour les granulats ? Pour 1 m3 de béton, on indique d'utiliser 400 litres de sable et 800 litres de gravier. Réponse Le volume de sable est: 400 litres x 800 soit 320 m3 Le volume de gravier est: 800 litres x 800 soit 640 m3 La quantité du ciment est, 350 kg x 800 soit 280 tonnes. Compte tenu des pertes indiquées, les quantités à approvisionner sont : Pour le sable ;1,10 x 320 m3 = 352 m3 ~350 m3

Pour le gravier ;1,10 x 640 m3 = 704 m3 ~700 m3

Pour le ciment 1,02 x 280 tonnes = 285,6 tonnes ~286 tonnes

III.2.4. Mise en œuvre des bétons Selon la plasticité du béton et le type de béton (béton ordinaire, béton armé, béton compressé au rouleau « BCR », la mise en oeuvre peut nécessiter l'emploi de pilon, de compacteurs ou de vibreurs.


38

Dans la mise en oeuvre, il faut éviter de jeter le béton ou le laisser couler sur un plan incliné très raide. En effet, sous l'action de la pesanteur les éléments lourds se séparent du mortier au cours de la descente occasionnant du coup une hétérogénéité du béton. Les sections d'arrêt des ouvrages longitudinaux (poutres, longrines) doivent être dans un plan incliné ou en escaliers et non vertical. Il faut réduire au maximum la distance de transport du béton pour éviter la ségrégation. En cas de transport par brouette, égaliser le sol pour réduire les vibrations. L'emploi des camions équipés de toupies est recommandé pour les grands chantiers à béton. Le diamètre maximum des granulats et l'espacement des barres doivent être choisis en fonction du ferraillage. Il faut enfin entretenir l'humidité nécessaire au béton pour sa cure. A titre indicatif, le béton atteint 45 % de sa résistance au bout de 3 jours, 70 % au bout de 7 jours et 100 % en 28 jours. L'arrosage peut être arrêté après huit (8) jours. Tout comme les mortiers, éviter un retrait trop rapide qui entraînerait des fissures. - Respecter les délais de décoffrages. A titre indicatif, ils sont les suivants 2 jours pour les murs verticaux 4 jours pour les poteaux non chargés Joues des poutres et des poteaux, les hourdis restants étayés : 8 jours Dalles et hourdis dont la portée est supérieure à 2 mètres : 12 jours

A noter : par aiguille vibrante et vibration des bétons

Couler par passe (hauteur) de 0,3 à 0,8 m Ne jamais dépasser 1,80 m de chute (ségrégation du béton)

Utilisation de l’aiguille vibrante


39

Vitesse de bétonnage à ne pas dépasser pour un béton courant

Rayon d’action d’une aiguille vibrante


40

IV.

ETUDE ET COMPOSITION DE BETON

IV.1.

Méthode simplifiée pour la composition de béton d’usage courant

IV.1.1. Introduction Il s'agit de la méthode simplifiée de "Dreux Gorisse". Cette méthode convient pour les ouvrages courants réalisés avec des moyens limités (dosage volumétrique). Elle utilise des abaques simples (voir annexes ). De quoi s'agit-il ? Il s'agit de réaliser un béton (mélange de ciment, sable, graviers, gravillons et eau) à partir d'un certain nombre de données dont on dispose. A savoir : La dimension maximale des granulats : D L'ouvrabilité, qui peut être définie par la plasticité mesurée au cône d'Abrams La résistance désirée à 28 jours. Dosage et qualité du ciment IV.1.2. Le dosage en ciment est généralement indiqué en Kg/m3 de béton frais mis en oeuvre. Il est conseillé d'arrondir aux 25 kg supérieurs par rapport au dosage lu sur l'abaque correspondant. On suppose que l'on utilise un ciment CPA avec ou sans ajout secondaire, dont la classe 35 est garantie. IV.1.3. Dosage et qualité des granulats Le petit entrepreneur ou l'artisan ne disposant pas, en général, de bascule pour peser les granulats, cette méthode simplifiée indique la composition granulaire en volume. Il conviendrait de tarer des volumes bien définis (brouettes, caisses, sceaux, etc... IV.1.4. Dosage en eau Dans la fabrication du béton, le problème le plus délicat est le dosage en eau, dans la mesure où dans la pratique les matériaux sont plus ou moins humides. Il est difficile de tenir compte exactement de cette quantité d'eau variable. Pour cela l'abaque indique approximativement l'eau à ajouter au mélange en tenant compte du degré d'humidité des granulats. Mais seuls quelques essais au cône d'Abrams permettent de déterminer la quantité exacte de ce dosage en eau.


41

IV.1.5. Application pratique de cette méthode Des calculs et essais complémentaires ont permis d'aboutir à la mise au point de trois abaques (voir annexes) de composition de béton qui s'appliquent chacun :

à un béton fin D = 16 mm

à un béton normal D = 25 mm

à un gros béton D = 40 mm.

Sur l'abaque correspondant à la valeur de D adoptée (16 - 25 ou 40 mm), on part Tracer verticalement un trait de la plasticité désirée jusqu'au croisement de la droite de résistance souhaitée en R. De R, tracer horizontalement un trait vers la droite jusqu'au au point C correspondant au dosage en ciment (en kg/m3) sur l'échelle verticale. En poursuivant cette horizontale on détermine les point GI et G2 à l'intersection avec les droites de granulats (sable, gravier ... ) En descendant verticalement à partir de GI et G2 (et G3 éventuellement) on trouve, sur l'échelle horizontale, les volumes en litres de ces granulats. Quant au dosage en eau, on l’obtient en partant du point D à l'intersection de la première verticale avec la droite "dosage en eau" en traçant une horizontale vers la droite jusqu'au point E, à l'intersection de la verticale correspondant au degré d'humidité apparent des matériaux. Le dosage en eau à ajouter se lit sur le réseau de droites inclinées. Dans le cas où l'horizontale issue de R coupe l'échelle de ciment au dessus de la valeur 400 km/m3 il est conseillé, plutôt que d'augmenter le dosage en ciment au delà de 400, de prévoir un adjuvant (plastifiant ou fluidifiant), et dans ce cas le point D est à remplacer par le point D'pour déterminer le dosage de l'eau à ajouter. Remarques : En matière de composition de bétons, il est important de faire les constats suivants :

Si l'on désire augmenter la plasticité, le dosage en eau s'en trouve augmenté (pour un même degré d'humidité des granulats),

Si le dosage en eau est augmenté (pour augmenter la plasticité), il faudra, si l'on veut conserver la même résistance, augmenter le dosage en ciment ; si l'on maintient le même dosage en ciment, la résistance sera plus faible,

Si le dosage en ciment augmente, on a tendance, ce qui est normal, à mettre moins de sable et plus de graviers (et vice versa),


42

Si l'humidité des granulats augmente, la quantité d'eau à ajouter diminue,

Si l'on passe d'un abaque à l'autre on constate que, pour une plasticité équivalente et pour la même résistance, on mettra un peu moins de ciment et un peu moins d'eau si les granulats sont plus gros.

IV.1.6. Conclusion Il est important de souligner que cette méthode, étant purement graphique et ne nécessitant pas de calcul, peut être utile pour la petite entreprise ou le tâcheron désireux de réaliser des bétons de compositions un peu mieux adaptées. Il est de toute évidence que le caractère approximatif de la méthode ne saurait résoudre tous les problèmes que pose l'étude de la composition d'un béton. Bien entendu, le recours à un laboratoire spécialisé reste indispensable lorsque l'ouvrage à construire ne peut admettre les approximations de la méthode.


