MATERIAUX DE CONSTRUCTION - I

Cours de MDCI- 2GC+2TP-SALHI MOHAMED-Maitre de Conférences Classe A-CUR

1

MINISTERE DE L‟ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA

RECHERCHE SCIENTIFIQUE

CENTRE UNIVERSITAIRE DE RELIZANE

INSTITUT DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES

Polycopié de:

MATERIAUX DE

CONSTRUCTION - I

Licence Génie CIVIL

Réalisé par Docteur

SALHI MOHAMED

-Décembre 2018-


2

Préface

Dans la présent polycopié intitulé: « Matériaux de construction 01 », qui s’adresse aux

étudiantes deuxièmes années LMD en génie civil.

Il est rédigé de manière simplifiée et quelques exemples sont introduits après avoir

donné des notions afin que l’étudiant puisse assimiler le contenu du cours et ait une

vision claire de son application dans la vie courante.

Ce polycopié est divisé en quatre chapitres. Le contenu du premier chapitre concerne

l’historique des matériaux de construction ainsi que leur classification et propriétés.

Dans le deuxième chapitre, l’étudiant se familiarise avec les notions sur caractéristiques

et les essais sur granulats (sable et gravier), classification des granulats, analyse

granulométrique, module de finesse, propreté du gravier, la résistance mécanique.

Le troisième chapitre fait une entrée sur les liants aérienne et hydrauliques, ainsi que les

ajouts cimentaire. Une méthodologie progressive est tracée afin que l’étudiant doive

différencier entre le mode de fabrication et le domaine d’utilisation de chaque liant. En

outre, les avantages et les inconvenants des ajouts cimentaire dans l’industrie

cimentaire en Algérie et au monde.

Le dernier chapitre est consacré à l’étude des mortiers, dans cette étape l’étudiant doit

faire les déférences entre un béton, un mortier, une pâte et un coulis. Ainsi que les

essais réalisés sur mortier, en autre, les propriétés et les type de mortier avec leur

utilisation.


3

Tables des Matières

Chapitre 1 : Généralités et Propriétés des matériaux de construction. Page 1.1. Généralité .................................................................................................................................... ……..7

1.1. Historique des matériaux de construction.......................................................................................7

1.2. Classification des matériaux de construction................................................................................7

1.2.1. Métaux et leurs alliages...........................................................................................8

1.2.2. Les céramiques et les verres....................................................................................8

1.2.3. Les polymères et les matières plastiques………………………………………………………………..8

1.2.4. Les matériaux composites…………………………………………………………………………………….9

1.3. Propriétés des matériaux de construction........................................................................9

1.3.1. Propriétés physiques............................................................................................10

1.3.2.1 Masse volumique apparente ………................................................................10

1.3.1.2 Masse volumique absolue………………………………………………………………………….10

1.3.1.3 Densité…………………………………………………………………………………………………….11

1.3.1.4 Porosité et compacité………………………………………………………………………………..11

1.3.1.5 Compacité………………………………………………………………………………………………..12

1.3.1.6 Humidité…………………………………………………………………………………………………..12

1.3.1.7 Absorption d’eau……………………………………………………………………………………….13

1.3.1.8 Perméabilité……………………………………………………………………………………………..13

1.3.2 Les propriétés mécaniques…………………………………………………………………………………14

1.3.2.1 Essai de traction…………………………………………………………………………………………14

1.3.2.2 Essais de compression………………………………………………………………………………..15

1.3.2.3 Essai de flexion………………………………………………………………………………………….15

1.3.2.4 Module d ’Young E……………………………………………………………………………………..16

1.3.2.5 Coefficient de Poisson…………………………………………………………………………………17


4

Chapitre 2 :

Caractéristiques des granulats,

2.1. Définitions .........................................................................................................................................19

2.2. Intérêt des granulats dans le béton...............................................................................19

2.3 Classification des granulats............................................................................................19

2.3 Granulométrie……………………………………………………………………………………………………………19

2.3.1 Classes granulaires……………………………………………………………………………………………….19

2.3.2 Courbes granulométriques…………………………………………………………………………………….20

2.3.3 Module de finesse du sable « MF »...........................................................................21

2.3.4 Corrections d’un sable (Méthode d’Abrams)…………………………………………………………….22

2.3.5 Propreté du sable (Equivalent de sable) ES…………………………………………………………….23

2.4. Le gravier…………………………………………………………………………………………………………………25

2.4.1. La propreté……………………………………………………………………………………………………….25

2.4.2. Résistances mécaniques……………………………………………………………………………………..25

2.4.2.1. Coefficient Los Angeles : (fragmentation par choc et Usure par frottement)……25

2.4.2.2 Essais de micro-Deval (Usure par frottements)…………………………………………….26

Chapitre 3 :

Les liants aériens et Les liants hydrauliques,

3.1 Introduction .......................................................................................................................................29

3.2 Les Liants Hydraulique ................................................................................................29

3.2.1. Le ciment ................................................................................................................29

3.2.1.1. Constituants principaux.................................................................................29

3.2.1.2. Clinker.................................................................................. …………………….29

3.2.1.3. Principe de fabrication des ciments courants ..................................................31

3.2.1.4. Équations de bogue (1955)…………………………………………………………………………34

3.2.1.5. Classe de résistance des ciments………………………………………………………………..35

3.2.1.6. Différents types de ciment courants……………………………………………………………..36

3.2.1.7 Utilisations des ciments………………………………………………………………………………..37


5

3.2.2 Chaux hydrauliques naturelles…………………………………………………………………………………37

3.2.2.1 Rappel historique…………………………………………………………………………………………37

3.2.2.2 Définition (Chaux hydraulique)………………………………………………………………………38

3.2.2.3 Fabrication des chaux hydrauliques naturelles…………………………………………………38

3.2.2.4 Classes de résistance……………………………………………………………………………………39

3.3 Liant aérienne……………………………………………………………………………………………………………40

3.3.1 La chaux aérienne…………………………………………………………………………………………….40

3.3.1.1 Fabrication…………………………………………………………………………………………….40

3.3.1.2 La norme Européenne pour la chaux aérienne…………………………………………..41

3.3.2 Le plâtre…………………………………………………………………………………………………………..42

3.3.2.1 Introduction…………………………………………………………………………………………..42

3.3.2.2 Fabrication de plâtre ……………………………………………………………………………..43

3.3.2.3 Température de cuisson………………………………………………………………………….43

3.3.2.4 Utilisation dans le bâtiment……………………………………………………………………..44

3.4 Ajouts cimentaire……………………………………………………………………………………………………….45

3.4.1 Définition…………………………………………………………………………………………………………..45

3.4.2 Avantages des ajouts cimentaires………………………………………………………………………..45

3.4.3 Classification des ajouts cimentaires……………………………………………………………………45

3.4.3.1 Les additions de type I………………………………………………………………………………46

3.4.3.2 Les additions de type II…………………………………………………………………………….46

Chapitre 4 :

Les mortiers,

4. Les mortiers………………………………………………………………………………………………………………..50

4.1. Définition………………………………………………………………………………………………………………50

4.2. Composition………………………………………………………………………………………………………….50

4.3. Essais sur mortiers…………………………………………………………………………………………………51

4.4. Types de mortier……………………………………………………………………………………………………51

4.5. Propriétés des mortiers…………………………………………………………………………………………..52

4.5.1. Mortier plastique…………………………………………………………………………………………..52

4.5.2. Mortier durci…………………………………………………………………………………………………54


6

Chapitre 1 :

Généralités et Propriétés des

matériaux de construction.

Généralités et Propriétés des matériaux de construction.

7

1.1 Évolution des matériaux de construction au cours de l'histoire

Les matériaux défini le niveau de développement de notre civilisation, Les matériaux ont un rôle

important dans tous les développements technologiques, l‟ingénieur doit savoir et tenir compte

des différents propriétés des matériaux pour concevoir et fabriquer de nouveaux produits.

Figure 1.1: Evolution des matériaux de construction avec le temps

Le premier pont métallique en fonte a été construit sur la Severn, en Angleterre en 1979 figure 2,

cette expérience a été suivie de plusieurs autres ouvrages, toujours en Angleterre. C‟est en 1803

que fut construite la passerelle des Arts, premier ouvrage en fonte construit à Paris.

Figure 1.2 : Le premier pont en fonte Angleterre

1.2 Classification des Matériaux

Les matériaux sont classés suivants leurs composition et leur propriétés:

1. Les métaux et leurs alliages


8

2. Les céramiques et les verres

3. Les polymères et les matières plastiques

4. Les matériaux composites

Figure 1.3: Classification des matériaux de construction

1.2.1 Métaux et leurs alliages

Les métaux les plus utilisés: Fe, Al, Cu,

Alliages : la combinaison de deux ou plusieurs métaux, peuvent contenir des éléments

non métalliques,

Etat cristallin, opaques, brillants, lourds, durs, déformables plastiquement,

Bonnes conductivité thermique et électrique.

