Chapitre 1 INTRODUCTION SUR LES MATERIAUX DE CONSTRUCTION 1. Introduction générale Le concepteur, le constructeur et le chargé de la maintenance d un ouvrage doivent savoir parfaitement les propriétés physiques, mécaniques et hydriques des matériaux qui sont à leur disposition. Ceci permettrait de faire bon choix pour obtenir des constructions rigides, efficaces, économiques et durables. Comme l'illustre le schéma suivant (fig. 1), les intervenants en génie civil doivent connaître les matériaux quelque soit le domaine d activité. Intervenants pour un ouvrage de Génie Civil BUREAU D ETUDE ENTREPRISE ADMINISTRATION CLIENT ARCHITECTE BUREAU DE CONTROLE Etude de projet Exécution Maître d ouvrage Suivi du projet Pilotage Direction travaux Contrôle qualité Cahier des charges Contrôle de l exécution Contrôle technique Maîtrise d oeuvre Surveillance/maintenance Vérification-conformité Figure 1 : les intervenants et les matériaux de construction L ingénieur doit être capable Connaître les différents matériaux disponibles Déterminer les propriétés des matériaux Choisir des matériaux Contrôler la qualité des matériaux Interpréter des rapports d essais ou d expertise Connaître les techniques de mise en œuvre Prescrire les spécifications des matériaux Contrôler la durabilité des matériaux Diagnostiquer des sources de pathologie des matériaux Développer de nouveaux matériaux Améliorer certaines propriétés des matériaux Superviser et former le personnel de contrôle
2. Introduction sur les matériaux : Les matériaux de génie civil sont des solides utilisés non seulement pour construire des maisons, des ouvrages, ou encore aménager son environnement (équipement collectif, routes, ponts, aménagements urbains). Bien qu un grand nombre de matériaux soit connu depuis fort longtemps, leur étude a débuté très tard, car l homme a disposé rapidement d une grande variété de substances pour tous ses besoins courants, sans avoir à entreprendre de recherches approfondies. Ainsi il n a utilisé, au début, que la pierre, l argile, la chaux, le plâtre et les matériaux biologiques naturels: bois, laine, fourrures, cuir, lin, etc. L un des grands tournants a sans doute été le moment où l homme s est rendu compte qu il pouvait modifier la nature même des matériaux: par exemple, changer l argile malléable en une pierre dure, par une cuisson à haute température. Les propriétés (physiques, mécaniques, hydriques, ) et le comportement d un matériau dépendent à la fois de l arrangement des atomes qui les constituent, des imperfections qu on y rencontre et des forces interatomiques. Toutes les propriétés macroscopiques peuvent être interprétées à partir des arrangements atomiques et des structures moléculaires caractérisées par leur type de liaison. L ingénieur qui est chargé de concevoir, construire et maintenir un ouvrage doit savoir parfaitement les différentes propriétés des matériaux qui sont à sa disposition. Ceci lui permet de faire son choix pour obtenir des constructions rigides, efficaces, économiques et durables. L apport expérimental est fondamental pour définir les propriétés au moyen d essais. Il est nécessaire pour vérifier des hypothèses de calcul par des essais sur maquettes, éprouvettes, etc. Traditionnellement, les matériaux ont été classés en métaux, céramiques, verres, textiles, polymères et matériaux composites, compte tenu à la fois de certaines propriétés caractéristiques, des méthodes d obtention et de leur destination industrielle. Chacune de ces grandes divisions avait sa propre nomenclature, sa méthodologie, ses normes, de sorte que les comparaisons entre les divers matériaux étaient souvent difficiles. La science des matériaux, toute récente, vient unifier les propriétés de tous les matériaux. Mais dans la construction, il est devenu courant de distinguer les matériaux selon des domaines d emploi et des caractéristiques principales. On peut parler des matériaux de construction, de protection, de décoration, de réparation,..
3. Les matériaux naturels disponibles sur le globe terrestre : La Terre est entourée par l'atmosphère, enveloppe gazeuse de 1100 km d'épaisseur (plus de 99 % de la masse des gaz se trouve dans une épaisseur de 25 km). Le relief de la Terre est irrégulier. Environ 70,8 % de la surface terrestre sont recouverts d'eau, sous forme d'océans, de mers intérieures, de lacs, de rivières et d'eaux souterraines. Cette partie superficielle est appelée hydrosphère. Les océans ont une profondeur moyenne de 3 794 m et les plus hauts reliefs terrestres dépassent 8 000 m, la surface des mers représentant le niveau zéro. En interne, la Terre est constituée de couches concentriques de constitutions chimiques différentes : la croûte ou écorce, solide, s'étend du niveau zéro jusqu'à 980 km de profondeur ; en dessous, le manteau s'étend jusqu'à 2 900 km de profondeur ; sous le manteau, on trouve le noyau, qui représente le cœur de la Terre. Le manteau et le noyau constituent la majeure partie de la masse terrestre (fig.1). Noyau : Barysphère 3300 Km Nife Couche 2 : Pyrosphère 3000 Km Sima Couche 3 : Lithosphère 70 Km Sial (silice ;aluminium) Figure 1 : coupe de la terre 3.1 Les roches : La partie supérieure de la croûte correspond aux continents. Elle a une densité moyenne de 2,7 et est constituée de roches éruptives et de roches sédimentaires. La croûte profonde a une densité de 3. Elle est constituée de roches plus denses, les roches basaltiques, qui constituent le fond des bassins océaniques.