43


44

IV.2. Méthode complète de l’étude de composition des béton selon DREUXGORISSE

Lorsqu'on mélange du ciment, des granulats et de l'eau, on obtient du béton. Mais on peut obtenir une infinité de bétons, en faisant varier les propositions des constituants et il est certain que, parmi ces bétons, tant par leur nature propre qu'en raison du travail à exécuter, certains seront franchement mauvais, d'autres seront acceptables, d'autres enfin seront bons (les moins nombreux). L'étude de la composition d'un béton consiste à définir le mélange optimal des différents granulats dont on dispose ainsi que le dosage en ciment et en eau afin de réaliser un béton dont les qualités soient celles recherchées pour la construction de l'ouvrage ou de l'élément d'ouvrage en cause. Les méthodes proposées sont nombreuses, mais quelques unes sont plus utilisées que d’autres, notamment : La méthode de Bolomey

La méthode de Faury

La méthode de Valette

Et enfin la méthode pratique simplifiée dite méthode "Dreux Gorisse"

C’est cette dernière méthode que nous allons développer. Nous verrons que cette méthode permet de définir de façon simple et rapide une formule de composition à peu près adaptée au béton étudié mais que, seules quelques gâchées d'essais et la confection des éprouvettes permettrons d'ajuster au mieux la composition à adopter définitivement en fonction des qualités souhaitées et des matériaux effectivement utilisés. IV.2.1.

Données de base

La connaissance de la nature de l'ouvrage est nécessaire : ouvrage massif ou au contraire élancé et de faible épaisseur, faiblement ou très ferraillé, La connaissance d'une résistance nominale (σn) en compression à 28 jours et en admettant un coefficient de variation, la résistance moyenne serait : σ28 ≈ σn + 15%.σn La consistance désirée est fonction de la nature de l'ouvrage, de la difficulté du bétonnage, des moyens de serrage, etc... La plasticité désirée mesurée par l'affaissement au cône d'Abraham


45

PLASTICITE Béton très ferme

Béton ferme

Béton plastique6

Béton mou

Béton liquide IV.2.2.

SERRAGE Vibration puissante

AFFAISSEMENT (en cm) 0à2

Bonne vibration

3à5

Vibration courante

6à9

Piquage

10 à 13

Léger piquage

≥ 14

Dosage en ciment, en eau.

A partir de la formule ci-dessous on détermine le rapport

C E

C  − 0,5  E 

σ 28 = G.σ c . Avec :

σ28: résistance moyenne en compression désirée à 28 j en bars σc Classe vraie du ciment (à 28 j) en bars

C : Dosage en ciment (en kg/m3 ) G: Coefficient granulaire. (voir tableau ci-dessous) E : Dosage en eau sur matériaux secs (en litres pour 1 m3 de béton) Qualités des granulats

Excellente

Dimension des granulats Fins Moyens Grossier (D < 16mm) (2563mm) 0,55 0,60 0,65

Bonne, courante

0,40

0,50

0,55

Passable

0,35

0,40

0,45

Tab. : Valeurs approximatives du coefficient granulaire G. Ces valeurs supposent que le serrage du béton sera effectué dans de bonnes conditions (par vibration en principe).

C , du E dosage en eau E nécessaire pour une ouvrabilité satisfaisante. Ainsi l'abaque ci-après permet d'évaluer approximativement C en fonction de C et de l'ouvrabilité désirée qui est souvent fonction des moyens de E serrage du béton.

Il faut souligner que le dosage en ciment est fonction du rapport


46

Fig. : Abaque permettant d’évaluer approximativement le dosage en ciment à prévoir en fonction du rapport C/E et de l’ouvrabilité désirée (affaissement au cône)

Ayant fait le choix du dosage en ciment C, on déduit alors le dosage approximatif en eau E qu'il conviendrait d'ajuster ultérieurement par quelques essais de plasticité et d'ouvrabilité. L'abaque ci-dessous nous permet d'effectuer une première correction en tenant compte de la dimension maximale des granulats (D maxi).


47

Fig. Variation de la correction à apporter au dosage en eau si la dimension maximale des granulats est différente de 25 mm

IV.2.3.

Trace de la courbe granulaire de référence

Les graviers doivent être de bonne qualité minéralogique, suffisamment durs et bien propres, mais de préférence alluvionnaire. Le sable quant à lui a sur le béton, une influence prépondérante selon ses qualités : Sa propriété à vérifier par l'Equivalent de Sable (E.S) Son module de finesse Mf à calculer : ∑ des refus (% ramené à l'unité) de tamis de module suivant 23, 26, 29, 32, 35, 38 Sa courbe granulométrique. En ce qui concerne les valeurs préconisées pour l’équivalent de sable E.S, on trouve : ES à vue

ES Piston

Nature et qualité du sable

ES < 65

ES < 60

Sable argileux : risque de retrait ou de gonflement à rejeter pour des bétons de qualité.

65 ≤ ES < 75

60 ≤ ES < 70


Sable légèrement argileux de propreté admissible pour bétons de qualité courante quand on ne craint pas particulièrement le retrait.

48

ES à vue

ES Piston

75 ≤ ES < 85

70 ≤ ES < 80

ES ≥ 85

ES ≥ 80

Nature et qualité du sable Sable propre à faible pourcentage de fines argileuses convenant parfaitement pour les bétons de haute qualité (valeur optimale : ES piston = 75 ES à vue = 80). Sable très propre : l’absence presque totale de fines argileuses risque d’entraîner un défaut de plasticité du béton qu’il faudra rattraper par une augmentation du dosage en eau.

Le C.P.C. (fascicule 65) du Ministère de l’Equipement préconise les valeurs suivantes :

Qualité du béton

ES à vue minimum

Béton courant………………………………………………………………… ……..

70

Béton courant de résistance relativement élevée, béton de qualité……………

75

Béton de qualité à haute résistance, béton exceptionnel……………………….

80

Une correction par l’ajout d’un sable fin, d’un plastifiant ou d’un entraîneur d’air, si par exemple, le sable en question est trop grossier. (Module de finesse ≥ 3,0). Correction éventuelle du module de finesse du sable :

On pourra utiliser la règle d’Abrams : supposons par exemple que l’on dispose d’un sable S1 de module de finesse trop fort M1 et que l’on désire y ajouter un sable fin S2 de module de finesse M2 afin d’obtenir un mélange.

IV.2.4. Graphique d'analyse granulométrique Après le tamisage des granulats on trace sur le même graphique les courbes granulométriques des différents granulats. Ensuite on trace la courbe granulaire de référence OAB : le point 0 étant l'origine, le B (à l'ordonnée 100 %) correspond à la dimension Dmaxi du plus gros granulat et le point A dit le point de brisure a les coordonnées ainsi définies en abscisse à partir de Dmaxi : D Si Dmaxi < 20 mm, alors l'abscisse XA= max i 2


49

Si Dmaxi > 20 mm, XA est située au milieu du "segment gravier" limité par le module 38 (5 mm) et le module correspondant à Dmax. et l'ordonnée (YA) est donnée par la formule : YA = 50 -

Dmax i + K

, avec K un terme correcteur qui dépend du dosage en ciment, de l'efficacité du serrage, de la forme des granulats roulés ou concassés. (en particulier la forme du sable).