1.2.2 Les céramiques et les verres

Matériaux inorganiques, en général combinaison des éléments métalliques (Mg, Al, Fe) et

non métalliques (oxygène),

Résistance mécanique et thermiques élevées isolants électriques, ils sont généralement des

matériaux durs,

Les céramiques sont des matériaux réfracteurs (résistance thermique élevée),

Ils sont très fragiles (cassant au choc), ce qui limite leur emploi pour des applications ou

les chocs mécanique et thermique sont élevés.


9

1.2.3 Les polymères et les matières plastiques

Ils sont des matériaux organique, constitués par des molécules formées de longues

chaînes d‟atomes de carbone sur lesquelles sont fixées des éléments comme l‟hydrogène

et le chlore, d‟autres éléments comme le soufre, l‟azote, le silicium etc. peuvent

intervenir,

Isolants électriques et thermiques,

Faible densité,

Facilement déformable,

Leurs températures de fusion est très faible comparées à celle des métaux ~200°C,

faciles à mettre en œuvre.

1.2.4 Les matériaux composites

Un matériau composite est obtenu par la combinaison de deux ou plusieurs matériaux appartenant

aux trois premières classes. Exemple: le béton armé.

Mais dans la construction, il est devenu courant de distinguer les matériaux selon des domaines

d‟emploi et des caractéristiques principales: les matériaux de construction et les matériaux de

protection.

Les matériaux de construction sont les matériaux qui ont la propriété de résister contre des

forces importantes:

Pierres - Terres cuites - Bois - Béton - Métaux, etc.

Les matériaux de protection sont les matériaux qui ont la propriété d'enrober et protéger les

matériaux de construction, parmi ces matériaux :

Enduits - Peintures - Bitumes, etc.

1.3 Propriétés des matériaux de construction

L‟objectif de la science des matériaux de construction serait de permettre un choix optimal des

M.D.C. utilisés dans la réalisation d‟un projet, en prenant en compte les conditions Toute valeur


10

permettant de déterminer une caractéristique donnée est appelée propriété. La connaissance des

propriétés des matériaux permet de prévoir leur capacité à résister sous des conditions diverses.

Les matériaux possèdent trois catégories de propriétés:

Les propriétés mécaniques: qui reflètent le comportement des matériaux lorsqu‟ils sont

sollicités par des efforts extérieurs.

Les propriétés physiques: qui représentent le comportement des matériaux sous l‟action

de la température, des champs électriques ou de la lumière.

Les propriétés chimiques: qui caractérisent le comportement des matériaux dans un

environnement réactif.

1.3.1 Propriétés physiques

1.3.1.1 La masse volumique apparente

Définition: C‟est la masse d‟un corps par unité de volume apparent en état naturel, après

passage à l‟étuve à 105 ±5 °C, notée γ0 et exprimée en (gr/cm3 ; kg/m

3; T/m

3).

Détermination: Pour les matériaux incohérents (ensemble de grains – sable ou gravier). La

détermination de la masse volumique apparente peut se faire en utilisant un récipient standard (de

volume connu).

.

. : Masse volumique apparente [kg/m3]

: Masse d‟un corps sèche

: Volume apparent


11

1.3.1.2 La masse volumique absolue

Définition: C'est la masse d‟un corps par unité de volume absolu de matière pleine (volume de

matière seule, pores à l'intérieur des grains exclus), après passage à l‟étuve à 105 °C, notée ρ et

exprimée en (g/cm3, kg/m

3 ou T/m

3).

Détermination:

Méthode de l’éprouvette graduée

Cette méthode s‟applique aussi aux granulats (sable, gravier). Mettre dans une éprouvette

graduée un volume V1 du liquide, Peser une masse M des granulats (sable, gravier) (300g) et

l‟introduire dans l‟éprouvette en éliminant les bulles d‟air, Lire de nouveau le volume V2. La

masse volumique absolue est calculée par la formule:

.

1.3.1.3 La Densité

La densité est un nombre sans dimension qui égale au rapport de la masse volumique du

matériau et la masse volumique de l‟eau dans les mêmes conditions de mesure (T = 20°C).

Densité d‟un matériau X=

Tableau 1.1: la densité de quelque matériau de construction

MDC Densité MDC Densité

Pierre de taille 2.4-2.8 Fer 7.8

Ciment 3.0 Cuivre 8.9

Béton 1.8-2.5 Aluminium 2.5

1.3.1.4 La porosité et compacité

La porosité: La porosité est le résultat du rapport du Volume des vides / volume du matériau.

.


12

[n] = %

Tableau 1.2: la porosité de quelque matériau de construction

MDC Porosité (%) MDC Porosité (%)

Craie 3.0-53 Granit 0.05-2.8

Calcaire 0.8-2,7 Sable 0-5

1.3.1.5 Compacité:

La compacité est le résultat du rapport du volume des grains solides/ volume total.

( )

C% = 1 - n ; [C] = %

Vv: Volume des vides

Vs: Volume des grains solides

VT: Volume total

La porosité et la compacité sont souvent exprimées en %. La somme des deux est alors égale à

100%. En effet:

n + C =

+

Remarque: Si l‟on connaît la masse volumique apparent et la masse volumique spécifique

d‟un matériau, peut calculer sa compacité et porosité.

Compacité C =

=

donc C(%) =

1.3.1.6 L’humidité

L‟humidité est une des propriétés importante des matériaux de construction. Elle est un indice

pour déterminer la teneur en eau réelle des matériaux au moment de l'expérience. En général

Vv

Vs VT


13

l‟humidité est notée W et s‟exprime en pourcentage (%). On peut déterminer l‟humidité de

matériaux quelconques en utilisant la formule suivante:

.

MS: est la masse sèche (après passage à l‟étuve).

Mh : la masse humide de l‟échantillon

Le degré de l‟humidité des matériaux dépend de beaucoup de facteurs, surtout de l‟atmosphère où ils sont

stockés, le vent, la température et de la porosité du matériau.

1.3.1.7 L’absorption d’eau

L‟absorption d‟eau est le pouvoir que possède un matériau pour absorber et retenir l‟eau. On détermine

l‟absorption d‟eau par la différence existant entre les poids d‟un échantillon du matériau saturé d‟eau et à

l‟état absolument sec.

Mode opératoire:

1. Sécher les échantillons jusqu'à l'obtention de la masse constante (T =105 - 110 °C);

2. Mettre les échantillons dans le bain-marie (T =60 - 80 °C);

3. Après 30 minutes retirer les échantillons, les essuyer avec un chiffon humide et les peser;

4. Calculer l'absorption d'eau par la formule;

%

M1: masse d'échantillon sec ;

M2: masse d'échantillon saturée d'eau.

1.3.1.8 Perméabilité

La perméabilité est la propriété que possède un matériau pour laisser passer l‟eau sous pression.

La valeur de la perméabilité dépend de la compacité, les matériaux compacts, par exemple le

verre, l‟acier sont imperméable à l‟eau. La perméabilité est exprimée par la quantité d‟eau


14

traversant en une heure une surface de 1cm2 du matériau sollicité par une pression constante.

Les essais de perméabilité des dévers matériaux se font sur des appareils spéciaux.

1.3.2 Les propriétés mécaniques

1.3.2.1 Essai de traction

Il consiste à placer une éprouvette du matériau à étudier entre les mâchoires d'une machine de

traction qui tire sur le matériau jusqu'à sa rupture. On enregistre la force et l‟allongement, que

l'on peut convertir en contrainte déformation.

Figure 1.4: éprouvette de traction

Il consiste à imposer un allongement à une éprouvette de section initiale So et de longueur utile

Lo. La courbe type obtenue pour un matériau ductile est la suivante:

Figure 1.5: courbe type contrainte déformation


15

La droite OA correspond à la déformation élastique réversible.

La courbe AC est le domaine de déformation plastique homogène: si on supprime la force de

traction, il y a un retour élastique suivant une parallèle à OA et il reste une déformation

permanente.

Pour CD, la force nécessaire pour déformer le matériau diminue alors que l‟allongement continue

d‟augmenter : cette instabilité est appelée instabilité plastique. La striction apparait. En D il y a

rupture de l‟éprouvette.

Re (MPa) est la limite de proportionnalité ou limite élastique. Elle est bien marquée pour les

matériaux ductiles. Re correspond au seuil d‟écoulement plastique.

Rm est la résistance limite à la traction. Cette valeur est utilisée pour estimer la limite

d‟endurance à la fatigue.

Re est atteinte quand on observe la première chute de l‟effort lors de l‟essai. En l‟absence de ce

phénomène, quand OA n‟est pas rectiligne, on doit utiliser la limite conventionnelle d‟élasticité

Re 0,2 qui correspond à un allongement plastique de 0,2% (voir Figure 1.5).

1.3.2.2 Essais de compression

Utilisé pour déterminer les contraintes de rupture des matériaux fragiles (béton, céramique).

