PROPRIETES DES MATERIAUX DE CONSTRUCTION

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1 Chapitre 2 PROPRIETES DES MATERIAUX DE CONSTRUCTION 1. Propriétés des matériaux de construction Pour pouvoir utiliser judicieusement les matériaux de construction il est indispensable de connaitre leurs propriétés. Les propriétés principales des matériaux peuvent être scindées comme suit : Propriétés physiques : la dimension; la densité; la masse volumique, la porosité, la couleur, etc.., Propriétés mécaniques: la résistance en compression, en traction, en torsion etc.. Propriétés chimiques : PH ; l alcalinité, teneur en sulfate ; teneur en chlorure ; teneur en matière organique etc.. Propriétés physico-chimiques : l'absorption, la perméabilité, le retrait et le gonflement etc.. Propriétés thermiques : la dilatation, la conductivité thermique, la résistance et comportement au feu, etc.. Propriétés acoustiques : absorption acoustique, affaiblissement acoustique, etc Etc Les propriétés thermiques et acoustiques sont considérées aussi comme propriétés physiques. Dans ce cours, seules les principales propriétés d usage courant seront présentées. 2. Les propriétés physiques : Les propriétés physiques sont les propriétés intrinsèques du matériau. Un matériau est constitué d une, deux ou de trois phases de la matière. On peut trouver du solide, du liquide ou du gaz ou une combinaison des trois matières. Les matériaux courant de génie civil sont en majorité solides. Des vides peuvent exister et sont remplis soit d un liquide (eau en général) ou d un gaz (air en général). Ma En masse Gaz (air ou autre) a Wa En poids Gaz (air ou autre) a Mw Liquide (eau ou autre) w Ww Liquide (eau ou autre) w M W Ms Solide c Ws Solide c La masse ou le poids du gaz est négligeable (Mg =Wg = 0) devant celui du liquide ou du solide. 2.1 : les masses et les poids volumiques : La masse volumique d un matériau est la masse de l unité de volume de ce matériau. On distingue:

2 - La masse volumique absolue pour un corps solide, notée s (exprimée en g/cm 3 ou kg/dm 3 ou t/m 3 ), est la masse de l unité de volume de la matière qui constitue le matériau sans tenir compte du volume des vides. M s s - La masse volumique apparente, notée, est la masse de l unité de volume constitué par la matière et les vides qu elle contient. M Le tableau suivant donne un aperçu des masses volumiques des matériaux usuels du Génie Civil. Tableau 1 : masses volumiques de certains matériaux Matériau Masse volumique absolue s (kg/m 3 ) Masse volumique apparente (kg/m 3 ) Acier Aluminum Cuivre onte Grès Caoutchouc Marbre, granit Calcaire 2500 à 2700 Gravier 1400 à 1700 Ciment 2900 à à 1100 Sable 2600 à à 1900 PC Tuile cuite 2300 erre Remarque : si s >, cela indique une présence de vides dans le matériau. De la même façon, on définit les poids volumiques : W s - le poids volumique absolu : s (kn/m 3 ) - le poids volumique apparent : W (kn/m 3 ) La densité d une substance est le rapport de la masse volumique de la substance à celle de référence. Pour les liquides et les solides, l eau est prise comme référence. Pour les gaz, l air est pris comme référence. 2.2 Porosité Compacité : La porosité est le rapport du volume vide au volume total. On peut aussi définir la porosité n comme le volume de vide par unité de volume apparent.

3 v n La compacité c est le rapport du volume des pleins au volume total. c La porosité et la compacité sont liées par relation: n+c=1 (ou 100%) Pour un matériau sec, on peut déterminer la compacité ou la porosité à partir des masses volumiques. Ms Ms c. n 1 M M s s s s 2.3 Propriétés thermiques : s Plusieurs propriétés thermiques des matériaux de construction doivent être connues pour orienter le choix de leurs utilisations. Les matériaux ont plusieurs propriétés thermiques tel que : la conductivité thermique, la capacité thermique, la résistance thermique, la dilatation thermique, La conductivité thermique est la capacité d un matériau de laisser passer la chaleur à travers son épaisseur. Elle est appréciée par le coefficient de conductivité thermique qui est égal à la quantité de chaleur traversant un échantillon de matériau de 1 m d épaisseur et de 1 m 2 de surface, pendant une heure, avec une différence de température entre les deux faces de 1 0 C. Elle s exprime en W/m. 0 C. Elle caractérise le transfert de chaleur à travers un matériau. Dans les métaux, les électrons libres sont responsables de la transmission de la chaleur. Dans les matériaux non métalliques, il n y a pas d électrons libres, la vibration élastique des atomes est responsable de la conduction. Les matériaux non métalliques sont moins conducteurs que les matériaux métalliques. Le tableau 2 donne des exemples de valeurs de. Tableau 2 : Conductivité thermique de certains matériaux Matériaux Composition Masse volumique Conductivité kg/m 3 thermique (W/m. C) Air sec Béton traditionnel Béton plein 2200 à Béton caverneux 1700 à Béton léger Béton à l argile expansée 1000 à à 0.52 Béton cellulaire 400 à à 0.33 Bois Bois feuillus (chêne, hêtre, frêne) 800 à Panneaux de particules Pressées à plat 600 à Eau Laine de verre 30 à Laine de roche 30 à Liège Comprimé Expansé dur 100 à Polystyrène expansé Classe I 9 à Classe II 13 à Acier Cuivre Zinc Pierres calcaires Pierre dures Pierres fermes Pierres tendres 2350 à à à