L action des agents atmosphériques (pluie, neige, vent, vagues, marées, ) provoqua la désagrégation des roches existantes. Le produit de cette désagrégation s accumule alors sous forme de sédiments donnant naissance aux roches sédimentaires. Ces sédiments se transforment en roches cohérentes durant des millions d années. L action de la température, de la pression sur les roches sédimentaires peut engendrer l apparition de roches métamorphiques
Croute calcaire ou massif de roches carbonatée roches métamorphiques La description des roches s'appuie sur celle des minéraux qui les constituent. Il existe environ deux cents minéraux principaux (mais on dénombre 2500 minéraux différents; dont 95% sont siliceux ou silicates) et plus de mille types de roches. Ils sont décrits en détail dans les manuels de pétrographie, de minéralogie et de lithologie. Dans la plupart du temps, une roche est composée d un, deux ou trois (rarement plus) minéraux différents. Chaque minéral possède un certain nombre de caractères qui sont généralement étudiée par un géologue. Nous nous limiterons ici à la description des minéraux les plus fréquents et les plus importants pour les applications en génie civil. Les propriétés des minéraux sont liées dépendent des caractéristiques chimiques, physiques et cristallographiques. Les caractéristiques facilement observables pour une roche sont principalement : la dureté (en se référant à l échelle de Mohs), la saveur (pour les sels), la réaction avec certains acides, la couleur, la forme, la solubilité, l éclat. Les caractéristiques analysables au laboratoire sont principalement : la composition chimique, les propriétés physiques, la température de fusion. 3.2 Minéraux des roches : Les minéraux essentiels des roches sont la silice et les silicates, les carbonates, les évaporites
a/ la silice et les silicates : La silice SiO 2 se présente le plus souvent à l état anhydre et cristallisée. Le quartz est le représentant le plus courant de ce groupe. Il est incolore avec un éclat gras. Il a une dureté de 7, peu soluble dans l eau et n est attaquable que par l acide fluorhydrique. La calcédoine est un quartz fibreux, mal cristallisé, désordonné et se trouve fréquemment dans les roches sédimentaires. Les silicates forment une famille de minéraux de composition chimique variée. L élément de base du réseau cristallin est le SiO 4 à quatre valences libres qui se saturent par l intermédiaire d ions variés tel que : Al 3+, Ca 2+, Na +, K +, Mg 2+, Fe 2+, OH - Les principaux silicates sont les feldspaths, le quartz (d=7), l orthose (d=6), les micas (d=2 à 3), l olivine (d=6.5), les plagioclases (d=6), les amphiboles et les pyroxènes. Les principaux constituants de l écorce terrestre sont des silicates qui forment 99 % de la croûte. b/ les carbonates : La famille des carbonates comporte les carbonates de calcium CaCO 3, le carbonate double de calcium MgCa(CO 3 ) 2, le carbonate de fer FeCO 3 et d autres formes intermédiaires. Les carbonates forment 1 % de l écorce terrestre et 25 % de s exploitations. La calcite CaCO 3 présente un très grand nombre de formes dérivées. C est un minéral généralement incolore à blanc, de dureté d=3 (rayé à l acier) et soluble dans le HCl. La calcite est le composant parfois unique des roches calcaires. La dolomite MgCa(CO 3 ) 2 se trouve dans les roches sédimentaires appelées dolomies. Elle est moins soluble que la calcite et n est attaqué que lentement par le HCl. c/ les minéraux évaporites : Se sont les roches susceptibles de se former par précipitation dans les saumures obtenues par évaporation de l eau de mer. Chimiquement, se sont des sulfates et des chlorures. - Le sulfate de calcium se présente sous deux formes minérales différentes : l anhydrite CaSO 4 et le gypse CaSO 4, 2H 2 O. L anhydrite est normalement incolore, mais le plus souvent gris bleuâtre ; la dureté est d=3 à 3.5. Le gypse se présente sous forme de fins cristaux millimétriques blancs ou teintés de noir, vert ou rouge. Il est moins dense que l anhydrite et de dureté 1.5 à 2 et se raye facilement à l ongle. - Les chlorures sont principalement la halite (ou sel gemme) NaCl et la sylvite KCl. La halite est la plus abondante, sa densité est de 2.17 et dureté d=2. Elle est très soluble dans l eau. 3.3 Autres Minéraux : 1. Oxydes et hydrates : Magnétite 2. Phyllites : Illite, Kaolinite, Montmorillonite, Muscovite (mica blanc), Biotite (mica noir) 4. les matériaux pour la construction en Génie Civil : Les matériaux selon leur nature peuvent avoir deux rôles différents : Fonction structurelle : portance Fonction de remplissage : séparation entre milieux protections intempéries Les matériaux peuvent être naturels ou encore artificiels. Les matériaux utilisés pour la construction sont :
Les roches ou pierres naturelles - rocks Granulats : sables, graviers - Agrégeâtes : Sand and gravel Liants minéraux : ciment, chaux, platre - Minéral binders : cement, lime and plaster Liants hydrocarbonés : bitumes bitumen binders Mortiers et coulis de ciment - Mortars and cement grout Matériaux de la chaussée - Materials of the roadway Bois - Wood Acier - steel Aluminium -Aluminium Argiles - clays Produits céramiques - Ceramic products Produits d étanchéité - Products of coating Produits de peinture - Products of painting Bétons : mélange de ciment, de sable, de graviers, d eau et éventuellement d adjuvants - concrete