Dr Emmanuelle Boehm-Courjault Dr Amor Guidoum Laboratoire de Matériaux de Construction

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1 Dr Emmanuelle Boehm-Courjault Dr Amor Guidoum Laboratoire de Matériaux de Construction

2 Définition Argiles et constructions en terre Plâtre Chaux Chaux hydraulique Ciment prompt 2

3 Liant : produit utilisé pour lier ou agglomérer entre eux d autres matériaux 2 types : Liants minéraux Liants organiques : très peu utilisés (béton organique, avec polymère comme liant, par ex.) Liants minéraux : Aériens Hydrauliques 3

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5 Aériens Argile (avant cuisson) = terre crue Plâtre Différentes chaux : chaux (éteinte), chaux aérienne, chaux vive Hydrauliques Chaux hydraulique Ciment prompt (appelé aussi ciment romain) 5

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7 Tous les liants sont utilisés en mélange avec de l eau. Liant aérien Liant hydraulique Ne résiste pas à l eau. Ne durcit pas sous l eau. Doit donc être protégé de l eau (donc à ne pas utiliser en extérieur). Durcit aussi sous l eau. 7

8 Argiles = silicates d alumine complexes hydratés (x SiO 2, y Al 2 O 3,, n H 2 O). Définies par leur taille, leur forme (plasticité) et leur charge (stabilité des suspensions, propriétés électrocinétiques). Taille des poudres : < 2 µm = argiles < 0.2 µm = argiles colloïdales 8

9 Structures : - d un feuillet siliceux (SiO 2 ) a) Tétraèdre de silice b) Maille plane de tétraèdres (en perspective) c) Réseau plan de tétraèdres (vue de dessus) - d un feuillet alumineux (Al(OH) 3 : gibbsite) a) Octaèdre de gibbsite b) Maille plane d octaèdres (en perspective) c) Réseau plan d octaèdres (vue de dessus) 9

10 Kaolinite (1:1) (ex : porcelaine) Non gonflant S = 15 m 2 /g l/d = 10/1 Mica (illite) (2:1) Non gonflant S = 80 m 2 /g La meilleure pour les terres cuites 10

11 Montmorillonite (2:1) Gonflant Capacité d échange S = 800 m 2 /g Substitution de Al 3+ par Mg 2+ et Fe 2+ Chlorite ou vermiculite (2:1) Substitution de Si 4+ par Al 3+ Haute capacité d échange S = 80 m 2 /g Capacité d adsorption limitée 11

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13 = propriété importante (taille, forme, charge) H 2 O nécessaire pour la cohésion: si [H 2 O], [H 2 O libre] et d plaquettes argile Les grains se lient grâce à l eau (capillarité). 13

14 Loi de Laplace p = γ 1 R R 2 avec p différence de pression γ tension superficielle R 1,R 2 rayons de courbure dans 2 plans orthogonaux La cohésion de l argile sèche est due aux forces capillaires qui prennent naissance lorsqu apparaissent des ménisques dans un matériau à structure capillaire. 14

15 Béton de ciment = ciment + sable + gravier + eau Béton de terre = argile + limon + sable + eau Argile mauvaise tenue à l eau Pourquoi utiliser l argile? Faible coût énergétique Tiers-monde Main d œuvre Variété de formes stabilisation nécessaire (ajout d un peu de ciment, de fibres ) Propriétés thermiques Résistance au feu Incorporation des déchets Autoconstruction 15

16 Mécanique : compactage diminution de la porosité «Armature» (ex. : fibres végétales) diminution de la fissuration Hydrofugation : diminution de la mouillabilité l accès de l eau par capillarité est empêchée Physico-chimique : formation de nouvelles liaisons (mélange avec d autres liants) liants organiques (bitumes) ou minéraux (chaux, ciment) 16