Vibration

Faible

Roulé

400 + fluide

− 2

400

Dosage en ciment

Forme des granulats (du sable en particulier)

Normale

Concassé

Puissante

Roulé

Concassé

Roulé

Concassé

0

− 4

− 2

− 6

− 4

0

+ 2

− 2

0

− 4

− 2

350

+ 2

+ 4

0

+ 2

− 2

0

300

+ 4

+ 6

+ 2

+ 4

0

+ 2

250

+ 6

+ 8

+ 4

+ 6

+ 2

+ 4

200

+ 8

+ 10

+ 6

+ 8

+ 4

+ 6

NOTA 1 : Correction supplémentaire Kp : Si le module de finesse du sable est fort (sable grossier) une correction supplémentaire sera apportée de façon à relever le point A, ce qui correspond à majorer le dosage en sable et vice versa. La correction supplémentaire (sur K) peut être effectuée en ajoutant la valeur Kp = 6 Mƒ − 15 (Mƒ étant le module de finesse du sable qui peut varier de 2 à 3 avec une valeur optimale de l’ordre de 2,5 pour laquelle la correction préconisée est alors nulle). NOTA 2 : Correction supplémentaire Kp : Si la qualité du béton est précisée « pompable », il conviendra de conférer au béton le maximum de plasticité et de l’enrichir en sable par rapport à un béton de qualité « courant ». On pourra pour cela majorer le terme correcteur K de la valeur Kp = + 5 à 10 environ, selon le degré de plasticité désiré. Tab. Valeur du terme correcteur K en fonction du dosage en ciment, de la puissance de la vibration et de l’angularité des granulats et permettant de calculer Y ordonnée du point de brisure de la courbe de référence :


50

Fig. : Courbe granulométrique de référence


51

IV.2.5.

Dosage des granulats

a. Coefficient de compacité Le coefficient de compacité γ est le rapport des volumes absolus des matières solides (Vm = Vg + Vs + Vc) au volume total du béton frais en oeuvre soit un mètre cube. γ=

Vg + Vs + Vc (en litres), avec : 1000

Vg: Volume absolu du gravier Vs: Volume absolu du sable C ; Volume absolu du ciment Vc = 3,1 Ce coefficient γ est fonction de : Dmaxi : dimension maximale des granulats

Consistance

C : dosage en ciment et E dosage en Eau

G rapport de composition gravier, sable S

Forme des granulats (concassés ou roulés)

Moyen de serrage (vibrations, piquage)

γ coefficient de compacité Serrage D=5

D = 10 D = 12,5

D = 20

D = 31,5

D = 50

D = 80

Molle

Piquage Vibration faible Vibration normale

0,750 0,755 0,760

0,780 0,785 0,790

0,795 0,800 0,805

0,805 0,810 0,815

0,810 0,815 0,820

0,815 0,820 0,825

0,820 0,825 0,830

Plastique

Piquage Vibration faible Vibration normale Vibration puissante

0,760 0,765 0,770 0,775

0,790 0,795 0,800 0,805

0,805 0,810 0,815 0,820

0,815 0,820 0,825 0,830

0,820 0,825 0,830 0,835

0,825 0,830 0,835 0,840

0,830 0,835 0,840 0,845

Ferme

Vibration faible Vibration normale Vibration puissante

0,775 0,780 0,785

0,805 0,810 0,815

0,820 0,825 0,830

0,830 0,835 0,840

0,835 0,840 0,845

0,840 0,845 0,850

0,845 0,850 0,855

NOTA : Ces valeurs sont convenables pour des granulats roulés sinon, il conviendra d’apporter les corrections suivantes : - sable roulé et gravier concassé 0,01 - sable et gravier concassé 0,03 Pour un dosage en ciment C ≠ 350KN/m3, on apportera le terme correctif suivant :

C − 350 3000

Tab. : Valeur du coefficient de compacité γ


52

b. Dosage des granulats La courbe granulaire de référence OAB étant tracée, on trace alors les lignes de partage des courbes granulaires en joignant le point à 95 % de la courbe granulaire du ler granulat, au point de 5 % de la courbe du granulat suivant, et ainsi de suite.

On lira alors, sur la courbe de référence OAB au point de croisement (intersection) avec la ou les droites de partages de courbes, le pourcentage en volume absolu de chacun des granulats : soit g1, g2 etc... A partir de γ =

Vg + Vs + Vc => Vg + Vs = V = 1 000 γ - Vc 1000

Ainsi les volumes absolus de chacun des granulats sont : V1 = g1 (Vg + Vs) = g1.V V2 = g2.V etc... Si les masses spécifiques de chacun de ces granulats sont wl, w2 etc... alors les masses de chacun d'eux seront : Pl =w1 . V1 P2=w2 . V2 etc.. P Soit P la masse totale des granulats. Ainsi on aura définit la formule de composition pour 1 m3 de béton à savoir:

Dosage en ciment : C (Kg/m3)

Dosage en eau: E (l/m3)

Dosage des granulats : G, S. (kg ou litres pour 1 m3).

Essais d'étude - Corrections IV.2.6. La formule de composition étant déterminée, on procède alors à réaliser divers essais d'étude pour contrôler les résistances et certains critères essentiels afin de corriger éventuellement la formule ainsi proposée. Pour effectuer ces corrections, on observera les différents cas suivants : a. Résistance insuffisante Si la résistance est insuffisante, il faut soit : Augmenter le dosage en ciment,


53

Diminuer le dosage en eau mais pour maintenir une plasticité suffisante il faut faire appel éventuellement à un adjuvant fluidifiant,

Diminuer le dosage en éléments fins du sable au profit des éléments plus gros (majoration du module de finesse) mais dans ce cas, attention à la diminution de l'ouvrabilité et à l'augmentation de la ségrégabilité,

G en diminuant un peu la quantité du sable S au profit du gravier; il suffit d'abaisser un peu le point A de la courbe de référence. Des essais d'écrasement des éprouvettes doivent être effectués afin d'adopter la correction satisfaisante à retenir.

Augmenter le rapport

b. Ouvrabilité insuffisante, ségrégabilité Pour améliorer l'ouvrabilité, il faut soit : Vérifier que le sable n'a pas un module de finesse trop fort ; dans ce cas, ajouter un sable fin de façon à corriger ce module ou faire appel à un adjuvant plastifiant,

Augmenter le dosage en eau, si le béton a un aspect trop sec, mais attention à la chute de résistance,

Augmenter le dosage des éléments les plus fins au détriment des G ; il suffit de plus gros, ce qui revient à diminuer le rapport S relever un peu le point A, d'où à choisir une valeur de K un peu plus élevée.

c. Ajustement de la formule au m3 Si la masse totale des granulats est P, si la masse du ciment est C et le dosage en eau est E (en litres/m3 sur matériaux secs), la densité du m3 de béton frais serait théoriquement : ∆0 =

P+C + E 1 000

On peut en pesant une ou plusieurs éprouvettes mesurer la densité réelle (∆) du béton frais en oeuvre. Ainsi :

Si ∆ ≈ ∆0, la formule étudiée correspond bien au m3,

Si ∆< ∆0, la formule étudiée donne un peu plus d'un mètre cube (m3) de béton et le dosage réel en ciment se trouve inférieur à celui théoriquement prévu et vice versa,

La correction à apporter sur la masse totale des granulats est alors : x = 1 000 (∆ - ∆0) (en kg)


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Si à ∆ - ∆0 < 0, la correction est à déduire car la formule proposée faisait plus du m3,

Si ∆ - ∆0 > 0, la correction est à ajouter car la formule proposée faisait alors moins du m3

Sur la masse de chacun des granulats dont les % sont g1, g2, g3 et les masses Pl, P2, P3 ; la correction à apporter sera XP1 XP2 XP3 ; ; ; etc… P P P


55

V.

