TECHNOLOGIE DES MATERIAUX DE CONSTRUCTION

NOTES DE COURS SAMIA HANNACHI

SOMMAIRE

Classification et proprits des matriaux de construction..01Les granulats..12Les liants20Le bton.29Les mtaux et alliages42Les cramiques et verres57Les polymres et composites.68

Chapitre 1: Classification et proprits des matriaux

Introduction

DfinitionUn matriau est une substance ou une matire d'origine naturelle ou artificielle utilise pour la fabrication d'objets, de machines, ou pour la construction de btiments. dictionnaire Larousse 2001

Il existe plusieurs familles de matriaux et plusieurs classifications possibles.Suivant leurs origines:Les matriaux naturels :Les matriaux naturels sont, comme leur nom l'indique, issus de la nature. Les matriauxOrigine animaleOrigine minraleOrigine vgtalenaturels peuvent tre dorigine animale comme la laine ou le cuir, dorigine vgtale comme le coton ou le bois, dorigine minrale comme la pierre ou l'argile.

Les matriaux artificiels :Les matriaux artificiels sont issus de la nature, mais ils sont transforms par lhomme avant utilisation. Cest le cas de la plupart des mtaux extraits partir du minerai, ou du verre fabriqu partir de la silice. Matriau artificiel (verre)

Les matriaux synthtiques :Les matires premires utilises pour la production des matriaux synthtiques sont bien sur issues de la nature, comme le ptrole par exemple. Cependant les matriaux synthtiques sont crs par lhomme partir de procds chimiques ce qui les diffrencie des autres matriaux. Les matriaux synthtiques les plus connus sont les matires plastiques.Matriau synthtique (plastique)

Classification des matriaux de construction

2.1 GnralitsSont considrs comme matriaux de construction tous les matriaux utiliss pour la ralisation de btiments (habitation, industriels,) ou ouvrage dart.

Il existe 3 grandes familles de matriaux de base:Les mtauxLes cramiques et verresLes polymres (organiques + plastiques)

Classification des matriauxEnduitPeintureBitumePierres Terres cuitesBtonsAciersBois

Les mtauxLes cramiquesLes polymres

Les matriaux de protectionLes matriaux de constructionMatriaux compositesMatriaux de base

2.2 Classification des matriauxa- Classification scientifiqueDans la science des matriaux, selon la composition et la structure, les matriaux sont classs comme suit : Mtaux et alliages : Polymres : Cramiquesb- classification en matriaux de base et produits : Matriaux de base ou matire premire (Argiles, pierres, bois, calcaire, mtaux Matriaux produits et composites; ciment (calcaire + argile), alliages, bton, ..)c- Classification pratique :Dans la construction, les matriaux sont classs selon le domaine demploi et selon leurs proprits principales (Rsistance, compacit,..) comme suit : Les matriaux de construction (ou de rsistance) : matriaux qui ont la proprit de rsister contre des sollicitations (forces) importantes (poids propre, surcharge, sisme, chaleur, ..) : Pierres, bois, bton, mtaux, terre cuite (Brique), etc. Les matriaux de protection : matriaux qui ont la proprit d'enrober et de protger les matriaux de construction principaux: revtement; enduits, peintures, bitumes, etc.N.B.Rcemment, laspect cologique du matriau (Emission des gaz effet de serre lors de lexploitation, de la production, du transport ou de la mise en uvre), est considr comme trs important dans le choix du matriau.

1. Proprits des matriaux (Rappel)

Grandeurs physiques, chimiques ou mcaniques, propres au matriau. Elles sont dtermines exprimentalement.Les proprits principales des matriaux peuvent tre divises en plusieurs groupes tels que: Proprits physiques: (la densit; la masse volumique, l'humidit, la porosit, l'absorption, la permabilit, le retrait (le gonflement) etc..) ; Proprits chimiques: (corrosion chimique, lattaque de lacide, etc..) Proprits mcaniques: (la rsistance en compression, en traction, en flexion, torsion etc..) Proprits thermiques: (la dilatation, la rsistance et comportement au feu, etc..)Les caractristiques et proprits mcaniques principales dun matriau sont: la rsistance la compression, la rsistance la traction, le module dlasticit, le fluage, la fatigue, etc. Elles refltent le comportement des matriaux sous leffet des forces appliques.

3.1 Les proprits physiques La densit.En sens physique ; cest le degr de remplissage de la masse dun corps par la matire solide. Elle est calcule par le rapport de la masse volumique de ce matriau celle de l'eau une temprature. Elle est exprime sans unit.La masse volumique apparente.Cest la masse dun corps par unit de volume apparent en tat naturel (y compris les vides et les capillaires).Elle est exprime en (gr/cm3 ; kg/m3; T/m3).

La masse volumique absolue.C'est la masse dun corps par unit de volume absolu deElle est exprime en (g/cm3, kg/m3ou T/m3). (porosit des grains exclus), aprs passage ltuve 105 C, note ou e

D'abord on remplit le tube gradu deau (N 1), ensuite on verse lchantillon sec dans le tube et le niveau de leau va augmenter (N 2 ). N 2 - N 1 est le volume absolu. La masse volumique absolue peut se calculer :

La porosit et compacit- Porosit: La porosit est le rapport du volume vide au volume total.

On peut aussi dfinir la porosit comme le volume de vide par unit de volume apparent.

La porosit et la compacit sont lies par la relation suivante:p + c = 1La porosit et la compacit sont souvent exprimes en %. La somme des deux est alors gale 100%.Lhumidit : teneur en eauLhumidit est lune des proprits importante des matriaux de construction. Cest la teneur en eau relle contenue dans les pores dun matriau. En gnral lhumidit est note W et est exprime en pourcentage (%). On peut dterminer lhumidit dun matriau en utilisant la formule suivante:

oMsec est la masse sche de lchantillon (aprss passage ltuve)Mhum est la masse humide de lchantillon.Le degr dhumidit des matriaux dpend de beaucoup de facteurs, de latmosphre o ils sont stocks, le vent, la temprature et de la porosit du matriau.Msec : masse sche (schage 105C) ; Msat : masse humide.

La capacit dabsorption de leau :Labsorption deau par immersion est la diffrence entre la masse dun chantillon satur dans leau et sa masse ltat sec.Essai :- Scher un chantillon dans une tuve 105C soit Msec.- Immerger lchantillon dans leau jusqu saturation (M 2 mm doit tre < 1,5.Dans le cas des sables, le degr de propret est fourni par lessai appel quivalent de sable piston PS (norme P 18-597) qui consiste sparer le sable des particules trs fines qui remontent par floculation la partie suprieure de lprouvette o lon a effectu le lavage. Lessai est fait uniquement sur la fraction de sable 0/2 mm. La valeur de PS doit selon les cas tre suprieure 60 ou 65.