17 Pisé (Terre crue mise en œuvre dans des coffrages, traditionnellement appelés banches) Adobe (brique séchée au soleil) Bauge (édification de mur massif, souvent porteur, avec un mélange de terre, d eau et de fibres végétales voire animales mis en œuvre par empilement de motte à l état plastique, généralement sans l aide de coffrage) Torchis (fibres+ argiles) Blocs compressés 17

18 Mur en torchis au chantier médiéval de Guédelon (Yonne, France) Mur en torchis d une maison à colombages (Alsace, France) Vestige d'une ferme picarde, montrant la mise en œuvre du torchis. 18

19 Fabrication et séchage des briques en adobe Mur en adobe Maison en adobe (Sanaa, Yémen) 19

20 Bauge Mur en pisé (Cornouailles, Angleterre) Banchage (coffrage) 20

21 Cuisson du gypse à basse température S utilise à l état pur (pas de mélange) 21

22 Extraction du gypse : à l aide d explosifs quand il s agit de gisements à ciel ouvert (carrières) 22

23 Concassage : réduction de la taille de grains Criblage ou tamisage : on élimine tous les grains de taille supérieure à 40 mm. Stockage et homogénéisation Cuisson entre 130 et 180 C CaSO 4 2 H 2 O CaSO H 2O H 2O semi-hydrate Roche beaucoup plus réactive (environ 5x plus) Mélange 23

24 100 kg de plâtre pour 70 kg d ajouts! Amidon améliorer l adhésion entre le plâtre et le carton Adjuvants Retardateurs modifier le temps de prise 24

25 Phénomènes en jeu : A court terme : capillarité A long terme : recristallisation Mise en œuvre : Délai de coulage : 8 minutes. Quand on plante un clou, le clou reste. Délai de lissage : 15 minutes. On ne peut pas planter un clou dans plus de 1 cm de profondeur. Utilisation de retardateurs (sulfate et phosphate de soude, caséine, sucre, alcool) pour gâcher le plâtre avec moins d eau produits plus résistants et moins poreux Ou d accélérateurs (alun, sulfates d alumine ou de potasse) pour plâtres à haute température de cuisson 25

26 Dépend du rapport (comme pour le ciment) : = eau plâtre = E P On met plus d eau que nécessaire. Le plâtre est sensible à l eau. Gâché correctement et conservé à 28 jours, une résistance maximale à la compression de 10MPa et à la traction de 2MPa peut être atteinte. Imbibé d eau ces valeurs baissent à 3 et 0.6 MPa. Pas fait pour supporter les efforts (utilisé pour cloisons par ex.) 26

27 Densité : 600 à 3000 kg/m 3 Surface spécifique : 1500 à 8000 kg/m 2 27

28 Cristaux plus petits plus de pores moins résistant Pression cristaux plus gros Utilisations spécifiques comme les sculptures par exemple 28

29 En Suisse Plâtrier : 2/3 semi-hydrate + 1/3 d anhydrite à prise lente compromis entre résistance et prix Bâtiment : matériau de finition des parois intérieures et des plafonds. Montage des cloisons en briques de terre cuite (parois minces non poreuses). Plaques de plâtre («Placoplatre») : 2 plaques de carton qui prennent du plâtre en sandwich. Protection contre le feu : entrave la propagation du feu (6 cm), résistant au feu (8 à 10 cm). 29

30 Carreaux de plâtre A ne pas utiliser pour des murs portants. Attention à l humidité. Chape liquide à l anhydrite Anhydrite + sable 0-3 mm + adjuvants et fluidifiants Pose sans joints de dilatation Surface lisse et horizontale destinée à recevoir tous les revêtements de sol usuels. Fermacell Plaques de plâtre renforcées avec des fibres de cellulose. Incombustibles, elles offrent une haute résistance au feu. Propriété hydrofuge utilisation en local humide possible cloisons, doublages, planchers, plafonds. 30