PATHOLOGIE : EFFETS DU RETRAIT DU BETON

L'hydratation des liants hydraulique ⇔ réaction chimique exothermique Pour gâcher un béton il y a nécessité d'un excès d'eau au moment du gâchage (2x la quantité nécessaire environ) car : Pour la maniabilité

Pour le mouillage et l'hydratation correcte des grains de ciment

⇒ Variation importante de volume

Cette variation importante de volume se rattache à la notion de : RETRAIT HYGROTHERMIQUE ou THERMOHYGROMETRIQUE

Echelle de temps 0

En réalité il existe 5 formes de retraits élémentaires: V.1.

Retrait d'hydratation :

Réaction chimique ⇒ hydrates plus petit que les anhydro +eau

Période de prise

V.2.

Retrait de serrage avant prise Tassement gravitaire des granulats dans le liquide interstitiel (ciment + eau) ⇒ exsudation d'eau ⇔ ressuage Evaporation superficielle Phénomène de succion – évaporation – tassement – succion … etc, jusqu'à la fin de prise

3à9h

Période de cure : 3 à 7 jours

V.3.

Retrait hydraulique après prise

Le plus dangereux pour la qualité du béton

Après prise : béton = matériau humide L'eau en excès s'évapore progressivement, Les forces capillaires déplacent l'eau des interstices de plus gros vers les plus petits, Les ménisques d'eau deviennent de plus en plus petit, La tension du liquide interstitiel s'oppose à l'évaporation et provoque le rapprochement des grains V.4.

Retrait thermique

Hydratation ⇔ réaction chimique exothermique Refroidissement après prise ⇒ retrait A partir d'un an

V.5.

Retrait de carbonatation

Hydrate + CO2 ⇒ carbonates (plus petit)


56

A noter :

L'évaporation de l'eau en excès va jouer un grand rôle vis-à-vis du retrait. En particulier au jeune âge du béton (là où il a peu de résistance en traction). Si :

Faible hygrométrie de l'air

Air chaud

Vent ou courant d'air

Fissuration spectaculaires Plusieurs mm en quelques heures Fissures sous forme de maille

Cette fissuration se caractérise par une perte très importante de résistance mécanique du béton mûr, voir de décollement en plaque (cas des ouvrages minces type enduit). Le document ci-après permet d'estimer la profondeur des fissures maillées en fonction de leurs espacement.


57


58

V.6.

La cure des bétons

Pour les raisons exposées ci-avant, il est indispensable d'effectuer la cure d'un béton (ou mortier) au moyen de : Film polyane (couvrir l'ouvrage …. Ex.: dallage)

Tissu humide

Produit de cure (tous types d'ouvrage : voir préconisation du fabricant)

Sable régulièrement humidifié (couvrir l'ouvrage …. Ex.: dallage)

Arrosage 2 fois par jour (conseillé) ou 1 fois par jour (au minimum)

La durée de cure sera fonction de l'humidité de l'air et de la température:

Valeurs données pour: Un béton dosé à 350 Kg/m3 d'un ciment classe 45R

A noter : En dessous de 5° C : bétonnage interdit

Conseil pour la durée minimale (exprimée en jours de cure du béton en fonction des conditions climatiques)


59

V.7.

Influence de la température de l'air et du rapport E/C du mortier sur le retrait avant prise

Valeurs données pour: Une vitesse du vent de 20 km/h

Application numérique : Soit une poutre de 4 ml de longueur section 30x40 cm2: Pour un E/C de 0,6 nous obtenons un retrait avant prise de Pour un E/C de 0,5 retrait avant prise de

5 cm 1,4 cm

La différence d'eau entre E/C 0,6 et 0,5 correspond pour cet ouvrage à environ 17 litres d'eau (Vbéton = 0,4*0,3*4 = 0,48 m3 // béton dosé à 350 Kg de ciment/m3 de béton => 168 Kg de ciment nécessaire), soit le contenu d'un sceau d'eau …. Conclusion : Attention sur chantier au sceau d'eau complémentaire !

On peut limiter l'apport d'eau de gâchage en utilisant : Des plastifiants,

Une règle vibrante performante


60

VI.

LES METAUX

On distingue : Les métaux ferreux (fer, fonte, acier)

Les métaux non ferreux (Al, Zn, Cu, Pb)

Les alliages (laiton, bronze, duralium, etc),

VI.1.

Définitions

VI.1.1. Les métaux ferreux Ils se différencient par leur teneur en carbone. Cette différence de teneur en carbone joue sur leur résistance mécanique. Fer : moins de 0,1 % de Carbone ( C) Aciers doux : 0,1 à 0,3 % C = fers profilés Aciers ni durs : 0,3 à 0,35 % C = pièces de force Aciers durs : 0,35 à 2 % C = outils durs et tranchants Fonte : 2,5 à 6 % = moulage des tuyaux VI.1.2.

Les métaux non ferreux

Le cuivre ( à partir de la calcopyrite CuFeS) C’est un métal rouge ou jaune (d = 8,9), malléable et ductile.

Se déforme facilement,

S’étire en fils très fins,

Ne se soude pas,

S’oxyde à l’air libre (vert de gris),

Bon conducteur d’électricité et chaleur,

S’emploie en tuyauterie (eau chaude),

En couverture (tôles de 0,1 à 0,5 mm d’épaisseur),

En câble conducteur (électricité).

L’étain S’obtient à partir de la cassitérite (oxyde d’étain naturel) C’est un métal blanc et mou (d = 7,3) qui ne s’emploie qu’avec d’autres métaux l’étain et le cuivre donnent le bronze. Il préserve de l’oxydation : la tôle couverte d’étain donne « le fer blanc ». Le plomb C’est un métal lourd (d = 11,34) mou, malléable, obtenu à partir d’un minéral de sulfure de plomb (la galène, On l’utilise :


61

En feuilles pour la couverture d’édifices,

En tuyaux pour les canalisations d’eau et gaz,

En isolation phonique,

En protection contre les radiations.

Le chrome Il est obtenu par la réduction de la chromite ou fer chromé (Fe 0, Cr2 04) par le charbon dans un four électrique. Il est utilisé comme constituant secondaire d’aciers ou comme placage sur les métaux ferreux. Le zinc Il est obtenu à partir de la blende Zn S.1 C’est un métal gris, que oxydable (d = 7,1). Il s’emploie pour protéger les aciers (galvanisation), pour les couvertures, pour les tuyaux de descente, les gouttières et les chenaux, les solins. L’aluminium S’obtient par l’électrolyse de l’aluminium extraite de la bauxite. C’est un métal blanc, léger (d = 2,7), ductile, malléable. Il s’emploie pour les canalisations électriques, les couvertures, les ouvertures (ou châssis).

VI.1.3.