2. Les caractristiques mcaniques

Mthodes de mesures

Les caractristiques mcaniques des granulats ne sont pas dtermines par des essais habituels de traction ou de compression. Par contre, il existe des essais tentant de reproduire certaines sollicitations propres des usages spcifiques des granulats, par exemple le degr dusure pour les granulats utiliss pour les btons routiers.

Essai Micro DevalCest un essai dont le principe est de reproduire, dans un cylindre en rotation, des phnomnes dusure. Les modalits de cet essai font lobjet de la norme NF P 18-572.

Essai Los AngelesLe principe de cet essai est la dtermination de la rsistance la fragmentation par chocs et lusure par frottements rciproques. Il fait lobjet de la norme NF P 18-573.Le coefficient Los Angeles calcul partir du passant au tamis de 1,6 mm, mesur en fin dessai, caractrise le granulat.Pour des granulats susceptibles dtre soumis aux effets du gel, on peut mesurer le coefficient Los Angeles aprs une srie de 25 cycles gel/dgel ( 25 C, + 25 C) et le comparer au coefficient de rfrence.La valeur du coefficient - LA - est limite 30 pour les usages autres que routiers.

Catgories des granulats selon la rsistance aux chocs et l'usure

Chapitre 3: Les liants

1. Dfinition

Produits utiliss pour lier ou agglomrer entre eux dautres matriaux.Selon leur composition, les liants peuvent tre classs en deux grandes familles: Les liants minraux: selon leur mode de durcissement, ils peuvent tre classs en deux familles: Les liants ariens: durcissement l'air d une raction de carbonatation: chaux ariennes, pltres, argiles; Les liants hydrauliques: durcissement en milieux humides ou dans leau d une raction d'hydratation de silicates ou d'aluminates: chaux hydrauliques, ciment prompt, ciments (ciment Portland), laitiers. Les liants organiques: Les liants hydrocarbons: bitumes, goudrons; Les rsines et surtout les polymres: les aminoplastes, par exemple, sont des polymres largement utiliss comme liants dans l'industrie du bois et de ses drivs.

Il existe deux types de liants hydrauliques : la chaux et le ciment. Ces deux liants hydrauliques diffrent de par leur mode de fabrication. Ils sont labors partir de pierre calcaire principalement.

2. Note historique

La chaux, connue depuis lantiquit:1756, Smeaton en Angleterre, dcouvre que les chaux qui prsentent les meilleures proprits hydrauliques sont celles contenant des matires argileuses1796, Parker en Angleterre, dveloppe le ciment Roman en calcinant certains gisements naturels de calcaire argileux1813-28, Vicat en France, met en vidence le rle de largile et fabrique un ciment partir dun mlange intime de calcaire et dargile.1824, Joseph Aspdin en Angleterre, fabrique et brevte une chaux hydraulique laquelle il donne le nom de ciment Portland, car sa couleur, aprs prise, ressemble la pierre de Portland.1835, Issac-Charles Johnson qui travaille dans une usine de ciment, observe que les morceaux trop cuits donnent, aprs mouture, un meilleur ciment. Il augmente la temprature de cuisson et donne naissance au vritable ciment Portland.1838, William Aspin produit le ciment Portland ct de la Tamise et convainc Brunel de lutiliser pour rparer son tunnel sous la Tamise la 1re utilisation du ciment Portland dans le gnie civil.

3. Fabrication du ciment

Le constituant principal des ciments est le clinker, qui est obtenu partir de la cuisson dun mlange appropri de calcaire et dargile, en proportion respective moyenne de 80 %/20 %. Les diffrentes tapes de la fabrication sont dcrites ci-aprs.

Extraction : une cimenterie dispose d'une carrire de calcaire et d'une carrire d'argile. Les matires premires sont extraites et les blocs obtenus sont concasss pour obtenir des lments infrieurs 50 mm.

Prparation du mlange : les matires premires sont trs soigneusement doses et mlanges de faon obtenir une composition parfaitement rgulire. Le mlange est trs finement broy dans des broyeurs rotatifs boulets. I1 est ensuite prpar la cuisson suivant diffrents procds. Le cru se prsente sous forme d'une pte liquide dans la voie humide, d'une farine dans la voie sche, de granules dans la voie semi-sche.

Cuisson : La cuisson se fait une temprature de 1450 c. Elle est trs gnralement ralise dans un four rotatif dans lequel la matire chemine lentement, venant la rencontre de la source de chaleur.

Broyage : Le clinker est finement broy pour obtenir le ciment portland. Il est incorpor du gypse >5%) pour rgulariser sa prise. Les autres ciments sont obtenus en ajoutant dautres constituants.

Procds de prparation du mlange du Ciment

Procd par voie sche: prchauffe (en poudre) 800C par les gaz du four; Procd par voie demi-sche: la poudre est agglomre sous forme de boulettespar ajout de 12 14 % d'eau; Procd par voie humide: la matire premire est additionne d'eau ds le broyage etmanipule sous forme de pte fluide introduite par pompage dans des fours.

4. Les principaux constituants du ciment

ClinkerConstituant de base du ciment, il rsulte de la calcination haute temprature (1 450C) dun mlange homogne de calcaire et dargile, appel cru. Il entre dans la composition de tous les ciments courants.Laitier de haut fourneauRsidu de lindustriel sidrurgique, il est issu du refroidissement rapide de la scorie fondue provenant de la fusion du minerai de fer. Ce matriau prsente des caractristiques hydrauliques latentes.Pouzzolane naturelleDorigine volcanique, cet lment compos de silice, dalumine et doxyde de fer, amliore la qualit hydraulique des ciments.Cendres volantesElles proviennent du dpoussirage des gaz de chaudires alimentes au charbon pulvris. Mlanges au clinker, elles se comportent comme les pouzzolanes.Fumes de siliceParticules sphriques trs fines, elles sont obtenues par broyage de quartz. Leur ajout permet de fabriquer des btons trs performants en termes de rsistance.Additifs Autres constituants servant amliorer la fabrication du ciment ou de ses proprits. Leur quantit globale ne peut pas dpasser 1 % en masse de ciment. Cette limite est 0,5 % pour les additifs organiques (extrait sec).