31 On emploie le calcaire le plus pur possible C Calcination : CaCO 3 CaO + CO 2 chaux vive Extinction : CaO + H 2 O Ca(OH) 2 + chaleur L emploi de chaux non éteinte dans la construction est dangereuse. chaux éteinte ou portlandite On distingue 3 types de chaux : chaux vive (en morceaux, réactive), chaux hydratée ou éteinte (poudre), chaux en pâte (CaO + nh 2 O, excès d eau) 31

32 (avec quantité d eau juste nécessaire = stœchiométrique) 32

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34 Plusieurs mécanismes : Durcissement physique dû au séchage (capillarité) Durcissement dû à la cristallisation Durcissement dû à la carbonatation Ca(OH) 2 + CO 2 + n H 2 O CaCO 3 + (n+1) H 2 O 34

35 Mortier bâtard : 3 à 5 volumes de sable pour un volume de chaux hydratée en pâte comp : 0.5 à 1 MPa après 28 jours 5 à 7 MPa après des années (après carbonatation, reformation du gypse de départ) 35

36 L appellation standard est Calcium Lime (CL) suivi d un chiffre indiquant la proportion de carbonate de calcium (ex : CL90 est la chaux aérienne la plus pure). Principalement utilisée pour : finitions intérieures et peintures, mortiers de maçonnerie peu sollicitée, crépis, enduits, badigeons, stabilisations des sols, briques silico-calcaires 36

37 Stabilisations des sols 2 à 4% de la masse de chaux vive ou éteinte Court terme : Chaux vive + sol = réduction de la teneur en eau + dégagement de chaleur Long terme : Réactions pozzolaniques entre chaux et argile (formation de C-S-H) Briques silico-calcaires (très stables et peu chères) Chaux + granulats siliceux dans un autoclave saturé de vapeur d eau à une pression de 8 à 16 atm et une température supérieure à 170 C SiO 2 + Ca(OH) 2 C-S-H stable 37

38 Calcaire marneux (6 à 20% d argile) ou composés calcaire + argile finement moulus 900 à 1200 C CaO + hydrauliques (C 2 S, F, A) (pas C 3 S car se forme à 1300 C) = «ciment de mauvaise qualité» (C 3 S est responsable de la résistance et très réactif car grains fins) résistance acceptable mais peu élevée. Attention : il faut éteindre la chaux vive (vapeur d eau dans les tambours rotatifs de broyage) 38

39 Composant aérien : comme la chaux Composants hydrauliques : comme le ciment Durcit sous l eau. Appellation standard : Natural Hydraulic Lime (NHL). Classée en fonction de la résistance mécanique (NHL2 résiste à une compression de 20 bars tandis que NHL5 résiste à 50 bars). 39

40 Utilisée pour : - Soubassements - Enduits extérieurs (prise plus rapide et moins grande sensibilité aux conditions climatiques). Un fixatif peut être ajouté lors de la préparation du badigeon : alun de potasse, latex, caséine - Dalles, chapes (en mélange avec chanvre pour augmenter les performances thermiques), pose de carrelage - Maçonnerie peu sollicitée (crépis, enduits). Pour avoir des résistances plus élevées : mortier bâtard = chaux hydraulique + ciment Meilleure plasticité et mise en place par rapport au mortier de ciment. 40

41 Ciment prompt ou ciment romain : obtenu par cuisson de marnes (mélange naturel de calcaire et d argile) vers C. Teneur en alumine particulièrement élevée. Composé principal : aluminate tricalcique 3CaO Al 2 O 3 (C 3 A). Prise très rapide (qq s à qq min). On ajoute jusqu à 5% de gypse pour régulariser la prise à qq min. Résistance pas très élevée. Contient toujours une quantité non négligeable de chaux vive (stockage après broyage dans des silos à l air libre pour en permettre l extinction). A souvent une couleur brun rougeâtre ou gris jaunâtre à cause de la présence d oxyde de fer. 41

42 Chaque fois que l on a besoin d un liant à prise rapide sans qu il soit nécessaire d avoir de hautes résistances. Exemples : travaux d étanchements ou de scellement. S emploie à l état pur. 42