Les alliages

Les aciers spéciaux Alliage de fer et d’autres métaux. On distingue :

Les aciers semi inoxydables (avec du cuivre)

Les aciers inoxydables avec 9 Chrome + Nickel 9 Chrome + Nickel + Titane 9 Chrome + Nickel + Zinc

A noter : le chrome augmente la résistance

Autres alliages Le laiton = alliage de Cuivre et de zinc, Le bronze = alliage du cuivre et d’étain, Le duralium = alliage d’aluminium, cuivre et de manganèse, (grande résistance sous faible poids) le maillechort = alliage de cuivre de Nickel et de zinc l’alpax = alliage d’aluminium et de silicium (se moule facilement).


62

VI.2.

L’histoire de l’acier

Au commencement était le fer... 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 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 quantité obtenues pouvaient atteindre 50 à 60 kilos au Moyen Age. On fabriqua aussi dès le début, de petites quantité 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*.


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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.

A noter : 1. La teneur en carbone est de moins de 0,10% dans le fer, de 0,10 à 2% dans l'acier et de 2,5 à 6% dans la fonte.

2. Aujourd'hui, on ne parle plus de fer mais d'aciers "à très bas carbone".

L'acier, métal pluriel L'acier, c'est du fer additionné de carbone, depuis un taux proche de 0%, correspondant à des traces infimes, jusqu'à 2%. Le dosage en carbone influe sur les caractéristiques du métal. On distingue 2 grandes familles d'acier : les aciers alliés et les aciers non-alliés. Il y a alliage lorsque les éléments chimiques autres que le carbone sont additionnés au fer selon un dosage minimal variable pour chacun d'eux. Par exemple : 0,50% pour le silicium, 0,08% pour le molybdène, 10,5% pour le chrome. Ainsi un alliage à 17% de chrome + 8% de Nickel est un acier inoxydable. C'est pourquoi il n'y a pas un acier mais des aciers. On dénombre aujourd'hui près de 3 000 nuances (compositions chimiques) répertoriées, sans compter toutes celles créées sur mesure.


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VI.2.1.


Le process de fabrication de l’acier

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L’usine d'Agglomération

Le minerai de fer est préparé, broyé et calibré en grains qui s'agglomèrent (s'agglutinent) entre eux. L’aggloméré obtenu est concassé puis chargé dans le haut fourneau avec du coke. Le coke est un combustible puissant, résidu solide de la distillation de la houille (variété de charbon très riche en carbone).

Le Haut fourneau

On extrait le fer de son minerai. Minerai et coke solides sont enfournés par le haut. L'air chaud (1200 °C) insufflé à la base provoque la combustion du coke (carbone presque pur). L'oxyde de carbone ainsi formé va "réduire" les oxydes de fer, c'est-à-dire leur prendre leur oxygène et, de ce fait, isoler le fer. La chaleur dégagée par la combustion fait fondre fer et gangue en une masse liquide où la gangue, de densité moindre, flotte sur un mélange à base de fer, appelé "fonte". Les résidus formés par la gangue fondue (laitiers) sont exploités par d'autres industries : construction de routes, cimenterie,...


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Cockerie

Le coke est un combustible obtenu par distillation (gazéification des composants indésirables) de la houille dans le four de la cokerie. Le coke est du carbone presque pur doté d’une structure poreuse et résistante à l’écrasement. En brûlant dans le haut fourneau, le coke apporte la chaleur nécessaire à la fusion du minerai et les gaz nécessaires à sa réduction.

Convertisseur à Oxygène

On y convertit la fonte en acier. La fonte en fusion est versée sur un lit de ferraille. On brûle les éléments indésirables (carbone et résidus) contenus dans la fonte en insufflant de l'oxygène pur. On récupère les résidus (laitier d'aciérie). On obtient de l'acier liquide "sauvage", qui est versé dans une poche. Il est appelé acier sauvage, car, à ce stade, il est encore imparfait.


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Four électrique

La matière première enfournée peut aller du matériau brut (par exemple des pièces de machine) dûment sélectionné, jusqu’à la ferraille livrée préparée, triée, broyée, calibrée, avec une teneur minimale en fer de 92 %. On fond les ferrailles dans un four électrique. L’ACIER LIQUIDE obtenu est ensuite soumis aux mêmes opérations d’affinage et de mise à nuance que dans la filière fonte. Les ferrailles proviennent des emballages jetés, des bâtiments, machines et véhicules démontés, des chutes de fonte ou d’acier récupérés dans la sidérurgie ou chez ses clients transformateurs. Chaque nuance d’acier nécessite un choix rigoureux de la matière première, en fonction notamment des “pollutions” que peut représenter, pour cette nuance précise, tel métal ou autre minerai contenu dans les ferrailles. La matière première enfournée peut aller du matériau brut (par exemple des pièces de machine) dûment sélectionné, jusqu’à la ferraille livrée préparée, triée, broyée, calibrée, avec une teneur minimale en fer de 92 %. On fond les ferrailles dans un four électrique. L’ACIER LIQUIDE obtenu est ensuite soumis aux mêmes opérations d’affinage et de mise à nuance que dans la filière fonte. Les ferrailles proviennent des emballages jetés, des bâtiments, machines et véhicules démontés, des chutes de fonte ou d’acier récupérés dans la sidérurgie ou chez ses clients transformateurs. Chaque nuance d’acier nécessite un choix rigoureux de la matière première, en fonction notamment des “pollutions” que peut représenter, pour cette nuance précise, tel métal ou autre minerai contenu dans les ferrailles.

Filière électrique : processus Un “ panier à ferrailles ”, chargé à l’aide d’un aimant, achemine la matière première jusqu’au four. La fusion a lieu grâce à des arcs électriques puissants, qui jaillissent entre des électrodes et la charge à fondre. On récupère les résidus (laitier). On obtient de l’acier liquide, qui va être acheminé vers l’installation d’affinage et de mise à nuance. Matériaux de construction

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Station d'affinage

Affinage (décarburation) et additions chimiques Les opérations ont lieu dans un récipient sous vide, l'acier étant mis en rotation entre poche et récipient à l'aide d'un gaz neutre (argon). On insuffle de l'oxygène pour activer la décarburation et réchauffer le métal. Ce procédé permet une grande précision dans l'ajustement de la composition chimique de l'acier ("mise à nuance").

Coulée continue

Moulage d'ébauches (demi-produits) Ici : moulage d'une brame. L'acier en fusion s'écoule en continu dans un moule sans fond. En traversant ce moule, il commence à se solidifier au contact des parois refroidies à l'eau. Le métal moulé descend, guidé par un jeu de rouleaux, et continue de se refroidir. Arrivé à la sortie, il est solidifié à coeur. Il est immédiatement coupé aux longueurs voulues.


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Laminoir à chaud

Des ébauches aux produits finis : Ici : de la brame à la tôle. La brame est réchauffée dans un four pour rendre le métal plus malléable, donc plus facile à étirer et à mettre en forme. L'ébauche est ensuite amincie par écrasements progressifs entre les cylindres du laminoir.


70

VI.2.2.

VI.3.

Les produits finis

Caractéristiques mécaniques de l’acier

L’acier (GB : steel) est un alliage métallique de fer et de carbone (ce dernier pour moins de 2%), présentant des caractéristiques très diverses selon le mode de fabrication et de traitement mécanique et thermique (acier recuit, trempé...), et selon les éléments qui lui sont éventuellement incorporés (alliages). Pour les emplois dans le bâtiment, sous forme de profilés et d'armatures, on définit l'acier par sa nuance, notation normalisée de la limite d'élasticité: Aciers naturels doux (norme NF A 35-501) : nuances E.24, E.28, et E.36. Chacune de ces nuances est disponible avec une notation de classement de résilience (résistance aux chocs) de 2 (fragile), 3 (peu fragile), ou 4 (très peu fragile). Aciers alliés durs, dits aciers H.L.E.-à haute limite élastique (norme NF A 36-201) : nuances E.365, E.375, E.420, E.440 et E.460. A ce groupe de nuances correspondent deux qualités de résilience, R et FP.