5. Classification des Ciments / dsignation

Ciment promptCiment prompt est un liant naturel obtenu partir de la cuisson temprature modre (entre 500 et 1 200 C) dun calcaire argileux de composition rgulire, suivie par un broyage trs fin. Il se caractrise par une prise et durcissement trs rapide (en quelques minutes), une bonne adhrence et une rsistance aux eaux agressives. Il est de couleur jaune ocre brune.Le ciment prompt est utilis pour les travaux de scellement, calage, enduits, montage de cloisons, rparation de sols, les travaux en milieu humide, les moulages, les pices prefabriques.Ciment alumineuxLe ciment alumineux fondu est ralis base daluminates de calcium (contrairement au ciment courant qui est base de silicates de calcium). Il est utilis comme liant hydraulique ou comme ractif minral associ dautres composants. Il rsiste bien aux agents agressifs et aux hautes tempratures. Il est lorigine de nombreux produits techniques tels que mortiers spciaux, btons rfractaires

6. Principales caractristiques des ciments

Le ciment se caractrise par un certain nombre de critres mesurs de faon conventionnelle, soit sur la poudre, soit sur la pte, soit sur le mortier normal (mlange normalis de ciment, de sable et deau dfini par la norme NF EN 196-1).

Caractristiques de la poudre

La surface spcifique (finesse Blaine) permet de mesurer la finesse de mouture dun ciment. Elle est caractrise par la surface spcifique ou surface dveloppe totale de tous les grains contenus dans un gramme de ciment (norme NF EN 196-6). Suivant le type de ciment, cette valeur est gnralement comprise entre 2 800 et 5 000 cm2/g.

La masse volumique apparente reprsente la masse de la poudre par unit de volume (vides entre les lments inclus). Elle est de lordre de 1 000 kg/m3 (1 kg par litre) en moyenne pour un ciment.

La masse volumique absolue reprsente la masse de la poudre par unit de volume (vides entre les lments exclus). Elle varie de 2 900 3 150 kg/m3 suivant le type de ciment.

Caractristiques mesures sur pte ou sur mortier normal

Les ractions qui se passent ds le dbut du gchage et se poursuivent dans le temps sont extrmement complexes.Cest le dveloppement et la multiplication de ces micro-cristaux dans le temps qui expliquent laugmentation des rsistances mcaniques. Le ciment durci est une vritable roche artificielle qui volue dans le temps et en fonction des conditions extrieures.Avant datteindre son stade final, lvolution du ciment passe par trois phases successives.

Phase dormanteLa pte de ciment ciment + eau reste en apparence inchange pendant un certain temps (dequelques minutes plusieurs heures suivant la nature du ciment). En fait, ds le malaxage, les premires ractions se produisent, mais sont ralenties par la prsence du gypse.

Dbut et fin de prise Aprs une deux heures pour la plupart des ciments, on observe une augmentation brusque de la viscosit : cest le dbut de prise, qui est accompagn dun dgagement de chaleur. La fin de prise correspond au moment o la pte cesse dtre dformable et se transforme en un matriau rigide.Le dbut de prise est dtermin par linstant o laiguille de Vicat aiguille de 1 mm2 de section pesant 300 g ne senfonce plus jusquau fond dune pastille de pte pure de ciment. Les modalits de lessai font lobjet de la norme NF EN 196-3.Suivant les types de ciment, le temps de dbut de prise doit tre suprieur 45 minutes ou 1 heure. DurcissementOn a lhabitude de considrer le durcissement comme la priode qui suit la prise et pendant laquelle lhydratation du ciment se poursuit. La rsistance mcanique continue crotre trs longtemps, mais la rsistance 28 jours est la valeur conventionnelle.

Lexpansion se mesure suivant un essai normalis (norme NF EN 196-3) et grce aux aiguilles de Le Chatelier. Il permet de sassurer de la stabilit du ciment. Lexpansion ne doit pas tre suprieure 10 mm sur pte pure pour tous les ciments(conformment la norme NF EN 197-1).

Le retraitLa mesure du gonflement dans leau et du retrait dans lair est effectue sur prisme de 4 x 4 x 16 cm sur mortier normal (norme NF P 15-433). Le retrait est limit 0,8 mm/m ou 1 mm/m suivant le type de ciment.

7. Classification des Ciments / classe de rsistanceLes rsistances mcaniques, mesures sur prouvettes de mortier normal, caractrisent de faon conventionnelle la rsistance du ciment dfinie par sa valeur nominale. Cette valeur est la limite infrieure de rsistance en compression 28 jours. Les classes de rsistanceLes ciments sont rpartis en trois classes, 32,5 - 42,5 - 52,5, dfinies par la valeur minimale dela rsistance normale du ciment 28 jours.La rsistance normale dun ciment est la rsistance mcanique la compression mesure 28 joursconformment la norme EN 196-1 et exprime en N/mm2 (1 N/mm2 = 1 MPa = 10 daN/cm2 = 10 bars).

La classe R correspond une rsistance au jeune ge plus leve que la classe normale correspondante (N).Classification des diffrents types de ciments suivant les normes algriennes: ciment Portland : CPA CEM I ; ciment Portland compos : CPJ CEM II/A ou B ; ciment de haut fourneau : CHF CEM III/A ou B et CLK CEM III/C ; ciment pouzzolanique : CPZ CEM IV/A ou B ; ciment au laitier et aux cendres : CLC CEM V/A ou B.Les constituants de ces types de ciments doivent tre conformes aux valeurs fixes dans le tableau 1

(1) Les valeurs indiques se rfrent au noyau du ciment (*), lexclusion des sulfates de calcium et des additifs.(2) Les constituants secondaires peuvent tre du filler ou bien un ou plus des constituants principaux, sauf lorsque ceux-ci sont incorpors en tant que constituants principaux du ciment.(3) La proportion de fumes de silice est limite 10 % dans tous les ciments.(4) La proportion de filler est limites 5 %.(5) Le fabricant est tenu une dclaration de composition stipulant les constituants utiliss et la proportion de chacun deux; il sengage ne pas faire varier ces proportions au-del dune fourchette de plus ou moins 5 points, le clinker tant aussi un constituant. La forme et les modalits dapplication de cette dclaration sont dfinies dans lannexe B de la norme NA 442 - 2000.(*) Le noyau du ciment est une fraction ne comprenant que les constituants principaux et secondaires, donc ni le sulfate de calcium ni les additifs ventuels.N.B : Les lettres A, B, C fournissent une information sur la proportion de constituants autres que le clinker.

(*) La lettre R indique que le ciment a une rsistance leve au jeune ge.1) Li : Limite infrieure nominale pour une spcification donne, respecte avec probabilit de 95 % pour les rsistances et de 90 % pour les autres proprits.2) Ls : Limite suprieure nominale pour une spcification donne, respecte avec une probabilit de 90 %.

Chapitre 4: Le bton

1. Gnralits

Le bton est un matriau composite agglomr constitu de granulats durs de diverses dimensions colles entre eux par un liant.