Figure 1.6 : Éprouvette cylindrique ou cubique soumise à deux forces axiales opposées

1.3.2.3 Essai de flexion

Il présente la même utilité que les essais de compression, il est peu utilisé pour les matériaux

ductiles.


16

Figure 1.7: Essai de flexion

1.3.2.4 Module d ’Young E

Module d‟élasticité longitudinal (module de Young): Dans le domaine élastique, la contrainte est

proportionnelle au déformation (loi de Hooke). Pour les forces de traction et de compression, la

constante de proportionnalité s‟appelle module d‟élasticité longitudinale (ou module de Young)

et est représentée par E.

La pente de la partie linéaire OA (Figure 5) représente le module d ’Young E (en Mpa ou

en GPa) ou module d‟élasticité.

On appelle loi de Hook e la relation:

.

La mesure de E est obtenue à l‟aide d‟un extensomètre.

Le module d‟Young à 20 C va de 4 Mpa pour le caoutchouc à 500 GPa pour les céramiques.

Cette variation importante est due aux intensités très variables des forces de liaison entre les

atomes ou molécules au sein des matériaux: liaisons covalentes, ioniques.


17

0

50000

100000

150000

200000

250000

Acier de Cons Fer Or Béton Chene Plexyglass

Mo

du

le d

'éla

stic

ité

(M

pa)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Or Nylon Acier Verre Fer Béton

Co

eff

icie

nt

de

po

isso

n

Figure 1.8: module d‟élasticité pour certains matériaux

1.3.2.5 Coefficient de Poisson

Lorsqu‟une barre est en traction, elle s‟allonge dans le sens longitudinal et elle se contracte dans

le sens transversal; de même, une charge compressive produit une diminution de la longueur et

une dilatation de la section transversale.

v est le rapport entre la contraction transversale et l‟allongement longitudinal.

Ou l‟éprouvette subit aussi des déformations latérales: le Coefficient de Poisson, ou coefficient

de contraction latérale dans le domaine élastique est le rapport sans dimension

Ce coefficient, compris selon les matériaux entre 10-2

et 4 10-1

, dépend légèrement de la

température.

Figure 1.9 : Coefficient de Poisson pour certains matériaux

18

Chapitre 2 :



19

2.1 Définition

Le granulat est d‟abord caractérisé par sa granularité qui est la distribution dimensionnelle des

grains exprimés en pourcent de la masse passant au travers d‟un ensemble spécifier de tamis. La

mesure de la granularité est la granulométrie.

On déduit ainsi la classe granulaire en termes de dimension inférieur (d) et supérieur (D) de tamis

exprimée par la dénomination (d/D) des dimensions exprimé en mm. Le granulat est caractérisé

par sa classe granulaire.

Les granulats constituent le squelette du béton et ils représentent, environ 80 % du poids total du

béton. Ils sont constitués de Sables (Gros et Fin) et de gravier. Cependant, les granulats doivent

satisfaire à certaines exigences de qualité pour qu‟ils soient utilisés dans le béton.

2.2 Intérêt des granulats dans le béton

Intérêt économique : Diminution de la quantité de liant (ciment et addition).

Intérêt technique : Limitent les variations dimensionnelles dans le béton (les granulats sont plus

rigide que la pâte de ciment).

Il existe cinq classes granulaires : selon la norme NFP 18-101

Les fines 0/D avec D≤0.08mm

Les sables 0/D avec D≤6.3mm

Les gravillons d/D avec d et D≤31.5mm

Les cailloux d/D avec d≥20mm et D≤80mm

Les graves (route) d/D avec d≥6.3mm et D≤80mm

2.3 Granulométrie:

2.3.1 Classes granulaires : la fourchette de calibres qui est désignée par le terme « granulat

d/D » dont les dimensions s‟étalent de d pour les petits éléments à D pour les gros éléments.

Refus sur un tamis : la partie du matériau qui est retenue sur le tamis.

Tamisât (ou passant) : la partie du matériau qui passe au travers le tamis


20

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 - 0.10 - 0.125 - 0.16 - 0.2 - 0.25 - 0.315 - 0.40 - 0.5 - 0.63 - 0.8 – 1 - 1.25 - 1.6 -2 -

3.15 – 4 – 5 - 6.3 – 8 – 10 - 12.5 – 14 – 16 – 20 – 25 - 31.5 – 40 – 50 – 63 - 80.

2.3.2 Courbes granulométriques

On trace la courbe granulométrique sur un graphique comportant en ordonnée le pourcentage des

tamisât cumulé sous les tamis dont les mailles D sont indiquées en abscisse selon une graduation

logarithmique, la suite des valeurs de D est une progression géométrique de raison 1.25.

Tableau 2.1: Résultats de l‟analyse granulométrique

Maille des Tamis (mm)

(en ordre décroissant)

Masse du refus

partiel (g)

Masse du refus

cumulé (g)

Refus cumulé en

Pourcentage (%)

Tamisât cumulé en

Pourcentage (%)

16 R1

14 R2

12 R3

Masse du refus cumulé (g) : Ri

Refus cumulé en Pourcentage (%) =

Tamisât cumulé en Pourcentage (%)= (

)

Figure 2.1: Courbes granulométriques de certains granulats


21

Les courbes granulométriques apportent les renseignements suivant :

• Les limites d et D du granulat en question (sable, gravier,..)

• La proportion d'éléments fins; sable normal, sable fin ou sable grossier)

• La continuité ou la discontinuité de la granularité; la discontinuité n‟affecte pas la

résistance du béton mais affect l‟ouvrabilité du béton.

Exemple 1: Analyse granulométrique

Maille (mm) Refus (g) Refus cumulés (g) Refus cumulés (%) Tamisas cumulé (%)

6 0 0 0 100

5 2 2 0.2 99.8

4 3 5 0.5 99.5

3.15 2 7 0.7 99.3

2.5 6 13 1.3 98.7

1.25 56 69 6.9 93.1

0. 63 527 596 59.6 40.4

0.315 385 971 97.1 2.9

0.16 17 998 99.8 0.2

0.08 2 1000 100 0

Refus cumulé (g) du tamis 2.5 mm = 13g= 6+2+3+2+0

Refus cumulé (%) du tamis 0.63 mm = 59.6%=596/1000)*100

Tamisât cumulé (%) du tamis 1.25 mm = 93.1% =100-6.9

2.3.3 Module de finesse du sable « MF»

D‟après la norme française NFP 18-540 le module de finesse de sable est calculé comme suit :

∑ * +


22

Exemple 2 : Analyse granulométrique d‟un sable

Maille (mm) Refus (g) Refus cumulés (g) Refus cumulés (%) Tamisas cumulé (%)

6 0 0 0 100

5 2 2 0.2 99.8

4 3 5 0.5 99.5

3.15 2 7 0.7 99.3

2.5 6 13 1.3 98.7

1.25 56 69 6.9 93.1

0. 63 527 596 59.6 40.4

0.315 385 971 97.1 2.9

0.16 17 998 99.8 0.2

0.08 2 1000 100 0

Module de finesse (MF) = (99.8 + 97.1 + 59.6 + 6.9 + 1.3 + 0.2)/100 = 2,65 (Sable normal)

2.2<MF<2.8 : sable préférentiel convient bien pour obtenir une ouvrabilité satisfaisante et une

bonne résistance (bon béton)

1.8<MF<2.2 : sable très fin est à utiliser si l‟on recherche particulièrement la facilité de mise en

œuvre.

2.8<MF<3.2 : sable un peut trop grossier correspond à des sables à utiliser pour la recherche de

résistance élevées, mais on aura en général, une moins bonne ouvrabilité et des risque de

ségrégation.

2.3.4 Corrections d’un sable (Méthode d’Abrams)

MF1 module de finesse du sable S1

MF2 module de finesse du sable S2

MF module de finesse finale (recherché)

Si par exemple, le sable en question est trop grossier (MF≥3.0), il faut une correction du module

de finesse du sable par la méthode d‟Abrams.

Supposons par exemple que l‟on dispose d‟un sable S1 de module de finesse trop fort Mf1 et que

l‟on désire y ajouter un sable fin S2 de module de finesse Mf2 afin d‟obtenir un mélange dont le


23

module de finesse serait Mƒ ; les proportions des deux sables composant devront être les

suivantes :

. Avec Mf1>Mf>Mf2

.

Exemple:

Soit : Mf1=3.2 (S1 sable grossier)

Mf2=2 (S2 sable fin)

Mf=2.5 (S sable corrigé)

.

= 0.58 = 58%

2.3.5 Propreté du sable (Equivalent de sable) ES

But de l'essai : Cet essai a pour but de mesurer la propreté des sables entrant dans la composition

des bétons. L'essai consiste à séparer les flocules fins contenues dans le sable. Une procédure

normalisée permet de déterminer un coefficient d'équivalent de sable qui quantifie la propreté de

celui-ci.

