COURS SUR LES CONSTRUCTION. B. Hamdi ENSSMAL

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1 COURS SUR LES MATERIAUX DE CONSTRUCTION B. Hamdi ENSSMAL

2 Classification des matériaux de construction En sciences des matériaux, il est possible de classer les matériaux de base en trois catégories: 1. Les métaux 2. Les polymères 3. Les céramiques

3 Les caractéristiques des matériaux Classement des propriétés des matériaux en 6 catégories (en fonction des agents auxquels ils sont exposés) : Mécaniques Thermiques Optiques Electriques Magnétiques Chimiques Bases de données sous forme numérique : mécaniques, thermiques, électriques

4 Classification des matériaux Nature des liaisons Trois grandes classes de matériaux solides :métaux, céramiques, polymères Matériaux naturels Matériaux composites

5 Matériaux Matériaux de Protection Matériaux de construction

6 Matériaux de construction Pierres Terres cuites Bois Béton Métaux, etc Les matériaux de construction sont les matériaux qui ont la propriété de résister contre des forces importantes:

7 Critères des matériaux de construction. 1 La résistance mécanique et la stabilité, 2 La sécurité en cas d incendie, 3 L hygiène, la santé et l environnement, 4 La sécurité d utilisation, 5 La protection contre le bruit, 6 L économie d énergie et l isolation thermique.

8 Matériaux de Protection Enduits Peintures Bitumes, etc Les matériaux de protection sont les matériaux qui ont la propriété d'enrober et protéger les matériaux de construction principaux:

9 Propriétés des matériaux de construction 1. Propriétés physiques 2. Propriétés mécaniques 3. Propriétés chimiques: 4. Propriétés physico-chimiques 5. Propriétés thermiques

10 Propriétés physiques 1. la dimension 2. la densité 3. la masse volumique de différentes conditions 4. la porosité 5. l'humidité

11 Propriétés mécaniques Résistance compression Traction torsion

12 Propriétés chimiques Acidité Basicité Oxydo-réduction Alcanité

13 Propriétés physico-chimiques L'absorption, L'absorption, L adsorption La perméabilité, Le retrait Le gonflement

14 Propriétés thermiques La dilatation La dilatation La résistance et comportement La résistance au feu Chaleur spécifique Coefficient d expansion thermique

15 Les matériaux de construction doivent: 1. posséder certaines propriétés techniques 1. posséder certaines propriétés techniques 2. pouvoir facilement être travaillés 3. être économiques.

16 Autres propriétés : p Qualitatives Résistance aux agressions chimiques Inflammabilité, résistance aux UV Booléennes Procédés de mise en œuvre Procédés d assemblage Formes disponibles

17 Caractéristique Module d Young Limite d élasticité, résistance Déformation à la rupture Limite d endurance Ténacité Dureté (Vickers) Chaleur spécifique Conductivité thermique Coefficient de dilatation thermique Résistivité Qualité Rigidité, capacité d un matériau à s opposer à une déformation Résistance aux efforts Ductilité (capacité à se déformer avant de rompre) Résistance à la fatigue (sollicitations mécaniques cycliques alternées) Résistance à la propagation de fissure Résistance à l'enfoncement d'un pénétrateur Quantité de chaleur pour élever la température d un kilo de matériau d'un degré Aptitude d'un matériau conducteur à transmettre de la chaleur Dilatation du matériau lorsqu'on le chauffe Indique dans quelle mesure un matériau est résistant au passage d'un courant électrique

18 Les modules d'élasticité Pentes des courbes contrainte déformation module d'young E : comportement en traction et compression module de Coulomb G : comportement en cisaillement coefficient de Poisson ν : opposé du rapport des déformations transversale et longitudinale σ τ F E G γ ε Rque : matériaux homogènes isotropes G = E 2(1 + ν)

19 Dureté Mesurée en appuyant une bille ou un cône d'un matériau très dur (diamant, acier trempé) sur la surface du matériau Limite d'endurance Sollicitation répétée pouvant entraîner l'apparition d'une fissure puis la rupture Amplitude de contrainte maximale pour laquelle la rupture ne se produit pas Ténacité Mesurée en chargeant une éprouvette en présence d'une fissure Deux grandeurs : énergie de rupture G 1C et ténacité K 1C

20 Coefficient de dilatation thermique Caractérise la dilatation d'un matériau lors d'une variation de température Un seul coefficient pour les matériaux isotropes Températures caractéristiques Température de transition vitreuse : transition entre le solide et le liquide visqueux pour les matériaux non cristallins Température de fusion, température de service maximale Conductivité thermique Vitesse à laquelle la chaleur de propage en régime permanent à travers un solide

21 Classification des matériaux Nature des liaisons Trois grandes classes de matériaux solides :métaux, céramiques, polymères Matériaux naturels Matériaux composites