Types de liants: Ciment (Bton hydraulique); Bitume, goudron, asphalte (Bton hydrocarbon); Rsine (Bton de rsine) (liant de polymre thermoplastique/thermodurcissable); Argile (bton d'argile).

Types de granulats : grains de pierre, sable, gravier, cailloux; autres.

Bton hydraulique est constitu : dune pate (ciment + eau), dun mlange granulaire, de produits additionnels (adjuvants, additions minrales,).On dsigne par: Matrice (mortier): le mlange liant + sable + eau, Squelette: le mlange des granulats

Le ciment est un liant hydraulique qui se prsente sous la forme dune poudre minrale fine shydratant en prsence deau. Il forme une pte faisant prise qui durcit progressivement lair ou dans leau. Cest le constituant fondamental du bton puisquil permet la transformation dun mlange sans cohsion en un corps solide (voir. cours sur les ciments).Les granulats (sables, gravillons) constituent le squelette du bton. Ils doivent tre chimiquement inertes vis--vis du ciment, de leau et de lair. On utilise en gnral, pour les ouvrages courants, des granulats constitus uniquement par du sable et des gravillons. On emploie galement des granulats lgers qui sont le plus souvent artificiels et fabriqus partir de matires minrales, comme les argiles, les schistes (argiles expanses) et les silicates (vermiculite et perlite). Les premiers permettent la fabrication de btons de structure lgers, dont la rsistance peut atteindre de 40 50 MPa. Les seconds servent la fabrication de parois en bton trs lger, fort pouvoir disolation thermique. Le poids volumique apparent de ces granulats varie denviron 0.6 8 kN/m3. Malgr leur intrt technique, leur cot nergtique de fabrication en rduit lemploi des applications particulires. Les granulats lourds sont soit des riblons ou de la grenaille de fer, soit des minraux naturels comme la magntite, la limonite ou la barytine. Ils sont utiliss dans les btons destins assurer une protection contre les rayonnements atomiques. Leur poids volumique apparent varie de 30 50 kN/m3.

Les additions minrales (ultrafines) sont des particules de faibles dimensions qui, ajoutes en quantits de lordre de 10% du poids de ciment, amliorent notablement les performances et la durabilit du bton grce leurs proprits physico-chimiques (cendres volantes, laitier, fillers, ...). Les fumes de silice, ou micro silices, sont les plus utilises, ce sont des oxydes de silicium structure amorphe en forme de microsphres de diamtre de lordre de 10 m.

L'eau (de gchage) : de faon gnrale, leau de gchage doit avoir les proprits de leau potable. Il est exclu demployer de leau de mer, qui contient environ 30 g/l de chlorure de sodium, pour la fabrication de btons arms ou prcontraints.Les adjuvants sont des produits chimiques incorpors au bton frais en faibles quantits (en gnral moins de 3% du poids de ciment, donc moins de 0.4% du poids du bton) afin den amliorer certaines proprits. Leur efficacit est lie lhomognit de leur rpartition dans la masse du bton. Les principaux adjuvants sont : les plastifiants, qui jouent un double rle. Ils permettent, dune part, dobtenir des btons frais consistance parfaitement liquide, donc trs maniables, par dfloculation des grains de ciment. A maniabilit donne, ils offrent, dautre part, la possibilit de rduire la quantit deau ncessaire la fabrication et la mise en place du bton. La rsistance du bton durci peut ainsi tre notablement augmente. La dure daction de ces adjuvants est de 1 3 heures, les retardateurs de prise du ciment, qui prolongent la dure de vie du bton frais. Ils trouvent leur utilisation dans le transport du bton sur de grandes distances ou la mise en place par pompage, en particulier par temps chaud. Ils sont aussi employs pour viter toute discontinuit lors de reprises de btonnage, les acclrateurs de prise et de durcissement, qui permettent, pour les premiers, la ralisation de scellements ou dtanchements et, pour les seconds, une acquisition plus rapide de rsistance au bton durci, les entraneurs dair, qui confrent au bton durci la capacit de rsister aux effets de gels et de dgels successifs en favorisant la formation de microbulles dair rparties de faon homogne. Le volume dair occlus doit tre de lordre de 6% de celui du bton durci.2. Ouvrabilit (caractristique principale bton frais)

L'ouvrabilit caractrise l'aptitude d'un bton (frais) remplir les coffrages, et enrober convenablement les armatures. Elle doit donc tre telle, que le bton soit maniable et qu'il conserve son homognit.

2.1 IntroductionL'ouvrabilit est caractrise par une grandeur reprsentative de la consistance du bton frais. Dans le cas de btons classiques, elle est principalement influence par : la nature et le dosage du liant, la forme des granulats, la granularit, la granulomtrie, le dosage en eau.

Le rle de l'eau est prpondrant pour l'ouvrabilit du bton frais et sur les proprits du bton durci : L'eau donne au bton sa maniabilit, d'une part par son action lubrifiante sur les diffrents grains, d'autre part par la cohsion due la pte provoque par l'association des grains fins (ciment et fines) avec elle. L'eau permet l'hydratation du ciment et donc le durcissement du bton. Un ciment Portland demande environ 25% de son poids en eau pour s'hydrater compltement (sous rserve des problmes de flocs et d'expansion. Toute variation de la quantit d'eau entrane des modifications de la vitesse de durcissement et des performances mcaniques.

Le dosage en eau ne peut pas tre augment au-del d'une certaine valeur afin d'amliorer l'ouvrabilit sans entraner des inconvnients. Les consquences d'un excs d'eau sont : risque de ressuage, augmentation du retrait, augmentation de la porosit, dfectuosit du parement : bullage, risque de sgrgation des constituants du bton, diminution de la compacit et corrlativement des rsistances,

Le dosage en eau doit donc tre limit au 'juste ncessaire' l'hydratation du liant et aux exigences d'ouvrabilit.

Mesure et contrle de l'ouvrabilitDe nombreux essais et tests permettent de mesurer les caractristiques dont dpend l'ouvrabilit d'un bton. Les plus utiliss dans la pratique sont:

- l'affaissement au cne d'Abrams- le maniabilimtre LCPC- l'talement la table secousses- le test CES (pour les ouvrages en BA)- le plasticimtre rotation

2.2 Affaissement au cne d'Abrams (Slump test)

La consistance du bton est donne suivant les valeurs donnes dans le tableau ci-dessous:

2.3 Autres essais comparatifs ouvrabilit

3. Rsistance (caractristique principale du bton durci)

La caractristique essentielle du bton durci est la rsistance mcanique en compression un ge donn (28 jours). Le bton est un matriau travaillant bien en compression, dont la connaissance de ses proprits mcaniques est indispensable pour le calcul du dimensionnement des ouvrages.Lorsqu'il est soumis l'action d'une charge rapidement croissante, le bton se comporte comme un matriau fragile. D'une part, sa rupture n'est pas prcde de dformations importantes et, d'autre part, sa rsistance la traction est beaucoup plus faible que sa rsistance la compression.