Selon leur composition et leur structure, on distingue par ailleurs : a. Les aciers ordinaires, dits aciers au carbone (GB : carbon steel), contenant au maximum 1,8% de carbone), et de faibles proportions de manganèse, de silicium et de phosphore (sont indiqués entre


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parenthèses les taux de carbone et la résistance à la rupture en traction) : i. Aciers extra-doux (0,10 à 0,15% -35 kg/mm2), utilisés en quincaillerie par emboutissage (rivets, clous...), et sous forme de tôles et feuillards, par laminage. ii.

Aciers doux (GB : mild steel - .0,15 à 0,20% -40 kg/mm2), aciers courants de construction, étirés sous forme de poutrelles, profilés, barres, tôles, ou tréfilés en fils d'armature, ou en fil ordinaire (dit fil de fer).

iii.

Aciers demi-doux (GB : medium soft steel - .0,20 à 0,30% -50 kg/mm2), pour outils forgés, radiateurs moulés, ronds d'armature pour béton.

iv.

Aciers demi-durs (GB : medium hard steel - 0,30 à 0,40% -60 kg/mm2), pour pièces d'outillage et petits outils, en général par moulage.

v.

Aciers durs (0,40 à 0,60% -70 kg/mm2), pour ressorts, rails, fers tranchants.

Aciers extra-durs (plus de 0,60% - 80 kg/mm2), pour câbles, lames de scies... b. Les aciers spéciaux, qui sont des alliages d'acier et d'éléments leur donnant des propriétés particulières : i. Aciers au chrome, de haute dureté mais plus cassants : outils, forets, roulements.

vi.

VI.4.

ii.

Aciers au manganèse, très résistants à l'usure, pour les rails, les pièces de broyeurs, malaxeurs à béton, etc.

iii.

Aciers au nickel, résistant bien à la corrosion (connus sous les noms de ferro-nickel, permalloy, invar).

iv.

Aciers de nickel-chrome (GB : stainless steel): selon leurs proportions respectives de chrome et de nickel, ce sont les aciers austénitiques, les aciers inoxydables, et certains aciers réfractaires.

v.

Aciers au chrome-tungstène, dits aciers rapides, à très haute dureté, pour outils de coupe et de perçage.

vi.

Aciers au cuivre (GB : copper clad steel)., dits aciers patinables, du type CORTEN.

Emploi des métaux dans la construction

Nous ne saurions détailler ici les très nombreux emplois de l'acier qui, surtout depuis le 19e siècle, est devenu un composant essentiel de la construction : Pour les structures autoporteuses et porteuses (poutrelles, charpentes métalliques, câbles, pieux, palplanches...),


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Pour les armatures du béton armé, courant ou précontraint : aciers doux (ADX) de nuance Fe24, ou Fe40 à haute adhérence (HA), plus connus par leurs marques-types (Caron, Nersid, Tentor, Tor, etc.: V. Armatures).

Pour les habillages et les équipements (tôles et panneaux de couverture et de bardage, tuyaux, radiateurs, robinetterie, quincaillerie, serrurerie, etc.),

Pour le matériel de chantier et l'outillage.

Plus en détail nous pouvons citer : VI.4.1.

Les tôles et les bacs

Toutes ces tôles sont utilisées pour les couvertures et les bardages. Les nervures permettant de raidir l’ensemble et de résister aux surcharges dues au vent en particulier. Les tôles ondulées D’épaisseur variable de 0,3 à 0,7 mm, elles sont galvanisées par immersion des tôles dans du zinc à fusion ; fabriquées en 0,90 m ou 1 m de large par 2 m de long. Les bacs galvanisés (ou bacs autoportants) Les hauteurs des nervures sont de l’ordre de 4 à 5 cm ; la largeur est de l’ordre de 80 cm (mais la 1argeur utile est de 0,75 m) ; l’épaisseur est de l’ordre de 30/100 à 50/100mm ; la longueur n’est théoriquement pas limité mais pratiquement la limitation est due aux conditions de transport. On livre en 6 ml, 9ml, 12ml La galvanisation est variable et pas toujours précisée par le revendeur. Elle correspond à la masse de zinc allant de 100 à 600 g/m 2 double face.. Les bacs aluminium (ou autoportants ou bacs nervures) Les hauteurs de nervures sont de l’ordre de 4 à 5 cm. Les épaisseurs sont de 60/100 à 70/100 mm. Ils sont vendus en 0,80 m de large (0,75 largeur utile). Les bacs Alu-Zinc Egalement en 30 ou 35/100. Les bacs prélaqués (sur commande) Ce sont des tôles revêtues d’une ou plusieurs couches de peinture (laques).

VI.4.2. Les fers à béton (ou armatures) Les ronds lisses : aciers doux laminés à chaud. Les aciers à haute adhérence (H.A) :


73

Pour les aciers à hautes adhérences leur surface latérale améliore l’adhérence par des reliefs : ce sont des aciers doux, laminés à chaud, écrouie par torsion à froid. Les fers a béton sont vendus au kilo. VI.4.3. Les treillis soudés Ils sont constitués de ronds lisses ou crénelés assemblés rigidement par soudures électriques en mailles carrées ou rectangulaires. On les trouvent en rouleaux de 25 à 30 m de long en 2,40 m large si Ø < 5 mm ou en panneaux standard de 3 à 5 mm de long (22,40 m de large). Le coût des de l’ordre de 11000F/m 2 (Ø 6 mm, maille de 150mm) ; La dénomination T.S, 4/3, 150/300 correspond à : TS = Treillis soudés 4 = Ø du fil porteur 3 = Ø du fil de répartition 150 = espacement des fils porteurs (en mm) 300 = espacement des fils de répartition (en mm)


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Les treillis soudés sont utilisés surtout pour les dalles et murs comme fers de répartition et/ou d’anti-fissuration. VI.4.4. Le métal déployé Il est réalisé par découpage incomplet dans une tôle d’acier de leurs parallèles puis étiré en maille en forme de louange. Il peut servir comme le treillis soudé, mais aussi :

Pour la réalisation de clôture,

Pour la fermeture de conduites ventilées,

Pour la couverture de caniveaux ou de chemins de passages anti-dérapant.