Principe de l'essai : L'essai est effectué sur la fraction du sable à étudier. On lave l'échantillon, selon un

processus normalisé, et on laisse reposer le tout. Au bout de 20 minutes, on mesure les éléments suivants :

- hauteur h1 : sable propre + éléments fins,

- hauteur h2 : sable propre seulement.

On en déduit l'équivalent de sable. L'essai dit d'équivalent de sable - permet de déterminer le

degré de propreté du sable :


24

Esp : au Piston Esv Visuel

Figure 2.2 : Essai équivalant de sable

Selon que la hauteur h2 est mesurée visuellement ou à l'aide d'un piston, on détermine ESV (équivalent

de sable visuel) ou ES (équivalent de sable au piston).

ES(%) = (hauteur de sable propre/hauteur du sable + hauteur de floculat)*100

Exemple :

Sable 1 : ES= 92 : sable très propre

Sable 2 : ES=78.2 : sable propre

Sable 3 : ES=60 : sable argileux, à rejeter


25

Tableau 2.2: Interprétations des valeurs

ESv < 65 ESp < 60 Sable argileux ; à rejeter pour des bétons de qualité

65≤ ESv < 75 60 ≤ ESp < 70 Sable légèrement argileux ; admissible pour des bétons de

qualité courante

75 ≤ ESv < 85 70 ≤ ESp < 80 Sable propre à faible pourcentage de fines argileuses;

convenant parfaitement pour des bétons de qualité

ESv ≥ 85 ESp ≥ 80 Sable très propre : risque d‟un défaut de plasticité du béton

qu‟il faudra rattraper par une augmentation du dosage en eau

2.4 Le gravier

2.4.1 La propreté

Particules fines (argileuse ou poussière) mauvaise adhérence entre les granulats et la pâte de

ciment, mauvaise résistance.

Propreté « P » = Élément fin (≤0,5 mm) < 1.5% (béton de qualité)

Matériel utilisé.

Tamis de maille 0.5 mm et un sceau d‟eau.

• Peser un kg de gravier soit M0 et le placer dans le tamis,

• Laver l‟échantillon jusqu‟à ce que l‟eau qui traverse le tamis soit claire,

• Essuyer l‟excès en eau à l‟aide d‟un chiffon et peser la nouvelle masse soit M1

La propreté ( )

Le gravier est propre si P (quantité d‟éléments fin) ≤5% (béton)


26

2.4.2 Résistances mécaniques

2.4.2.1 Coefficient Los Angeles

L'essai Los Angeles est utilisé pour déterminer la résistance à la fragmentation (choc) d'un

échantillon de granulat. Choisit une classe granulaire de gravier, laver le matériau et le sécher à

l‟étuve à 105 °C, la masse de l‟échantillon pour essai sera 5000g. Introduire la charge de boulets qui

correspondant à la classe granulaire choisie, faire effectuer à la machine 500tours à une vitesse régulière

comprise entre 30 et 33 tr/min.

Recueillir le granulat dans un bac placé sous l‟appareil, tamiser le matériau contenu dans le bac

sur le tamis 1.6 mm, laver le refus au tamis 1.6 mm et séché à l‟étuve à 105 °C, peser se refus une

fois séché, soit M‟ le résultat de la pesée.

Le coefficient los-Angeles (LA) =

Tableau 2.3: des valeurs de Los Angeles et leur Appréciation

Valeurs repérés

Coefficient Los Angeles Appréciation

<15 Très bon à bon

15 à 25 Bon à moyen

25 à 40 Moyen à faible

>40 Médiocre

2.4.2.2 Essais de micro-Deval

Le but de l‟essai est de déterminer la résistance à l‟usure des granulats (frottement entre les

grains) en présence d‟eau ou absence d‟eau.

• Introduire l‟échantillon (M=500 g) avec la charge abrasive (boules de 11 mm)

• Rotations pendant 2 h (100 tours/min)

• Mesurer la masse « m » d‟élément < 1,6 mm.

• Coefficient de Micro-Deval « =

» : tel que: m=500-m‟

• Le coefficient MD est autant plus élevé que le granulat est moins bon.


27

Tableau 2.4 : des valeurs de micro-Deval et leur Appréciation

Valeurs repérés

Micro-Deval en présence d‟eau Appréciation

<10 Très bon à bon

10 à 20 Bon à moyen

20 à 35 Moyen à faible

>35 Médiocre


28

Chapitre 3 :

Les liants aériens et Les liants

hydrauliques


29

3.1 Introduction

Les liants minéraux sont des matériaux moulus d‟une façon très fine. Malaxés à l‟eau, ils donnent

une pâte collante qui durcit graduellement pour devenir une pierre artificielle. Dans les travaux de

construction, les liants minéraux sont mélangés avec l‟eau et/ou les granulats (sable, gravillon,

gravier), pour devenir une pâte de ciment ou mortier ou encore béton. Il est connu que certains

liants durcissent à l‟air seulement et d‟autres dans des milieux humides ou dans l‟eau. Cette

propriété nous permet de classifier les liants minéraux en :

• Liants aériens : qui ne durcissent et ne peuvent conserver leurs propriétés mécaniques qu‟à l‟air

(ex.: chaux grasse, plâtre),

• Liants hydrauliques : qui durcissent et conservent leurs propriétés mécaniques non seulement à

l‟air mais aussi dans l‟eau (ex. : chaux hydraulique, ciment Portland,…)

3.2 Les Liants Hydraulique

3.2.1 Le ciment

Le ciment est un liant hydraulique, c‟est-à-dire capable de faire prise dans l‟eau. Il se présente

sous l‟aspect d‟une poudre très fine qui, mélangée avec de l‟eau, forme une pate faisant prise et

durcissant progressivement dans le temps. Ce durcissement est dû à l‟hydratation de certains

composés minéraux, notamment des silicates et des aluminates de calcium.

3.2.1.1 Constituants principaux

Les ciments courants ont pour constituant le clinker, auquel il peut être ajouté suivant leur

type :

Du calcaire-du laitier de haut fourneau- cendre volante- pouzzolane naturelle- fumée de

silice, dans le but de modifier certaines de leurs propriétés et de proposer une gamme de

produits capables de résoudre les différents problèmes qui se posent lors de la réalisation de

certains ouvrages, soit des raison des conditions d‟environnement, soit pour des raisons de

performances mécaniques.

3.2.1.2 Clinker

Le clinker, obtenu à la sortie du four à la suite de la cuisson des matières premières

constituées principalement de calcaire (CaCO3) , d‟argile (silice-alumine- fer) et de matières


30

de correction, est un matériau hydraulique se présentant sous la forme de petits nodules très

durs composés essentiellement des quatre phases cristallines suivantes :

- Silicate tricalcique (3CaO.SiO2) ou C3S.

- Silicate bicalcique (2CaO.SiO2) ou C2S.

- Aluminate tricalcique C3A (3CaO.Al2O3).

- Alumino-ferrite tétracalcique C4AF (4CaO.Al2O3.Fe2O3)

Le ciment Portland (CPA= CEMI) contient au moins 95% de clinker. Les proportions

respectives moyennes de ces différentes phases sont en moyenne de :

50 à 70% pour le C3S ;

5 à 25% pour le C2S ;

2 à 12% pour le C3A ;

0 à 15% pour le C4AF

Les propriétés des ciments varient en fonction des pourcentages respectifs de ces dif férentes

phases.

Le C3S qui libère au cours de l‟hydratation une quantité de chaleur voisine du double

de celle libérée par le C2S, donne au ciment une résistance rapide, cette phase est

responsable des résistances aux premiers âges.

Le C2S permet au ciment d‟atteindre des résistances élevées à moyen et long terme.

Le C3A est la phase présentant la plus grande vitesse de réaction initiale d‟où

l‟obtention de résistances initiales élevées, elle contribue essentiellement à la prise de

pate de ciment alors qu‟elle contribue assez peu à la résistance finale. Elle est

facilement attaquée par les sulfates.

Le C4AF forme une solution solide de C2A et C2F, réagit moins vite que C3A, son rôle

est mineur dans les réactions de durcissement du ciment, cette phase donne le couleur

grise de ciment.

En dehors de ces quatre principales phases, le clinker comporte également :

De la chaux libre (n‟est pas combiné) dont le pourcentage ne doit pas dépasser 2%

dans le clinker pour ne pas risquer de provoquer une expansion en présence d‟eau.


31

De l‟oxyde de magnésium MgO, qui peut être à l‟origine d‟une expansion par

réaction avec l‟eau.

3.2.1.3 Principe de fabrication des ciments courants

Les matières premières entrant dans la fabrication du clinker sont le calcaire et l‟argile dans

des proportions respectivement proches de 80 et 20%.

Le calcaire apporte le calcium, l‟argile apporte la silice SiO2, l‟alumine Al2O3 et l‟oxyde de

fer Fe2O3, nécessaire au processus de formation de clinker.