3.1 Facteurs influenant la rsistance du bton

La rsistance du bton dpend d'un grand nombre de paramtres :

- qualit du ciment,Une des caractristiques essentielles de la qualit du ciment est sa classe de rsistance; un bton fabriqu avec un ciment de classe 42.5 prsente une plus grande rsistance quun bton fabriqu avec un ciment de classe 32.5.

- le dosage en ciment et en eau,La rsistance croit avec laugmentation du dosage en ciment et dcroit avec laugmentation de la quantit deau incorpore; cest pourquoi on a tendance prendre en compte le rapport E/C comme facteur global intervenant dans la rsistance du bton. - la granularit,La granularit est dfinit par le rapport ; le rapport des volumes absolus du gravier et du sable. En gnral pour les btons courants (1.5 2); pour des raisons douvrabilit. Il en rsulte que linfluence de la granularit est relativement faible.

- l'influence de la temprature et de l'humidit,La chaleur acclre la prise et le durcissement du bton tandis que le froid allonge la dure de prise. Des expriences menes au laboratoire ont montr que laugmentation de lhumidit du milieu de cure contribue amliorer la rsistance du bton.

3.2 Essais sur bton durcis1. Rsistance la compression par rupture dprouvette

La rsistance en compression 28 jours est dsigne par fc28. Elle se mesure par ccompression axiale de cylindres droits de rvolution et d'une hauteur double de leur diamtre. (1632) ou (1530)

Leffort de compression est donn par la relation :

fcj = (en MPa) S = 200 cm2 Pour une prouvette cylindrique de16 32 Daprs leur rsistance la compression, les btons peuvent tre : courants : fc est de: 20 40 MPa ; hautes performances : fc est de: 50 100 MPa ; les btons de trs hautes performances : fc est de: 100 150 MPa ; exceptionnels: FC est au-del de 150 MPa ;

2. Rsistance la traction.

Gnralement le bton est un matriau travaillant bien en compression, mais on a parfois besoin de connatre la rsistance en traction, en flexion et au cisaillement.La rsistance en traction 28 jours est dsigne par Ft28.

a. Traction directe : NF P 18.409.

36Samia Hannachi

La contrainte de rupture en traction est donne par la relation :

ft = En MPa

P charge de rupture,

S la section exacte de lprouvette

b. En traction par flexion:NF P 18.407

Les essais les plus courants sont des essais de traction par flexion. Ils s'effectuent en gnral sur des prouvettes prismatiques d'lancement 4 (101040), reposant sur deux appuis, soit sous charge concentre unique applique au milieu de l'prouvette (moment maximal au centre). soit sous deux charges concentres, symtriques, gales, appliques au tiers de la porte (moment maximal constant entre les deux charges.

La contrainte de rupture en traction par flexion est donne par la relation :ftj

c. Essai de traction par fendage.

L'essai consiste craser un cylindre de bton suivant deux gnratrices opposes entre les plateaux d'une presse. Cet essai est souvent appel "Essai Brsilien". Si P est la charge de compression maximale produisant l'clatement du cylindre par mise en traction du diamtre vertical, la rsistance en traction sera :

La rsistance la traction est donne par:

37Samia HannachiP charge de la rupture,D diamtre du cylindre,L longueur de cylindre,J ge du bton.

ftj = 2

3.3 Autres proprits du bton:

Le retraitIl dpend de quatre facteurs : l'humidit, le dosage en ciment, le dosage en eau, le pourcentage des armatures) C'est le phnomne de raccourcissement d'un lment de bton dans son jeune ge En l'absence de toute charge. Il est assimilable l'effet d'un abaissement de temprature entranant un raccourcissement. Il est influenc par quatre facteurs:- L'humidit : le durcissement en milieu humide diminue le retrait.- Le dosage en ciment : le retrait crot en mme temps que le dosage en ciment.- Le dosage en eau : dosage en ciment constant, une diminution du rapport C/E augmente le retrait. Pour un bton arm, le retrait diminue avec une augmentation du pourcentage en aciers.

La dilatation On admet, en moyenne, un coefficient de dilatation thermique de 1 x 10-5 pour le bton (c'est--dire.0, 01 mm/m C). Le fluageCest le phnomne de dformation diffr sous une charge constamment applique. L'lasticitLe module d'lasticit est dfini par la relation suivante :E = Contrainte unitaire /dformation relative = Fci / (DL/L) L'effet poissonEn compression ou en traction, la dformation longitudinale est aussi accompagne d'une dformation transversale. C'est l'effet poisson. Le coefficient de poisson n est le rapport de la dformation transversale et la dformation longitudinale en valeur relative. Il est pris gal 0,2 pour le calcul des dformations, et 0 pour le calcul des sollicitations. Par ailleurs, pour les calculs des lments bidirectionnels (dalles,), il est pris gal 0,2 pour un bton non fissur et 0 pour un bton fissur.

4. Diffrents types de btons

Le bton varie en fonction de la nature des granulats, des adjuvants, des colorants, des traitements de surface, et peut ainsi s'adapter aux exigences de chaque ralisation, par ses performances et par son aspect. Les btons rfractairesCe sont des btons qui rsistent des tempratures leves (jusqu' 2000C). Ici, il faut un ciment rfractaire(en gnral alumineux) et des granulats galement rfractaires (scories, corindon, terre cuite).

Les btons cellulairesCes btons sont trs lgers(ils flottent sur l'eau), sciables, clouables et sont de trs bons isolants. Ces btons sont en ralit du mortier (sable fin et ciment) auquel on a ajout une matire gnratrice de gaz traite l'autoclave (enceinte ferme dans laquelle le matriau est soumis haute temprature et haute pression).

Btons Prts lEmploi :Les "Btons Prts lEmploi", abrgs en BPE, sont des btons conus et produits industriellement dans une centrale bton. Le bton est livr frais sur le chantier dans des camions-toupies. Il est prt tre mis en uvre soit directement avec la goulotte du camion-toupie, soit laide dun tapis ou dune pompe bton.

Le bton arm :Le bton arm est un matriau composite qui allie les proprits mcaniques du bton et celles de l'acier. La rsistance en traction du bton tant assez mauvaise, on ajoute des armatures en acier qui viennent renforcer le bton. Lacier ayant une bonne rsistance tant en traction qu'en compression, il compense les faiblesses du bton et retarde ainsi l'ouverture des microfissures qui apparaissent lorsque le bton ne rsiste plus la traction.