22 Aciers Aluminium or Métaux et alliages bronze fontes... Verres bétons Céramiques, verres céramiques techniques (alumine, diamant,.. Porcelaine Matrice céramique Matériaux Composites Matrice métallique matrice polymère Elastomères (caoutchouc, silicones.. Polymères, Thermoplastiques (polystyrene,polyéthylène,pvc Thermodurcissables (résines) Mousses (polystyrène expansé) Bois soie Matériaux Naturels coton, cuir papier

23 Les métaux et alliages Exemples : aciers, aluminium,. Métaux purs ou alliages Type de liaison : métallique (assurée par électrons délocalisés) Propriétés spécifiques : - conduction de chaleur et électricité - températures de fusion et de vaporisation en général élevées - propriétés élastiques élevées - possibilité d augmenter la résistance (durcissement structural) - denses, sensibles à la corrosion et à la fatigue

24 Les céramiques Exemples : verres, béton, alumine, diamant, carbures, roches, briques, porcelaines Elements métalliques et non métalliques (carbures, nitrures ) Type de liaison : ionique ou covalente (très énergétiques) Propriétés spécifiques : - tenue en température - excellentes propriétés élastiques - fragiles, peu ductiles, peu tenaces - résistants à l usure et à la corrosion - prix élevé pour les céramiques techniques

25 Les polymères Macromolécules à squelette covalent exemple : (CH 2 -CH 2 ) n Type de liaison : Van der Waals (liaison faible) Propriétés spécifiques : - deux températures spécifiques : transition vitreuse et dégradation - faibles propriétés élastiques - résistants à l usure et à la corrosion Catégories : thermoplastiques, thermodurcissables, élastomères

26 Les matériaux composites Association d éléments de deux classes de matériaux pour obtenir une combinaison avantageuse de propriétés Facteurs influençant les propriétés : - nature des constituants - proportions de chacun - architecture du renfort (fibres courtes, longues, orientation ) Les matériaux naturels Deux catégories : origine végétale ou animale Exemples : bois, papier, carton, liège, fibres naturelles, cuir, laine

27 Approche hiérarchique Royaume Famille Classes Attributs Matériaux Céramiques Polymères Métaux Naturels Composites Aciers Alliages Cu Alliages Al Alliages Ti Alliages Ni Alliages Zn Masse volumique Prop Mecaniques Prop Thermiques. Prop Electriques.. Résistances Corrosion.. Fiche d un matériau

28 Approche comparative des matériaux 11 ère ère étape :: comparaison qualitative Métaux Céramiques Polymères Composites Densité Moyenne / élevée Moyenne Faible / très faible Moyenne / faible Prix Faible / élevé Elevé (techniques) Faible / élevé Elevé Faible (grde diffusion) Module d Elasticité Elevé Très élevé Moyen / faible Elevé Résistance Mécanique Elevée Très élevée Moyenne / faible Elevée (compression) Tolérance aux défauts et aux chocs Température d utilisation Tenue aux agressions chimiques Très tenace Très fragile Peu tenaces mais grande énergie absorbée Moyenne / hautes Hautes / très hautes Moyennes / faibles Très tenace Moyennes Moyenne / mauvaise Bonne / très bonne Moyenne Moyenne Conduction de la chaleur Bonne / très bonne Moyenne / faible Faible / très faible Faible Conduction de l électricité Bonne / très bonne Faible / très faible Facilité de mise en forme Facile Difficile (technique) Très facile Moyenne dépendant Facile (grde diffusion) de la forme Facilité d assemblage Facile Moyenne Facile difficile

29 Caractéristiques intrinsèques (quantitatives) grandeur physique objective et mesurable Générales, Mécanique, Thermique, Electrique prix,fraction recyclable,masse volumique. module de Young, coeff de poisson,dureté, limite d élasticité conductivité thermique, coeff de dilatation, température de fusion, temp maxi d utilisation,.. résistivité,constante diélectrique... Caractéristiques interactives (qualitatives) grandeur mesurant le comportement du matériau avec un autre matériau ou un environnement résistance à l eau douce, à l eau de mer, aux acide forts inflammabilité, résistance aux UV, résistance à l usure... Caractéristiques attribuées (booléennes) perception du matériau dans un contexte socio-économique les formes disponibles, les procédés d assemblage, les procédés de traitements de surface.

30 La science des matériaux s efforce de relier les propriétés macroscopiques des matériaux à leur structure microscopique La technologie des matériaux s occupe des domaines d application de la science des matériaux à l art de construire : choix des matériaux, détermination de leurs caractéristiques, connaissance de leurs propriétés, techniques de mise en oeuvre, méthodes d essais, développement de nouveaux matériaux ou systèmes de matériaux).

31 Propriétés liées à l eau Humidité Perméabilité Degré d'absorption d eau Variation de dimension en fonction de la teneur en eau

32 Résistance à l environnement Inflammabilité, solvants organiques, acides, bases, UV Corrosion