Ces matières premières contiennent d‟autres éléments, tel de la magnésie MgO, des alcalis

K2O et Na2O.

La fabrication de ciment comporte les étapes suivantes :

Extraction

L‟extraction consiste en général pour le calcaire, à abattre la roche à l‟explosif, dans des

carrières à ciel ouvert, alors que l‟argile, beaucoup plus meuble est exploitée au moyen

d‟excavateur avant d‟être transportée par des camions.

Concassage

Les matériaux extraits des carrières présentant des granulométries grossières, le concassage

effectué le plus souvent sur les lieux mêmes de l‟extraction a pour but d‟en limiter la

granulométrie à 50 -100 mm au maximum.

Préparation du cru

La préparation du cru au cours de laquelle on réalise le mélange homogène du calcaire et de

l‟argile dans des proportions définies en fonction de leur composition chimique particulières,

le résultat final devant permettre l‟obtention d‟un clinker dont la teneur moyenne des

différentes oxydes est de l‟ordre de :

65% de CaO fourchette de 60 à 69%

21% de SiO2 fourchette de 18 à 24%

6% d‟Al2O3 fourchette de 4 à 8%


32

2% MgO fourchette de 0 à 5%

1% d‟alcalis fourchette de 0 à 2%

1% de SO3 fourchette de 0 à 3%

La préparation du cru peut être réalisée suivant deux procédés différents :

La voie sèche, la plus généralement utilisée en Algérie dont nous résumons les phases

aux paragraphes si dessous.

La voie humide, pratiquement abandonnée parce que grande consommatrice d‟énergie

et consiste à préparer une pâte, qui est ensuite homogénéisé et stockée. Cette voie

s‟impose lorsque les matériaux extraits présentent un taux d‟humidité élevée.

La fabrication par voie sèche comporte les phases suivantes :

Préhomogénéisation

Cette phase qui a pour but de réaliser un mélange préliminaire, consiste à déposer les

matériaux constitufs cru en couches successives, de faible épaisseur.

broyage-séchage

Le mélange précédent est envoyé à la station de broyage afin d‟être réduit en une poudre

de grain inférieurs à 160 microns.

Homogénéisation

C‟est au cours obtenu un produit parfaitement homogène, de cette phase que grâce à un brassage

pneumatique ou mécanique, peut être obtenu un produit parfaitement homogène, de

caractéristiques chimiques uniformes, apte à être cuit.

Cuisson

Réalisé dans des four rotatifs dont les dimensions les plus courantes sont de l‟ordre de 5m de

diamètre et de 80 à 100m de longueur dans les procédé par voie sèche, à une température

comprise entre 1400 et 1500 °C, la cuisson permet la transformation du cru en clinker, le cycle de

du traitement comportant les phases suivantes :

Evaporation de l‟eau à 100 °C très faible, de l‟ordre de 1% ;

Départ de l‟eau combinée à l‟argile à 450 °C ;


33

La décarbonatation du calcaire qui s‟effectué à 950 °C dans la partie médiane du

four CaCO3 CaO+CO2

Combinaison de la chaux obtenue avec l‟argile, complète à 1450 °C pour obtenir les

silicates tri et bicalcique, l‟aluminate de chaux et l‟alumino-ferrite de chaux C2S, C3S,

C3A, C4AF qui constituent le clinker.

Refroidissement

Cette opération a pour but d‟abaisser la température de clinker à environ 50-250°C à la sortie du

four. Cette opération à une influence sur la qualité du ciment, un refroidissement trop lent

pouvant amener la libération de chaux libre et la transformation du C3S en C2S qui entraine une

baisse des résistances.

Broyage

Le broyage a pour objectif, d‟une part de réduire les granules de clinker en poudre, d‟autre part

de procéder à l‟ajout du gypse (dont le rôle est de réguler la prise), ainsi l‟ajout des autres

constituants (calcaire, pouzzolane, laitier...) ce qui permet d‟obtenir les différents type de ciments

normalisés.

Stockage et expédition

A la sortie du broyeur, le ciment est transporté vers des silos de stockage, pour être soit ensaché

soit expédié en vrac.

Figure 3.1. Fabrication de ciment par voie sèche


34

Figure 3.2 : Composition des quatre constituants du clinker dans le four

3.2.1.4 Équations de bogue (1955)

C‟est à partir du pourcentage de la composition chimique on détermine la composition minéralogique

des éléments qui compose le ciment (C2S, C3S..), au moyen d‟équations de bogue (1955), les équations

de bogue sont les suivantes :

Si Al2O3/Fe2O3 ≥ 0.64

%C3S = (4.071x%CaO) – (7.600x%SiO2) – (6.718x%Al2O3) – (1.430x%Fe2O3)-(2.852x%SO3)

%C2S = (2.876x%SiO2) – (0.7544x%C3S)

%C3A = (2.650x%Al2O3) – (1.692x%Fe2O3)

%C4AF = (3.043x%Fe2O3)

Si Al2O3/Fe2O3 < 0.64

%C3S = 4.071x%CaO – 7.600x%SiO2 – 4.479x%Al2O3 – 2.859x%Fe2O3 – 2.852x%SO3

%C2S = 2.867x%SiO2 – 0.7544x%C3S

%C3A = 0

%C4AF = 2.100x%Al2O3 + 1.702x%Fe2O3


35

Exemple:

Étant donné la composition d'oxyde suivante d'un clinker de ciment portland.

CaO=64.9% SiO2=22.2%

Al2O

3=5.8% Fe

2O3=3.1% SO3=0.74%

En utilisant les équations de Bogue calculé la composition minéralogique du clinker

C3S=50.02 %

C2S=2.876 × 22.2 - 0.7544×52.1 = 26.13%

C3A=2.65×5.8 - 1.692×3.1 = 10.13%

C4AF= 3.043 × 3.1= 9.4%

Pour voir l'effet de la modification de la composition chimique des oxydes sur la variation de la

composition minéralogique, supposons que CaO est de 63,9% et que SiO2 est de 23,2% et que les

autres oxydes sont identiques.

C3S=38,4% , C

2S=37,7% , C

3A=10% , C

4AF=9.4%

C3S changé de 52.1%→40.4%

C2S changé de 24.5%→36.2%

Un changement de 1% dans la composition chimique du CaO et SiO2 implique un changement de

plus de 10% dans la composition minéralogique du C3S et C2S.

3.2.1.5 Classe de résistance des ciments

Les ciments courants sont classés en fonction de leurs résistances mécanique à la compression en

MPA à 28 jours sur des éprouvettes de mortier 4*4*16cm3, la norme spécifiant une limite

inférieure et une limite supérieure.

Tableau 3.1 : Classe de résistance

Classe des ciments

Résistance à 2 jours

(MPa)

Résistance minimale

à 28 j (MPa)

Résistance maximale

à 28 j (MPa)

32.5

32.5R

42.5

42.5R

52.5

52.5R

/

≥13.5

≥13.5

≥20

≥20

≥30

≥32.5

≥32.5

≥42.5

≥42.5

≥52.5

≥52

≤52.5

≤52.5

≤62.5

≤62.5

/

/


36

3.2.1.6 Différents types de ciment courants

Selon que des constituants, autres que le gypse, sont ou non ajoutés au clinker lors des opérations

de fabrication, on obtient les différents types de ciments définis par la norme, le tableau ci-

dessous donne la liste des différents types de ciments normalisés.

Tableau 3. 2 : Classe des ciments selon la norme NF. EN. 197-1


37

3.2.1.7 Utilisations des ciments

CIMENT

Usages

CEMI

Béton armé en général coulé sur place ou préfabriqué.

Béton précontraint. Décoffrage rapide, mise en service rapide

Bétonnage jusqu’à une température extérieure entre 5 et 10°

C.

Béton étuvé ou auto-étuvé.

CEM II / A ou B

Ces ciments sont les plus couramment utilisés

CEM II/A ou B classe R : travaux nécessitant une résistance

initiale élevée (décoffrage rapide par exemple).

Béton en élévation, armé ou non, d’ouvrages courants.

Fondations ou travaux souterrains en milieux non agressifs.

Dallages, sols industriels.

Maçonneries.

Stabilisation des sols.

CEM III / A, B ou C

CEM V / A ou B

Travaux souterrains en milieux agressifs (terrains gypseux,

eaux d‟égouts, eaux industrielles…).

Ouvrages en milieux sulfatés : les ciments utilisés sont tous ES,

ciments pour travaux en eaux à haute teneur en sulfates, en

conformité à la norme NF P 15-319.

Travaux à la mer : les ciments utilisés sont tous PM, ciments

pour travaux à la mer, en conformité à la norme NF P 15-317.

Bétons de masse.

Travaux en béton armé ou non, hydrauliques et souterrains

(fondations).

Travaux nécessitant une faible chaleur d‟hydratation.

Stabilisation des sols.