Le bton fibr :Le bton fibr est un bton dans lequel sont incorpores des fibres synthtiques ou mtalliques. Comme pour le bton arm, les fibres renforcent le bton. Il permet une plus grande rapidit et une plus grande facilit de mise en uvre du fait de la suppression de la mise en place du ferraillage et une limitation de la fissuration grce au grand nombre de fibres disperses dans le bton.

Le bton prcontraint :Techniques qui consistent tendre (comme des ressorts) les aciers constituant les armatures du bton, et donc comprimer, au repos, ce dernier.Dans la pr-tension (le plus souvent utilise en btiment), les armatures sont mises en tension avant la prise du bton. Elles sont ensuite relches, mettant ainsi le bton en compression par simple effet d'adhrence. Cette technique ne permet pas d'atteindre des valeurs de prcontrainte aussi leves qu'en post-tension.La post-tension consiste disposer des cbles de prcontrainte dans des gaines incorpores au bton. Aprs la prise du bton, les cbles sont tendus au moyen de vrins de manire comprimer l'ouvrage au repos. Cette technique, relativement complexe, est gnralement rserve aux grands ouvrages (comme les ponts) puisqu'elle ncessite la mise en uvre d'encombrantes pices d'about (dispositifs mis en place de part et d'autre de l'ouvrage et permettant la mise en tension des cbles).La prcontrainte permet daugmenter encore la rsistance des pices en bton, et dallonger la porte des lments porteurs. Elle quilibre les efforts des charges extrieures, et vite ainsi au bton de se fissurer. La compression initiale introduite grce la prcontrainte dans la partie infrieure des poutres soppose aux tractions engendres par les charges et surcharges appliques sur la poutre.

Les Btons hautes Performances :Les BHP sont des btons dits de hautes performances car ils possdent de meilleures caractristiques que les btons normaux tels que : Une meilleure rsistance la compression, ce qui permet une rduction des quantits de bton ncessaires. Une grande fluidit (due aux super plastifiants) ce qui permet une meilleure mise en uvre, un meilleur pompage et ne ncessite pas de vibrer le bton pour obtenir une surface lisse. Des besoins en eau plus faible. De plus les BHP ont une plus grande durabilit qui rsulte de leur forte compacit et de leur trs faible porosit ce qui diminue la quantit d'agents agressifs pntrant dans le bton et donc protge les armatures de la corrosion et augmente la rsistance des btons au cycle gel/dgel.

Le bton projet :Le bton projet est un bton qui est projet grande vitesse sur une surface au moyen dair comprime. La force de limpact sur la surface compacte le matriau ce qui lempche de saffaisser ou de couler. Le bton projet a des proprits similaires celles dun bton ordinaire de composition similaire et mis en place de faon usuelle si ce nest en fait quune mthode de mise en place diffrente. Cette mthode permet dviter lutilisation des coffrages, elle ne ncessite quune seule surface de support et peut tre utilise sur des surfaces courbes et irrgulires.Il existe deux procds pour faire du bton projet, le procd par voie sche et celui par voie humide : Le procd par voie sche est le plus utilis pour les rparations. Les matriaux secs, cest--dire le ciment et les granulats, sont incorpors directement dans une canalisation, o ils sont transports par lair comprim jusqu la lance. Leau sous pression est introduite dans le mlange la sortie de la lance.Le procd par voie sche a lavantage de pouvoir tre arrt et reparti tout moment durant les travaux, Car le bton tant sec dans la lance il ne risque pas de se solidifier. Des rsistances leves peuvent tre facilement obtenues avec ce procd puisquil permet datteindre de faibles rapports eau/liant. Le dsavantage du procd sec est que le dosage de leau dans le mlange se fait directement la lance, par le lancier, ce qui complique le contrle de la qualit. Le procd par voie humide implique quun bton ou un mortier soit pomp de faon conventionnelle et projet haute vitesse contre une surface rceptrice en utilisant de lair comprime ajoute la lance. Le procd par voie humide est surtout utilis lorsque les volumes produire sont importants. Le contrle de la qualit est plus simple avec ce procd, puisquen utilisant un bton conventionnel, le dosage des constituants du mlange est connu.

Les btons auto plaant, auto compactant et auto nivelant :Ce sont des btons trs fluides, homognes et stables, mis en uvre sans vibration dans le coffrage, ils se mettent en place sans serrage. Ils se caractrisent par leur grande capacit dcoulement sans altration de la stabilit, leur pompabilit et leur long maintien de la fluidit. Ils se distinguent des btons courants principalement par leurs proprits ltat frais, compromis entre fluidit, rsistance la sgrgation. Ils prsentent ltat durci des performances analogues celles des btons traditionnels mis en uvre par vibration.

Les btons caverneux, drainant et poreux :Ce sont des btons structure ouverte de granulomtrie discontinue, avec, ltat durci, des vides entre les plus gros lments granulaires. La porosit ouverte utile (pourcentage de vides communiquant entre eux et avec lextrieur) reprsente alors plus de 10 % du volume du bton compact. Le bton devient donc suffisamment poreux pour tre drainant.

Le bton de ciment alumineux (ou bton fondu) :Le bton de ciment alumineux est un bton dans lequel le liant utilis est du ciment alumineux. Il s'agit un ciment base d'aluminates de calcium. Ces aluminates ne librent pas de chaux au cours d'hydratation et offrent plusieurs proprits spciales au bton ou au mortier alumineux. Cela permet : une prise rapide une rsistance chimique leve une rsistance leve l'usure une rsistance aux tempratures leves une acclration de la prise par temps froid Ce bton a une bonne rsistance aux environnements agressifs et dveloppe rapidement des rsistances mcaniques leves. Lorsquil contient des granulats artificiels base daluminium, il a galement des proprits rfractaires (forte inertie thermique).

Le bton dcoratif :Le bton bouchard : bton dcoratif mettant en valeur les granulats. Il est ralis laide dune machine qui rode le bton en surface afin de faire apparatre les granulats.Le bton dsactiv : bton dcoratif mettant en valeur les gravillons inclus dans le bton. Pour obtenir ce rsultat, on applique lors du coulage, un retardateur de prise sur la surface sur bton frais juste aprs la mise en uvre. Quelques heures aprs, un nettoyage au jet deau haute pression est ralis, pour faire apparatre les gravillons en relief par rapport au mortier.