4 Asphalte Pur La dilatation thermique : Le coefficient de dilatation thermique peut être définit comme le taux de la variation de longueur avec la température, pour l unité de longueur. 1. l dl dt (m/m. C) Le tableau 3 donne des exemples de valeurs de. Tableau 3 : Dilatation thermique de certains matériaux Matériaux Dilatation thermique (m/m. C) Acier - onte 11, Aluminium 23, Béton Caoutchouc variable Cuivre 16, Enduit monocouche Mortier de ciment à Laine minérale Liège 0 Pierre naturelle à Plâtre Terre cuite Autres propriétés physiques : Il existe plusieurs autres propriétés physiques des matériaux tel que : Les propriétés acoustiques : la résistance acoustique, l absorption acoustique, Les propriétés thermiques : la capacité thermique, la fatigue thermique, Les propriétés électriques : la résistance électrique, la conductibilité électrique, Les propriétés magnétiques La couleur 3. Les propriétés mécaniques : Le comportement mécanique peut être considéré comme la caractéristique essentielle de la majorité des matériaux du Génie Civil. Ces matériaux sont soumis à des efforts de traction, compression, cisaillement, torsion, fatigue,. Tout ensemble de forces extérieures sur un corps engendre des contraintes (normales ou cisaillement ), qui provoquent des déformations. Toute contrainte provoque la déformation puis la rupture du corps. Les lois de la mécanique des milieux continus donnent les différentes relations entre la contrainte et la déformation. 3.1 : Déformation élastique Déformation plastique Lorsque l on effectue un essai de mise en charge et si, après décharge le corps reprend les mêmes formes qu il avait avant l essai et qu il ne reste aucune déformation résiduelle, on dit que le corps a un comportement parfaitement élastique (ig 2). De nombreux corps soumis à des charges peu élevées ont un comportement presque élastique et la déformation est approximativement proportionnelle à la igure 2 : déformation élastique

5 contrainte. Si l on reporte les mesures sur un diagramme contrainte (σ) et déformation (ε), on obtient une ligne droite. Ce type de déformation est appelé élasticité linéaire. La déformation est dite plastique, si après décharge le corps ne reprend pas les mêmes formes qu il avait avant l essai, il reste quelques déformations (fig 3). Cette déformation est appelée aussi déformation résiduelle. 3.2 : Résistance à la traction La résistance à la traction d un matériau est définie comme étant la résistance maximale atteinte par le matériau durant un essai de traction selon un processus d essai normalisé. Si l échantillon a une section S et la force maximale supportée par le matériau avant rupture étant, alors la résistance à la traction est : t (en MPa) S igure 3 : déformation plastique L essai se réalise sur des éprouvettes de différentes formes suivant la nature du matériau (fig. 4). Attention, formule spécifique igure 4 : différentes éprouvettes pour l essai de traction La représentation du résultat de l essai se fait sur une courbe (, ) ou ( l, ). Trois comportements sont possibles pour un matériau. Comportement fragile : Le matériau ne présente pas de comportement plastique. La rupture se produit dans la zone de déformation élastique. Le verre, le béton, la céramique, la fonte.. sont des matériaux fragiles. Comportement ductile : une déformation plastique permanente suit la déformation élastique. La majorité des métaux présentent ce type de comportement Comportement élastique non linéaire : la déformation élastique n est pas proportionnelle à la charge qui la provoque. Ce type de comportement caractérise certains polymères et élastomères.