3.2.2 Chaux hydrauliques naturelles

3.2.2.1 Rappel historique

Les chaux sont utilisées depuis des millénaires. Les Chinois, les Égyptiens, les Mayas ont

construit des édifices durables avec des mortiers à base de chaux à caractère hydraulique,

obtenues par cuisson des calcaires locaux. Plus près de nous, les Romains puis nos

ancêtres ont utilisé les mêmes procédés pour construire des ouvrages et des bâtiments qui font

partie de notre patrimoine.

3.2.2.2 Définition (Chaux hydraulique)

La chaux hydraulique naturelle est obtenue par calcination, à une température supérieure à

900 °C, de roches calcaires qui contiennent des éléments siliceux et alumineux. Au cours de

la calcination, il se forme simultanément:


38

– de l‟oxyde de calcium (chaux vive) provenant de la décomposition du carbonate de calcium,

constituant principal du calcaire: CaCO3 → CaO + CO2

Carbonate de calcium → oxyde de calcium + gaz carbonique

– des silicates et des aluminates de calcium provenant de la combinaison d‟une partie de la

chaux vive avec les éléments siliceux et alumineux.

À l‟issue de la calcination, les chaux sont hydratées pour éteindre la chaux vive non

combinée: CaO + H2O → Ca (OH)2

Cette réaction s‟accompagne d‟un fort dégagement de chaleur et provoque la pulvérisation du

produit. Les chaux éteintes sont généralement broyées. Les silicates et les aluminates de

calcium leur donnent la propriété de faire prise et même de durcir sous l‟eau. C‟est à cette

propriété qu‟elles doivent leur désignation « chaux hydrauliques naturelles ». Comme les

chaux aériennes (calciques ou dolomitiques) les chaux hydrauliques naturelles durcissent

également à l‟air par carbonatation lente. Selon la roche ou le constituant d‟origine et le

traitement subi, on obtient les différentes chaux figurant dans le tableau ci-dessous.

Tableau 3.3 : Déférents type de chaux

Les différents types de chaux

Matière

Calcination au-dessus

de 900 °C

Extinction par

hydratation

Après tamisage et

broyage, produits

commercialisés

Calcaire siliceux et

alumineux

Chaux vive + silicates

et aluminates

Caux éteinte + silicates

et aluminates

Chaux hydraulique

naturelle (NHL)

Calcaire à faible teneur

en silice et alumine

Chaux vive

Chaux éteinte

Chaux Calcique (CL)

Calcaire dolomitique à

faible teneur en silice

et alumine

Chaux Dolomitique

(DL)

Désignations issues de la normalisation européenne (NF EN 459-1) – NHL: Natural Hydraulic Lime – CL:

Calcium Lime – DL: Dolomitic Lime

3.2.2.3 Fabrication des chaux hydrauliques naturelles

Matière première

La roche calcaire est extraite de carrières à ciel ouvert ou souterraines. Après abattage,

elle est concassée et criblée.

La cuisson

La cuisson s‟effectue en général dans des fours verticaux à marche continue, dans lesquels sont intro-

duits dans la partie supérieure, par couches successives, la pierre calcaire et le combustible.


39

La matière descend lentement, en traversant d‟abord une zone de préchauffage, provoquant l‟évapora-

tion de l‟eau libre et la déshydratation (vers 200 °C). Elle traverse ensuite une zone de calcina-

tion où elle est décarbonatée (à partir de 900 °C). La zone de cuisson proprement dite, où se forment

les silicates et aluminates de calcium, se situe à une température variant entre 1000 °C et 1200 °C

selon la qualité de chaux recherchée.

L’extinction

La chaux recueillie à la sortie du four passe alors par une extinction contrôlée où, sous l‟action de

l‟eau, la pierre se pulvérise et la chaux vive est éteinte complètement, tout en respectant les sili-

cates et aluminates qui lui donnent naturellement son caractère hydraulique.

Broyage

Le matériau obtenu est généralement broyé, avec ou sans addition d‟autres constituants.

La normalisation des chaux hydrauliques naturelles (NHL) norme

NF EN 459-1

3.2.2.4 Classes de résistance

Les chaux hydrauliques naturelles (NHL) sont classées en fonction de leur résistance à 28

jours exprimée en N/mm 2 ou MPa (1 N/mm2 = 1 MPa). Il existe trois classes de

résistance désignées par la valeur minimale: 2, 3,5 et 5. À chaque classe correspond une plage

de variation entre cette valeur minimale et une valeur maximale, comme indiqué au tableau

ci-dessous.

Tableau 3.4: Classe de résistance de Chaux hydraulique

Exigences sur la résistance mécanique normalisée

Type de chaux Classe de résistance RC (Mpa) à 7 jours RC (Mpa) à 28 jours

NHL2

NHL3.5

NHL5

2

3.5

5

-

-

≥2

2≤RC≤7

3.5≤RC≤10

5≤RC≤15


40

Figure 3.3: Four vertical de fabrication de chaux

3.3 Liant aérienne

3.3.1 La chaux aérienne

On appelle la chaux, la chaux pure, c.-à-d. la chaux aérienne. Elle ne fait pas prise dans l‟eau

mais uniquement sous l‟action de l‟air (gaz carbonique CO2).

3.3.1.1 Fabrication

La chaux est le résultat de la cuisson d‟un calcaire pure (95-99.5% de CaCO3) bas

d´impuretés (< 5% matériaux argileux) (par exemple un marbre ou une craie). Cette cuisson

donne la chaux vive qui devient de la chaux éteinte par ajout d‟eau. Si cette extinction se fait

avec la quantité d‟eau juste nécessaire, on obtient une chaux aérienne éteinte en poudre. Pour

son utilisation, en ajoute de l‟eau pour obtenir une pâte.

Industriellement, pour obtenir de la chaux éteinte, il suffit d‟ajouter environ 32 grammes

d‟eau pour 100 grammes de chaux vive au départ. Cette opération est contrôlée précisément

dans un hydrateur. La chaux éteinte est au final une poudre sèche, utilisable dans un mortier.

Aspect chimique

Produit de départ: Calcaire = Carbonate de Calcium= CaCO3


41

La cuisson

Calcaire donne: la chaux vive + gaz carbonique par chauffage au-dessus de 900°C

CaCO3 900 C° CaO + CO2

L’extinction

Chaux vive + eau = chaux éteinte

L‟oxyde de calcium + l‟eau = hydroxyde de calcium

CaO +H2O Ca(OH)2

La prise

Chaux éteinte + gaz carbonique = calcaire + l‟eau qui s‟évapore

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O

3.3.1.2 La norme Européenne pour la chaux aérienne

EN 459 – Chaux de construction

Cette norme a été révisée en juin 2011, pour plus de clarté.

Sous cette norme, une chaux vive prend la dénomination CL-90-Q ;

Une chaux éteinte (que l‟on achète en sacs prêts à l‟emploi) prend la dénomination CL-90-S

CL signifie “Calcic Lime”, ou chaux calcique

La lettre « Q » est l‟abréviation de « Quicklime », ou chaux vive.

La lettre « S » est l‟abréviation de « Slaked lime » ou chaux éteinte

Tableau 3.5 : Pourcentage massique en fonction du type de chaux

Type de chaux

calcique

Valeurs données en pourcentage en masse %

CaO+MgO MgO CO2 SO3 Chaux libre

CL90 ≥90 ≤5 ≤4 ≤2 ≥80

CL80 ≥80 ≤5 ≤7 ≤2 ≥65

CL70 ≥70 ≤5 ≤12 ≤2 ≥55


42

Figure 3.4: Les étapes de fabrication de la chaux aérienne

3.3.2 Le plâtre

3.3.2.1 Introduction

Le plâtre est fabriqué à partir de gypse broyé que l'on va déshydrater en partie. Pour cela le

gypse est cuit à 160 °C ce qui retire une partie de l'eau. On obtient donc du sulfate de calcium

semi-hydraté (CaSO4. 1/2H2O). La fabrication du plâtre nécessite également qu'il soit pur à


43

90%. Ensuite il suffit de réhydrater la poudre de plâtre pour obtenir un enduit ou un mortier.

La vitesse de prise du plâtre dépend de la température de cuisson (un plâtre trop cuit prend

lentement), et de sa composition en éléments résiduels.

Le plâtre est un sulfate de calcium plus au moins hydraté, la pierre à plâtre se trouve dans la

nature sous 2 formes:

1. L‟anhydrite ou sulfate de calcium anhydre, assez rare qui répond à la formule chimique:

CaSO4

2. Le gypse ou sulfate de calcium à 2 molécules d‟eau de formule chimique: CaSO4.2H2O

3.3.2.2 Fabrication de plâtre

On distingue 5 étapes :

Un concassage des blocs de gypse.

Un tamisage, afin de ne conserver que les particules d'un diamètre inférieur à 40 mm.