Chapitre 5: Les mtaux et alliages

Introduction La famille des mtaux se divise en deux catgories : les mtaux ferreux, dont lacier et la fonte, forment la majeure partie du groupe, et les mtaux non ferreux, plus diversifis ( aluminium, plomb, cuivre, nickel, zinc et autres ), qui se trouvent en minorit dans la composition des produits finis.Lacier constitue la presque totalit des mtaux ferreux, et la demande pour ce mtal ne cesse de crotre. Cest le mtal le plus largement utilis et le matriau le plus recycl dans le monde.

HistoriqueLe fer est l'un des mtaux les plus abondants de la crote terrestre. On le trouve un peu partout, combin de nombreux autres lments, sous forme de minerai. En Europe, la fabrication du fer remonte 1 700 avant J.C.Depuis les Hittites jusqu' la fin du Moyen Age, l'laboration du fer resta la mme : onchauffait ensemble des couches alternes de minerai et de bois (ou de charbon de bois) jusqu' obtenir une masse de mtal pteuse qu'il fallait ensuite marteler chaud pour la dbarrasser de ses impurets et obtenir ainsi du fer brut, prt tre forg. La forge tait installe quelques pas du foyer o s'laborait le mtal. D'abord simple trou conique dans le sol, le foyer se transforma en un four, le "bas-fourneau", perfectionn petit petit : de l'ordre de quelques kilos l'origine, les quantits obtenues pouvaient atteindre 50 60 kilos au Moyen Age.On fabriqua aussi ds le dbut, de petites quantits d'acier, savoir du fer enrichi en carbone. Un matriau qui se rvla la fois plus dur et plus rsistant.Puis vint la fonte...Au XVme sicle, la gnration des premiers "hauts fourneaux" de 4 6 mtres de haut propagea une dcouverte fortuite mais majeure : un mtal ferreux l'tat liquide, la fonte, qui se prtait lafabrication de toutes sortes d'objets (marmites, boulets de canons, chenets, tuyau).La fonte permettait galement de produire du fer en abondance, grce l'affinage : le lingot de fonte tait chauff et soumis de l'air souffl, ce qui provoquait la combustion du carbone contenu dans la fonte et un coulement du fer goutte goutte, formant une masse pteuse de ferbrut.Et enfin l'acierEn 1786, Berthollet, Monge et Vandermonde, trois savants franais, tablirent la dfinitionexacte du trio Fer-Fonte-Acier et le rle du carbone dans l'laboration et les caractristiques deces trois matriaux.Toutefois, il fallut attendre les grandes inventions du XIXme sicle (les fours Bessemer,Thomas et Martin) pour que l'acier, jusqu'alors fabriqu en faible quantit partir du fer,connaisse un dveloppement spectaculaire et s'impose rapidement comme le mtal-roi de larvolution industrielle.Au dbut du XXme sicle, la production mondiale d'acier atteignit 28 millions de tonnes, soitsix fois plus qu'en 1880. Et la veille de la premire guerre mondiale, elle grimpa 85 millionsde tonnes. En quelques dcennies, l'acier permit d'quiper puissamment l'industrie et supplantale fer dans la plupart de ses applications.

Proprits des mtaux

Les mtaux se distinguent en fonction de diffrentes caractristiques qui leur confrentdes proprits spcifiques.

45Samia HannachiFragilitLa fragilit dsigne la caractristique dun mtal qui se brise facilement sous leffet dun choc ou dune dformation. Il se dforme peu ou pas du tout, et se casse facilement.

Ductilit loppos, la ductilit reprsente la capacitdun mtal se dformer sans se rompre. Il peut tre tir, allong ou soumis des forces de torsion. Les matriaux ductiles sont difficiles casser parce que les fissures ou les dfauts crs par une dformation se propagent difficilement.

TnacitLa tnacit correspond la capacit desmatriaux rsister aux chocs sans se briserni scailler. Les marteaux et les quipements utiliss pour dformer ou couper des plaques dacier (matrices, poinons, etc.) sont constitus de matriaux de haute tnacit.

MallabilitLa mallabilit est une caractristique quipermet au mtal de se laisser faonner.Elle rfre la rsistance relative du mtalsoumis des forces de compression, commele forgeage ou le laminage. Un exemple dematriel extrmement mallable, quoiquenon soudable, est la pte modeler.Notons que la mallabilit dun matriau crot avec laugmentation de la temprature.

lasticitLlasticit dsigne la capacit dun matriel reprendre sa forme originale aprs avoir subi une dformation. Cest le cas typique dun ressort quon tire puis quon relche.

DuretLa duret est la capacit dun corps rsister la pntration dun corps plus dur que lui.Elle se caractrise aussi par sa rsistance auxrayures. Le diamant constitue le matriau leplus dur. Les aciers haute teneur en carbone sont durs, les aciers doux, un peu moins, et laluminium est de faible duret.

Rsistance labrasionLes matriaux durs prsentent aussi unebonne rsistance labrasion, cest--dire quils ne susent pas facilement par frottement.En termes pratiques, ils sont plus difficiles meuler.

Rsistance la corrosion La rsistance la corrosion dsigne la capacit dun matriau ne pas se dgrader sous leffet de la combinaison chimique de loxygne et du mtal. Un mtal ferreux rsistant la corrosion ne rouille pas ; cest le cas des aciers inoxydables et de certains autres aciers dalliage.

MagntismeLe magntisme est une proprit caractristique des mtaux ferreux, qui les rend sensibles aux aimants.

Caractristiques thermiques et lectriques

Dilatation et contraction (ou retrait) thermiquesLorsquun matriau est chauff, il stire un peu ; cest ce quon appelle la dilatation. loppos, il subit un raccourcissement sous leffet du froid ; cest la contraction ou le retrait Plus le mtal stire ou se raccourcit, plus le risque que des fissures ou des dformationsapparaissent est lev. On dfinit la capacit de dilatation/retrait des mtaux par uncoefficient thermique. Ainsi, le coefficient thermique de laluminium, par exemple, est pluslev que celui de lacier. Pour une mme variation de temprature, laluminium se dilatepresque deux fois plus.

Point de fusionLe point de fusion indique la temprature laquelle un mtal passe de ltat solide ltatliquide.

ConductivitLa conductivit thermique est la capacit dun matriau conduire ou transfrer la chaleur.Le cuivre est un trs bon conducteur thermique. Laluminium possde environ la moiti de laconductivit thermique du cuivre, alors que lacier, seulement un dixime.La conductivit lectrique, quant elle, est dfinie par la capacit dun matriau transmettre llectricit.