VI.4.5. Les profilés métalliques Ce sont des fers réalisés en acier et obtenu par laminage suivant des profils divers. Les plus utilisés ont une section transversale en forme d’I d’où leur appellation IPN (I Profil Normalisé). Ces IPN se désignent par la hauteur de la section transversale (ex.. IPN 100) exprimée en mm. Le calcul des dimensions à donner aux pièces se réduit à un choix dans une série de dimensions normalisées. Les catalogues des aciers (OTUA = Office Technique pour l’Utilisation des aciers) et les aides mémoires d’ingénieurs donnent des indications sur les charges qui peuvent être supportées en fonction de l’écartement des appuis. Les autres profilés également normalisés portent en général le nom que représente leur section : Fer en U, en L, T, fers plats. Ils sont plus particulièrement utilisés pour la fabrication des charpentes métalliques. Des profilés plus légers en tôle pliés existent pour la fabrication des menuiseries en métalliques (portes et fenêtres) ou pour la serrurerie. Tous les profilés demandent à être protégés contre l’humidité pour parer à la formation et au développement de la rouille. On les achète au poids. VI.4.6. Les tubes Ils peuvent être ronds, carrés ou rectangulaires. Ils sont définis par leur Ø/section (en mm ou en pouces) Intérieur et extérieur. Ils sont dit tube noir à bout lisse ou tube galvanisé. Ils sont en général vendus en barre de 6ml


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On les utilise dans les exploitations agricoles pour les cloisons de séparation d’étables, porcheries, pour les clôtures de parc de vaccination ou d’aspersion , pour la construction de barrières et de portail d’herbage. VI.4.7.

Les grillages

Grillages simple torsion ; pour poulailler en rouleau de 25 à 50 m de long, 1,50 à 2,30 m de hauteur et avec maille de 50 mm. Grillage triple torsion (pour gabions) en 3 mm d’épaisseur. Grillage plastifié, Grillage moustiquaire. VI.5.

Normes

Les aciers font l'objet de nombreuses normes NF dans la série A ; en fonction de leurs utilisations comme composants du bâtiment ; nous ne citons ici que le principales normes concernant les aciers d'armature pour béton armé : NF A 35-015 : Ronds lisses.

NF A 35-016 : Barres et fil machine à haute adhérence.

NF A 35-018 : Aptitude au soudage.

NF A 35-019 : Fils à haute adhérence.

NF A 35-022 : Treillis soudés et éléments constitutifs.

NF A 35-054 : Fil machine en acier non allié destiné à la fabrication des fils pour précontrainte.

VI.6.

Compatibilité entre métaux et d’autres matériaux de construction


76

VI.7.

Valeurs caractéristiques des principaux métaux


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VII. LE BOIS VII.1. Avant propos

Considérons une essence quelconque de bois En % de la charge dont on sait qu’elle est en moyenne ce qu’il faut pour une rupture moyenne instantanée

Définition

Catégories

100 % 75 %

Bois de haute résistance, sain et scié à vives arêtes, nœuds φ ≤ 30 mm Bois de bon choix, sain et scié à vives arêtes, nœuds φ ≤ 40 mm Bois de qualité courante

I

50 %

II III

5 mm

10 ans

Temps log(t)

Masse volumique Pente du fil (t/m3) Chêne : 0,8 <7% Résineux : 0,5 Chêne : 0,75 < 12 % Résineux : 0,45 Chêne : 0,5 < 18 % Résineux : 0,4

Exemple de critères de classification par catégorie pour les bois d’Europe

Courbe de MADISON

La rupture du bois est donc à craindre pour une rupture différée. Raison pour laquelle les règles de l’art ne font travailler le bois qu’à 36 % de sa capacité. On distingue donc plusieurs contraintes admissible Contrainte de rupture (5 mm ⇔ à une résistance instantanée)

Contraint

Coefficient de sécurité de 2,75


e de base (bois parfait, en tenant compte de la rupture

Limite élastique conventionnelle Pour les calculs sous charges à long terme (calcul du second genre) tous en tenant compte des défauts du bois (catégories)

Contrainte admissible (bois classé en catégories)

Coefficient de sécurité variable selon les sollicitations

Coefficient de majoration des contrainte admissible Entre 1,5 et 2,25

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VII.2. Les contraintes admissibles et propriétés physiques des bois d’Afrique : Contraintes limites

Suite au travaux de recherche sur les différents domaines (ressources en bois, mode de traitement, classification des essences), il est possible de dresser un tableau récapitulatif des principales essences dont l’utilisation peut être recommandée pour divers usages de construction bois. Il faut préciser que cette liste n’est pas exhaustive et peut être complétée lors de l’acquisition de nouvelles données. Par ailleurs, il est important de préciser que le tableau ci-après est donc une adaptation du règlement CB 71 au contexte Africain (essence de bois propre au continent, difficulté à créer des classes de résistance, …). Caractéristiques mécaniques retenues pour les différentes catégories de bois AFRICAIN (Applicables pour des calculs de sollicitation du premier genre) Propriétés physiques BOIS ROUGE BOIS BLANC PERCHES Masse volumique à 12 % d’humidité (Kg/m3)

750

400

750

Module de déformation longitudinale Ec (bar)

105 000

58 000

110 000

Module de cisaillement EG (bar)

4 100

3 900

6 500

Coefficient de Poisson ν ou encore E l (bar)

7 700

6 300

6 300

Coefficient de dilatation thermique (ml/°C)

5.10-6

5.10-6

5.10-6

0,1

0,1

0,1

Coefficient d’amortissement

Contraintes admissible (bar) BOIS ROUGE BOIS BLANC PERCHES Compression axiale Traction axiale

σ'

σ

Flexion statique

σf

Cisaillement longitudinal

τ

Traction transversale sans cisaillement Compression transversale

σt '

σt

100

48

120

60

40

90

100

90

250

11

7

19

5

3

7

30

20

20

Essences recommandées BOIS ROUGE BOIS BLANC PERCHES Doussié Eucalyptus Samba Iroko Sapelli Caïlcédrat Bété Katibé Vène

Teck

Récapitulatif des caractéristiques mécaniques pour les différentes catégories de bois en Afrique (d’après J. SOULAT et P. LEGRAND et M. CALLAUD)


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A noter : Les valeurs indiquées ci-dessus se réfèrent à des bois dont l’humidité est égale à 15 % . Il est bon de savoir que la siccité du bois agit énormément sur les contraintes avec, par exemple, pour des bois à 30 % un coefficient de diminution de résistance : • 0,4 pour la compression, le cisaillement et la traction transversale,

• 0,7 pour la traction axiale et la flexion, , à appliquer sur les contraintes admissibles.

VII.3. Structure du bois

Le bois est un tissu fibreux composé de cellules allongées de cellulose, imprégnées de lignine, qui assure leur cohésion, et de diverses substances dont les proportions donnent aux bois leurs caractères spécifiques. La coupe transversale du bois met en évidence des zones distinctes qui sont, de l'extérieur vers le centre : L'écorce, ou suber, (GB : bark) enveloppe protectrice imperméable de tissus cellulaires plus ou moins élastiques ; la structure de l'écorce varie beaucoup selon les espèces et essences d'arbres. Ses tissus, morts à l'extérieur, composent le liège ; au-dessous, le liber est une couche de cellules vivantes ; le liber comporte de nombreux vaisseaux par lesquels circule la sève de l'arbre, par capillarité, L'aubier, (GB : sapwood) couche fibreuse plus ou moins épaisse de bois déjà ferme mais inachevé, dont la zone interne se transforme, chaque année, en un cerne de bois parfait ; sa couche externe est le cambium, qui génère les cellules d'aubier. L'aubier a une couleur souvent distincte de celle du bois ; il est plus tendre et, surtout, sujet aux attaques des champignons et des insectes xylophages: on doit donc l'éliminer des bois d'œuvre, Le duramen, (GB : heartwood) ou bois parfait, ou coeur, composé de cernes concentriques de cellules soudées et compactes, plus ou moins nettement différenciés en couches de bois de printemps, plus tendre, et de


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bois d'été, à grain plus serré et souvent plus coloré. Les cellules du bois parfait sont des cellules mortes, imprégnées de matières qui assurent leur conservation et leur cohésion, La moelle, (GB : pith) au centre du coeur, matière spongieuse qui disparaît avec l'âge, laissant un canal tubulaire vide cerné de bois très dur, auquel le langage courant donne, de façon erronée, le nom de coeur.