Un mélange par une machine à marteaux afin d'homogénéiser ce plâtre qui n'est pur

qu'a 90%.

Une Cuisson dans un four (La température de cuisson du plâtre usuel est comprise

entre 120 et 160 °C environ). Le plâtre cuit remonte à l'extrémité du four, tandis que

les impuretés les plus lourdes tombent au fond.

Un Mélange avec d'autres produits permettant d'améliorer certaines propriétés (de

l'amidon pour améliorer son adhésion, des retardateurs pour modifier le temps de

prise...).

3.3.2.3 Température de cuisson

1-Entre 110 à 150 °C: le gypse pert l‟eau faiblement combinée en absorbant la chaleur. On

obtient le CaSO4.1/2H2O ou semi-hydraté qui est l‟état essential du plâtre.

2- entre 170 à 250 °C: on obtient l‟anhydrite CaSO4 instable, ajouté au plâtre ordinaire (étape

1) en active la prise, Le plâtre de construction courant est un mélange de semi-hydraté

(CaSO4.1/2H2O) et d‟anhydride (CaSO4) (2/3:1/3), l‟anhydride est un régulateur de prise.

3. Entre 300-600 °C: on obtient l‟anhydrite II entièrement déshydraté, encore capable de faire

prise en se combinant à l‟eau mais les délais plus longs, il est utilisable seul. On l‟ajoute en


44

proportion variable de l‟ordre de 30% au semis-hydrate dans la fabrication de plâtre pour

enduit

4. Entre 600 et 900 °C: on obtient un produit inerte incapable de faire prise

5. Vers 1110 °C: on obtient l‟anhydrite soluble à prise lente qui va de plusieurs heures à 15

jours et +, il est très rarement utilisé.

6. Vers 1350 °C: l‟anhydrite fond et se dissocie (ne sert plus à rien)

3.3.2.4 Utilisation dans le bâtiment

a. Enduits

Le plâtre mélange à la chaux aérienne (10 à 15%) et au sable donne un mortier très utilisé

comme enduit extérieur et intérieur.

On emploie le plâtre gros pour la première couche d‟application sur les plafonds et les murs,

pour les travaux de remplissage et pour les planchers.

On utilise le plâtre fin pour la dernière couche de finition.

b. Matériaux de construction

Le plâtre peut être armé de fibres pour constituer du plâtre armé. Le staff est du plâtre armé de

filasse de chanvre; il est utilisé en décoration.

Le plâtre sert à la fabrication de carreaux et plaques (sandwish de plâtre compris entre deux

feuillets de carton) utilisés souvent pour cloisonner.

3.4 Ajouts cimentaire

3.4.1 Définition

Les ajouts cimentaires sont des matériaux présentant une granulométrie très fine que l'on

incorpore le plus souvent au ciment, quelquefois également au béton. Les ajouts permettent

soit d'améliorer les caractéristiques du béton ou de lui conférer des propriétés spécifiques. Les

ajouts sont souvent meilleur marché que le ciment Portland et permettent d'obtenir un ciment

composé plus économique (voir la figure 3.5).


45

Figure 3.5 : Ajouts cimentaire

3.4.2 Avantages des ajouts cimentaires

Avantages fonctionnels

- Amélioration de la maniabilité et la réduction de la demande en eau;

- Diminution de la chaleur d‟hydratation dégagée du béton;

- Amélioration des propriétés mécaniques et de la durabilité du béton;

Avantages économiques

- Le coût des ajouts minéraux des sous-produits industriels est souvent égal au coût du

transport et de la manipulation;

- Réduction de la consommation d‟énergie, ce qui réduit le prix du ciment.

Avantages écologiques

- Diminution de l‟émission du CO2 dégagée par l‟industrie cimentaire.

- Elimination des sous-produits de la nature.

3.4.3 Classification des ajouts cimentaires

Selon la norme ENV 206, il existe deux types d‟addition:

3.4.3.1 Les additions de type I

Ce sont des matériaux quasiment inertes, spécialement sélectionnées qui, par leur composition

granulométrique, améliorent les propriétés physiques du ciment portland (ouvrabilité, pouvoir

de rétention d‟eau….). Parmi ces additifs on distingue le calcaire et la poussière;

Fillers : les fillers sont des produits obtenus par broyage de certaines roches

(calcaires, Basaltes, laitiers, Bentonites, …). Ces produits agissent grâce à une


46

granulométrie appropriée sur certaines qualités du ciment. Les roches dures, comme le

quartz, produisent généralement des particules plus anguleuses, dont la demande en

eau est supérieure à celle demandée par les fillers calcaires. Les fillers présentent une

certaine activité physico-chimique. Ils jouent tout d‟abord un rôle de nucléation vis-à-

vis de l‟hydratation du clinker. Cet effet n‟est cependant notable qu‟aux jeunes âges.

A long terme, les fillers siliceux peuvent contribuer faiblement à une réaction

pouzzolanique, alors qu‟en présence d‟aluminates, les fillers calcaires conduisent à

une formation rapide de composés appelés carbo-aluminates, ayant un certain pouvoir

liant.

Additions calcaire : le calcaire (CaCO3) appartient aux roches carbonatées riches

en chaux (CaO). Il est contenu dans la calcite, l‟aragonite ou la marne. Le calcaire

constitue une matière première pour la fabrication du ciment. Des études ont montré

certains avantages de l‟utilisation du calcaire comme ajout en remplacement du gypse

(EL-Alfi, 2000). Les deux principales caractéristiques du calcaire normalisé sont :

la teneur en carbonate de calcium (CaCO3) supérieure ou égale à 75 % en

masse ;

une valeur faible de l‟indice d‟activité.

3.4.3.2 Les additions de type II

Ce sont des matériaux finement broyés pouzzolanique. Ils ont une teneur élevée en dioxyde

de silicium seul ou, en dioxyde de silicium et oxyde d‟aluminium combinés. Parmi ces

additifs on distingue la fumée de silice, le laitier, les cendres volantes et les pouzzolanes

naturelles.

Pouzzolane naturelle

Les pouzzolanes naturelles sont des produits d‟origine volcanique, présentant des

propriétés pouzzolanique, elles sont essentiellement composées de silice réactive (dans

des proportions supérieures à 25%), d‟alumine et oxyde de fer.

Laitier de haut fourneau

Le laitier, sous-produit de la fabrication de la fonte brusquement refroidir par aspersion

d‟eau, est un matériau hydraulique lorsqu‟il est activé. Il se présente sous forme de

nodules dont la composition chimique comporte de l‟oxyde de calcium (CaO) dans des


47

proportions de l‟ordre de 40 à 50%, de la silice entre 25 et 30%, de l‟alumine entre 12 et

30% et d‟autres oxydes en très faibles quantités.

Cendre volante

Les cendres volantes, produits pulvérulents de grande finesse, provienne du dépoussiérage

des gaz des chaudières des centrales thermiques, du point de vue minéralogique, les cendres

volantes se divisent en deux catégories qui diffèrent l'une de l'autre par leur teneur en CaO, selon

la norme ASTM C 618-94 (1995):

- Classe F : les cendres volantes contenant moins de 10 % de CaO produit de la combustion de

l'anthracite et du charbon bitumineux ;

- Classe C : les cendres volantes contenant entre 15 % et 35 % de CaO produit de la combustion

du lignite ;

Les fumées de silice

Les fumées de silice sont formées de particules sphériques très fines (100 fois plus petites

que les grains de ciment), ayant une très haute teneur en silice amorphe (au moins 85% de

silice réactive). Leur très grande finesse (20 m²/g) provoque, dans le béton frais, une

agglomération importante, ou l'utilisation des super plastifiants est impératif pour dé

floculer cette agglomération. On restaure ainsi une partie de la finesse originelle des

particules, qui ont alors la capacité de se déplacer dans les interstices des grains de

ciment, diminuant la demande en eau du mélange (effet filler) lors de l‟hydratation, le

processus Pouzzolanique prend place, avec une intensité et une cinétique très grande à

celle que l‟on rencontre en présence des cendres volantes. La proportion de fumée de

silice dans le ciment est limitée à 10 % en masse, selon NA 442 et EN 197-1.

Métakaolin

Le méta kaolin est obtenu par calcination d‟argile kaolinitique à une température comprise

entre 650 et 850 °C, suivie d‟un broyage permettant d‟atteindre une finesse très élevée. La

formation du métakaolin est sensiblement influencée, par la présence d‟impuretés ou par l‟état

de cristallisation du minéral de départ. Le matériau obtenu présente une pouzzolanicité élevée

et peut être considéré comme une addition très active.


48

Figure 3.6 : Implantation des cimenteries en Algérie

49

Chapitre 4 :

Caractéristiques principales

des mortiers

Les mortiers.