6 3.3 : Résistance à la compression La résistance à la compression d un matériau est définie comme étant la résistance maximale atteinte par le matériau durant un essai de compression selon un processus d essai normalisé. Si l échantillon a une section S et la force maximale supportée par le matériau avant rupture étant, alors la résistance à la compression est : c (en MPa) S L essai consiste à soumettre une éprouvette de forme cylindrique à 2 forces axiales opposées. La forme de l éprouvette, son élancement, les forces de frottement matériau/plateau influent considérablement sur le résultat. L essai de compression ne permet pas d atteindre la rupture si le matériau est ductile. Cet essai est surtout utilisé pour les matériaux fragiles tel que le béton et la céramique. 3.4 : Résistance à la flexion La résistance à la flexion est définie comme étant la résistance maximale atteinte sur la face inférieure d une éprouvette, en général, prismatique de section (bxh) soumise à un essais de flexion trois points ou quatre points (fig. 5). l L L lexion trois points igure 5 : essais de flexion pour la flexion trois points : pour la flexion quatre points : 3.L 3.(L l) R f R 2 b.h² f 2 b.h² La résistance à la traction sur certains matériaux (comme le béton) est difficile à réaliser. On réalise l essai indirect de traction par flexion. Cet essai est réalisé généralement sur des éprouvettes prismatiques en mortier ou en béton. On le réalise aussi sur les bordures de trottoir, les carreaux en céramique, les carrelages, les dalles, 3.5 : Autres propriétés mécaniques lexion quatre points Il existe plusieurs autres propriétés mécaniques des matériaux tel que : La résistance au cisaillement : la contrainte de cisaillement est tangentielle à la section La fatigue : caractéristique d un matériau soumis à des charges cycliques. Risque de perte de résistance, perte de plasticité et augmentation de l incertitude sur les propriétés.

7 Le fluage : Lorsqu'un corps est soumis à l'action prolongée d'une force, la déformation instantanée apparaissant lors de la mise en charge est suivie d'une déformation différée lente, c est le fluage (fig. 6). La relaxation : Lorsqu un corps a subit une déformation déterminée, la diminution de la contrainte dans le temps est appelée relaxation (fig. 7). La dureté : c est la mesure de la résistance d un matériau à la pénétration. En Génie Civil, l échelle de Mohs est encore utilisée pour les minéraux. La ductilité t t t t igure 6 : luage igure 7 : Relaxation 4. Les propriétés hydriques : Ces propriétés caractérisent le comportement d un matériau envers les fluides. L eau est l ennemi numéro un du Génie Civil. Il faut choisir les matériaux les moins perméables, les moins capillaires, : la perméabilité : C est la propriété qu a un matériau de se laisser traverser par un fluide pour une surface donnée, dans un temps donné et à une pression et une température données. C est une propriété du système fluide milieu poreux. La température intervient par son influence sur la viscosité du liquide. La pression intervient par son action sur le volume des vides. La perméabilité d un matériau est définie par le coefficient k et s exprime en m/s (tableau 4). Tableau 4 : Quelques ordres de grandeur de la valeur de k (m/s) Perméabilité k en m/s Classification exemple de matériau 10-3 à 10-1 Perméable gravier 10-5 à 10-3 Sable 10-9 à 10-5 Semi-perméables Sable argileux - Limon à 10-9 Argile - calcaire Imperméables à Granit 4.2 : la capillarité : C est la faculté qu a un matériau d aspirer et d adsorber un liquide avec lequel il est en contact (effet de mèche). Dans un capillaire (de petit rayon), l eau peut monter jusqu à une hauteur qui est définie par la loi de Jurin : Où 2T cos h r. T : la tension superficielle ( N/cm pou l eau) w

8 r : le rayon du capillaire R : rayon du ménisque, r R cos w : pression hydrostatique de l eau Plus le rayon du capillaire est petit, plus la hauteur du liquide est élevée (fig. 8). T R h r 2r r = 1 mm : h = 1.6 cm r = 0.1 mm : h = 1 6 cm r = 10 µm : h = 16 m r = 0.1 µm : h = 160 m Eau igure 8 : phénomène de capillarité 4.3 : capacité d absorption d eau : C est la capacité qu a un matériau d absorber l eau dans lequel il est soumis en permanence. Cette capacité est liée à la porosité interne du matériau. 5. Les propriétés granulométriques : Les matériaux granulaires tel que le gravier ou le sable possèdent une granulométrie qui peut être définie par une courbe granulométrique : pourcentage de tamisât en fonction de la dimension des particules

9 UNITES DANS LE SYSTEME INTENATIONAL