VII.4. Propriétés physiques.

Un bois est caractérisé par plusieurs facteurs physiques :

La dureté. C'est, en simplifiant, la résistance du bois à la pénétration des outils. L'expérience prouve que la dureté est d'autant plus élevée que les cernes annuels sont rapprochés et que la proportion de bois de printemps est faible ; la dureté des bois est à peu près proportionnelle au carré de leur densité.

La densité, qui peut aller de 0,1 (balsa) à 1,3 (gaïac des Antilles). Les bois usuels en charpente et en menuiserie ont des densités comprises entre 0,4 (peuplier, sapin blanc du Nord) et 0,8 (chêne),

Le retrait, ou rétractibilité : c'est la perte de volume qui affecte le bois lorsque sa teneur en eau diminue (inversement, il y a gonflement lorsque le bois absorbe de l'humidité). Le coefficient de rétractibilité est «la variation relative de volume, ou de l'une des dimensions fondamentales d'une pièce de bois, pour chaque variation de 1% de l'humidité» (définition AFNOR). Un bois qui présente un coefficient de rétractibilité élevé (plus de 0,35%) est dit nerveux : son séchage crée des tensions internes qui le cintrent, le tordent, le gauchissent et tendent à le fendre, suivant des axes radiaux (perpendiculaires aux cernes),

Son taux d'humidité : en milieu humide, le bois absorbe de l'eau ; inversement, il perd de l'eau en atmosphère sèche. Le coefficient d'humidité est la quantité d'eau que renferme un bois par rapport à la masse du même bois après dessiccation totale,

La norme NF B 50-003 stipule qu'un bois du commerce est : mi-sec, si son taux est compris entre 22% et l'humidité ambiante de saturation ; sec, entre 17 et 22% ; sec à l'air, entre 13 et 17% ; desséché, si le taux est inférieur à 13%,

D’autres caractéristiques sont parfois prises en compte, telles que la fissilité (aptitude à se détacher en feuillets), la dilatabilité (gonflement à la chaleur, en général très faible en regard du gonflement à l'humidité)

VII.5. Débits des bois

C'est la coupe longitudinale des billes de bois en éléments d'épaisseur ou de sections qui les rendent manipulables et utilisables soit tels quels, soit pour des transformations par usinage. On distingue le débit premier, consistant à scier les billes en plateaux, soit sur plots, soit sur dosses (ou sur cercles annuels), soit, pour des bois de qualité, sur quartier, sur faux-quartier ou sur maille; et le débit second, qui consiste à


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refendre les plateaux et débits premiers en pièces de sections rectangulaires admises par l'usage, les avivés, ou délignés, ou alignés parallèles.

Le débit premier

Les débits lamellaires

Les sections usuelles (en mm) des débits seconds des bois indigènes et tropicaux, avant corroyage, sont les suivantes (les bois du Nord ont des mesures distinctes, dérivées de mesures anglaises) : Madriers : 105x225 - 75x225 - 75x205

Bastaings : 65x185 - 65x165 - 55x155 Chevrons : 75x105,x75,x65 ou x55 ; 65x55 ; en chêne : 90x90 - 65x65 - 55x55 Demi-chevrons : 35x75 - 35x55


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Planches d'échafaudage : 40x225 ou 40x205

Planches lorraines : 35x305 - 26x305

Lambourdes (chêne) : 35x75 - 26x75

Planchettes, feuillets : 26x225 - 18x225 - 15x225 - 22x222

Frises : 22x155 - 18x155 - 15x155 - 26x105

Voliges : 26x105 - 18x105 - 12x105

Demi-voliges : 18x50 - 15x50

Lattes : 14x70 - 14x40 - 12x50 - 12x30

Tasseaux : 30x30 - 26x26

D'autre sections particulières sont destinées aux travaux de couverture : chanlattes, chevrons chanlattés (triangulaires), tasseaux de joints (trapézoïdaux). VII.6. Séchage des bois

Après leur débit, les bois doivent subir un séchage qui amène leur taux d'humidité au niveau voulu (V. plus haut) pour qu'ils soient commercialisables et utilisables. Le séchage est : Soit naturel, par exposition à l'air libre des bois empilés de telle sorte que l'air puisse circuler entre les pièces ou plateaux. Ce séchage a l'inconvénient d'être très long (de l'ordre de six mois à un an par cm d'épaisseur, selon les bois), Soit artificiel, pour accélérer le processus ; les principaux procédés sont : - L'étuvage en vastes caissons à circuit de vapeur basse pression, durant 3 à 8 jours, - La ventilation par la circulation d'air chaud, dans un local fermé spécial, ou séchoir ; une variante est le séchage à l'ozone, dans lequel les courants d'air sont chargés d'ozone, qui a pour effet de détruire les micro-organismes. VII.7. Défauts et altérations des bois.

Défauts, accidents et vices de croissance : Blessures plus ou moins cicatrisées,

Cadranure, coeur étoilé, gerçures, gélivures, lunure (ou gélure, ou double aubier), roulures (décollements entre cernes annuels), etc.

Défauts de structure et d'aspect : Coeur excentré, excroissances (loupes, broussins), contrefils, rebours ou fil tors, fibres ondulées, etc.

Présence de noeuds sains, vivants (dits adhérents), dont le seul inconvénient est d'ordre esthétique ; ou au contraire noeuds morts ou vicieux, à éliminer et à reboucher (bouchonnage).


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Colorations anormales : bleuissement des pins, coeur foncé du sapin, coeur rouge du hêtre, etc. Défauts dûs à un séchage trop rapide ou inégal : ce sont les collapses, gerces et fentes ; ainsi que les gauchissements et vrillages. Destruction par des micro-organismes cryptogamiques: ce sont les échauffures, les pourritures et la mérule. Attaque par des insectes ou par leurs larves xylophages (Voir illustration et description à ce mot ci-après).


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Insecte Xylophage : Le Capricorne des Maisons

Insecte Xylophage : Lyctus ou Lycte


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Insecte Xylophage :Vrillette

Insecte Xylophage :Termite

Insecte Xylophage :Sirex ou guêpe du bois et variantes Matériaux de construction

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Moisissures et champignons

VII.8. La protection des bois

La protection des bois désigne l'ensemble des traitements et techniques mis en oeuvre pour préserver les bois des dégradations par l'humidité, par les champignons et par les insectes xylophages ; elle consiste soit en injections, soit en applications superficielles de produits fluides fongicides et/ou insecticides. La protection des bois (GB : (wood) preservation) et les produits de traitement font l'objet de normes, dont : NF B 50-100 à 50-102 (risques et traitement des ouvrages) ;

NF T 72-050 à 72-086 (produits de préservation) ;

NF X 40-002 (Vocabulaire) ;

NF X 40-100 à NF X 40-102 (Évaluation, identification et étiquetage des produits) ;

NF X 40-500 (Préservation des bois dans la construction) ; NF X 40-501 (Protection contre les termites) ;

NF X 41-522 à 41-580 (essais d'efficacité).


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Poly ETSHER Matériaux de Construction CALLAUD 2003

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