50

4. Les mortiers

4.1 Définition

Le mortier à maçonnerie est un matériau polyvalent pouvant satisfaire à une variété

d'exigences parfois contradictoires. Toutefois, contrairement à l'opinion générale, il n'existe

pas de mortier «universel» convenant à toutes les situations. Le Concepteur ne pourra choisir

le mélange convenant le mieux pour un projet donné que s'il a une bonne connaissance des

matériaux qui entrent dans la composition du mortier et de leurs propriétés.

4.2 Composition

Les mortiers contiennent des liants, des granulats et de l'eau; des adjuvants ou des colorants

peuvent aussi être ajoutés.

Le liant peut être du ciment portland, de la chaux ou du ciment de maçonnerie, ou un des

divers mélanges de ces matériaux ces derniers doivent satisfaire aux normes respectives de

l'AFNOR.

Ciment portland donne au mortier de maçonnerie sa résistance mécanique, en

particulier sa résistance initiale, qui est indispensable à une époque où la vitesse de

construction est telle que l'on exige qu'un mur puisse supporter une charge importante

le lendemain même de sa construction. Les mortiers de ciment portland manquent de

plasticité, ont un faible pouvoir de rétention d'eau et sont malaisés à travailler.

Ciment de maçonnerie : est un produit déposé contenant du ciment portland et un

filler minéral inerte (calcaire) et des adjuvants tels que des agents mouillants, des

agents hydrofuges et des entraîneurs d'air.

Chaux, qui est le composant traditionnel du mortier, possède une plasticité et un

pouvoir de rétention d'eau excellent, mais sa résistance mécanique est faible et sa cure

est lente. La chaux grasse, obtenue par extinction de la chaux vive et en la laissant

vieillir, est le produit de qualité que l'on devrait utiliser, mais le vieillissement prend

beaucoup de temps et le travail de la chaux grasse est très salissant.

Granulats Le sable est le granule employé le plus fréquemment. Il est inerte et sert

tout d'abord à accroître la compacité. Ses limites granulométriques sont entre 0,080

mm et 4 mm. Malheureusement, la plupart des granulats sont choisis pour des raisons

de coût et de disponibilité, et il est bien connu qu'en Afrique un grand nombre des

granulats employés ne sont pas conformes aux exigences granulométriques puisqu'ils

contiennent en général trop d'éléments fins. Il peut y avoir une certaine variation

Les mortiers.

51

granulométrique sans que les propriétés du mortier soient fortement altérées, mais la

qualité du mortier serait certainement améliorée si on choisissait le granulat avec plus

de soin.

Eau : L'eau remplit un double rôle: elle sert à hydrater le ciment, et, ce qui est plus

important, elle contribue à son ouvrabilité. Il convient de noter que les exigences

relatives à l'eau de gâchage diffèrent beaucoup pour les mortiers et le béton. Dans le

cas du béton un faible rapport eau-ciment est préférable. Les mortiers devraient

contenir la quantité d'eau maximale compatible avec une ouvrabilité optimale. L'eau

devrait être propre et ne pas contenir de produits nocifs tels que des acides, des alcalis

ou des matières organiques.

Adjuvants : de nombreux adjuvants sont employés pour les mortiers de maçonnerie et

dans certains cas leur emploi est certainement avantageux. Cependant, leur emploi

n'est généralement pas recommandé. Une bonne composition du mélange, l'utilisation

de matériaux de qualité et une bonne technique permettent habituellement d'obtenir

une maçonnerie solide.

4.3 Essais sur mortiers

Les mortiers sont homologués en fonction d'essais de laboratoire utilisant les matériaux dans

les proportions requises pour un ouvrage donné. Il convient de noter que les mortiers préparés

en laboratoire ont une valeur de fluage inférieure à celle des mortiers préparés sur le chantier

(autrement dit les mortiers de laboratoire ont une plus faible teneur en eau). Par conséquent

les échantillons de mortier recueillis sur un chantier de construction auront des valeurs de

résistance mécanique inférieures à celles des mortiers préparés en laboratoire. Cette différence

essentielle entre les essais de laboratoire et les essais effectués sur le chantier n'a pas toujours

été comprise et a été une source de confusion.

4.4 Types de mortier

Les mortiers de ciment : Les mortiers de ciment, très résistants, prennent et

durcissent rapidement. De plus un dosage en ciment insuffisant les rend pratiquement

imperméables. Les dosages courants sont de l‟ordre de 300 à 400 kg de ciment pour 1

m3 de sable.

Les mortiers de chaux : Les mortiers de chaux sont gras et onctueux. Ils durcissent

plus lentement que les mortiers de ciment, surtout lorsque la chaux est calcique.

Les mortiers bâtards : Le mélange de ciment et de chaux permet d‟obtenir

conjointement les qualités de ces deux liants. Généralement, on utilise la chaux et le

Les mortiers.

52

ciment par parties égales; mais on mettra une quantité plus ou moins grande de l‟un ou

de l‟autre suivant l‟usage et la qualité recherchée.

4.5 Propriétés des mortiers

D'après leurs propriétés, les mortiers se subdivisent en deux catégories: les mortiers plastiques

et les mortiers durcis.

4.5.1 Mortier plastique

La propriété la plus importante du mortier plastique est son ouvrabilité. On peut la définir

comme la propriété du mortier à s'étaler à la truelle pour colmater toutes les fentes et fissures

de l'élément de maçonnerie. En réalité, c'est une combinaison de plusieurs propriétés,

comprenant la plasticité, la compacité et la cohérence. L'ouvrabilité ne se mesure pas avec

précision en laboratoire mais le maçon peut l'évaluer en observant le comportement du

mortier lorsqu'il l'étale avec sa truelle. L'ouvrabilité est due à l'effet de (roulement à billes)

résultant de la lubrification des granulats par le lait de ciment. Bien que la classe des granulats

et la proportion des matériaux jouent un rôle important, c'est la teneur en eau qui détermine

les valeurs finales du retrait et le maçon peut la contrôler à la mise en œuvre. Une bonne

ouvrabilité et un bon pouvoir de rétention d'eau sont essentiels à une qualité maximale du

rejointoiement.

Mesure de l’ouvrabilité du mortier

L‟essai d‟étalement permet de déterminer l‟étalement des échantillons de mortiers destiné à la

confection des éprouvettes de compression. L‟essai d‟étalement est réalisé sur une table

mobile comportant un plateau plan relié par charnières à une base rigide. Un moule en forme

de tronc de cône de diamètre à la base D0=10 cm posé au centre du plateau (figure 4.1).

Figure 4.1 : Table à choc

Les mortiers.

53

Le moule et le plateau sont préalablement huilés. Le cône est rempli par une quantité de

mortier par couches successives, chaque couche est compactée par piquage à l‟aide d‟une tige.

On remonte verticalement le moule sans mouvement latéral et on laisse le mortier s‟étaler sur

la plaque métallique. En utilisant la manivelle, on applique 15 cycles de chute. Chaque cycle

dure entre 1 et 3 secondes. La hauteur de chute du plateau mobile est de 15 mm (figure 4.2).

On mesure différents diamètres Di qu‟occupe le mortier étalé sur la table, et on calcule

l‟étalement comme suit :

Etalement =

Avec :

dm : le diamètre moyen du mortier étalé.

d0: le diamètre de la base du moule tronconique.

Figure 4.2 : Essai d‟étalement des mortiers

Le tableau 4.1 montre l‟ouvrabilité du mortier en fonction des résultats d‟étalement trouvés à

l‟aide de la table à chocs.

Tableau 4.1 : Ouvrabilité du mortier

Ouvrabilité Etalement à la table (%) Très ferme 10-30

ferme 30-60

Normal (plastique) 60-80

Mou (très plastique) 80-100

Très mou à liquide >100

Exemple :

Soit un mortier normal avec un diamètre moyen après l‟essai d‟étalement dm= 17 cm. Le

moule de cône de diamètre à la base d0=10 cm.

Etalement (%) =

0

Les mortiers.

54

D‟après le tableau 4.1 : pour un étalement de 70 on aura une ouvrabilité normale (plastique).

4.5.2 Mortier durci

Le mortier durci possède un certain nombre de propriétés de résistance mécanique

d'importance majeure. La solidité du rejointoiement entre le mortier et l'élément est très

importante, ainsi que la bonne ouvrabilité et un bon pouvoir de rétention d'eau donnent au

rejointoiement une force maximale et par le fait même ces qualités sont plus importantes que

la résistance du mortier à la compression. La résistance à la flexion est également importante,

parce qu'elle détermine la capacité d'un mortier à résister à la fissuration. Les mortiers

devraient toujours avoir moins de résistance que les éléments de maçonnerie pour que les

fissures se produisent dans les joints, où elles peuvent être facilement colmatées.

Essai de la résistance à la traction par flexion

La résistance à la traction par flexion des mortiers a été évaluée par des essais de flexion 3 points

effectués sur des éprouvettes prismatiques 4×4×16 cm3, avec une vitesse de chargement de 50

N/s.

Figure 4.3 : Schéma de calcul de la flexion

Les mortiers.

55

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