Les mtaux naturels

Quelques mtaux comme le fer, le cuivre, le zinc, l'tain, l'argent, l'or et le mercure existent l'tat naturel. Ils sont peu utiliss dans leur tat d'origine et sont trs souvent allis (d'o le terme " alliage") d'autres matriaux, mtaux ou additifs divers, pour modifier leurs caractristiques techniques et surtout mcaniques. On distingue : Les mtaux ferreux (fer, fonte, acier) et leurs alliages Les mtaux non ferreux (Al, Zn, Cu, Pb) et leurs alliages

A. Les mtaux ferreux et alliages

Comme leur nom l'indique, les mtaux ferreux contiennent du fer. C'est le cas de la fonte et des aciers. Ils se diffrencient par leur teneur en carbone. Cette diffrence de teneur en carbone joue sur leur rsistance mcanique. L'acier comme la fonte est un alliage de fer et de carbone, mais il est constitu de moins de 2% de carbone. Il peut, lui-mme, tre alli de nombreux mtaux tels que le magnsium, le chrome, le molybdne, le nickel, ou le silicium.Ces additifs donnent des nuances d'acier trs diverses aux caractristiques trs diffrentes. Ces alliages sont de ce fait plus ou moins fragiles, rsistants, cassants ou lastiques.

1. Fontes

La fonte est un alliage de fer, et de plus de 2 % de carbone; dont les proprits peuvent tre modifies par l'ajout de petites quantits de silicium, de manganse, de phosphore et de soufre. Le carbone est un lment non mtallique que l'on trouve en gnral dans le charbon. La fonte est prsente sous toutes les formes de lingots, mais elle est principalement utilise en fonderie, pour la fabrication de pices moules.La fonte rsiste nettement mieux la compression qu' la traction. Par ailleurs, elle est relativement cassante. Les procds de transformation permettent de raffiner la fonte brute en fonte grise, en fonte blanche, en fonte mallable, en fonte nodulaire et en fonte allie.

Fonte bruteLa fonte brute n'a aucune utilisation pratique en raison de sa teneur leve en carbone. Elle sert surtout fabriquer d'autres types de fontes et des aciers.

Fonte GriseOn appelle fonte grise la fonte faite d'un mlange de fonte brute et de rebuts d'acier.Dans les entreprises, la fonte grise est la plus utilise pour fabriquer des pices coules d'usage gnral lorsque les considrations de cot sont primordiales. Les surfaces exposes ont une coloration gris sombre cause de la prsence de graphite (carbone cristallis). Parmi les caractristiques essentielles de la fonte grise, on note son aptitude amortir les vibrations, grce sa teneur leve en graphite, ainsi que sa rsistance l'usure. l'aide d'un traitement thermique, on peut tremper la fonte grise afin d'augmenter sa duret.

Fonte BlancheLa fonte blanche provient de la solidification de la fonte dans des moules en mtal, un procd communment appel moulage en coquille. Avec cette technique, le refroidissement rapide de la fonte en surface confre aux pices une surface extrmement dure. La fonte blanche est donc trs rsistante l'usure; cependant, elle est trs cassante et fragile.La fonte blanche n'est pas trs utilise, car il est difficile de la couler et de l'usiner. On l'emploie quand mme dans des applications o sa duret et sa rsistance l'abrasion peuvent tre exploites, par exemple pour la fabrication de broyeurs, de cylindres, de dents de godets d'excavatrices, etc.La fonte blanche peut tre adoucie par recuite (chauffage suivi d'un refroidissement lent).

Fonte MallableLa fonte mallable est habituellement de la fonte blanche recuite. Cette fonte est mallable comparativement la fonte grise. Toutefois, son degr de mallabilit est loin d'atteindre celui du plomb. Cette fonte prsente tout de mme une certaine tnacit.La fonte mallable est utilise pour des applications requrant de la rsistance mcanique, de la ductilit, de la rsistance aux chocs et de l'usinabilit. Il existe plusieurs types de fontes mallables, dont les proprits sont assez diffrentes. La fonte mallable est utilise couramment pour fabriquer des pices telles que des engrenages, des btis, des joints de tuyauterie, etc. Certains types de fontes mallables ont des proprits assez proches de celles de l'acier pour tre utiliss dans les situations qui exigent un surcrot de rsistance l'usure.

Fonte NodulaireDans la fonte nodulaire, aussi appele fonte GS (graphite sphrodal), le graphite est prsent sous forme de petites sphres (nodules), formes par l'addition de magnsium la fonte avant la coule. Cela amliore la rsistance mcanique, la tnacit et la rsistance aux chocs. La fonte nodulaire peut tre soumise des contraintes leves. Elle peut galement tre soude, ce qui la rend comparable l'acier. Elle est suprieure la fonte grise de nombreux gards, sauf en ce quiconcerne sa capacit d'amortissement et sa conductibilit thermique. Elle peut tre adoucie par recuit ou trempe, partiellement ou intgralement, en coquille ou l'eau.Parmi les utilisations typiques de la fonte nodulaire, on trouve les vilebrequins, les btis de machines, les pistons, etc.

Fonte allieLa fonte allie contient des lments d'alliage tels que le nickel, le chrome, le molybdne, le cuivre ou le manganse en quantit suffisante pour amliorer certaines proprits physiques. Habituellement, la teneur en alliage est de 3 % ou plus. Cette addition d'alliage peut amliorer: la rsistance mcanique; la rsistance l'usure; la rsistance la corrosion; la rsistance la chaleur; la capacit d'amortissement des vibrations.La plupart de ces proprits sont radicalement diffrentes de celles des autres fontes. Aussi, la fonte allie est-elle normalement produite par des fonderies spcialises.La fonte allie est largement utilise dans l'industrie automobile pour fabriquer des pices telles que les cylindres, les pistons, les carters et les tambours. On s'en sert aussi pour diverses pices de machines et divers outils ou d'autres lments exposs l'action d'agents abrasifs.

2. Lacier

Lacier est un alliage de fer et de carbone qui contient gnralement (en plus des impurets) certains autres lments. La teneur en carbone dun acier est toujours infrieure 0,5 %.

Fer : moins de 0,1 % de Carbone ( C) Fer industriel ou alors on parle dacier trs bas carbone

Aciers doux : 0,1 0,3 % C L'acier doux est le mtal le plus courant et le plus largement utilis dans l'industrie de la transformation des mtaux. Il sert la fabrication d'une multitude de pices, telles que les boulons, crous, les rondelle, les articles en tle. Il constitue environ 85% de la production de l'acier. Il est surtout choisi pour sa mallabilit froid. cause de leur faible teneur en carbone, les aciers doux ne peuvent tre tremps par traitement thermique. En revanche, il peuvent tre cment dans le but d'augmenter leur quantit en carbone en surface. C'est pour cette raison que l'acier doux est parfois appel acier de cmentation. L'paisseur de la couche cmente est habituellement infrieure 1,2 mm. Aprs la cmentation, les pices peuvent tre trempes afin de provoquer un durcissement structural en surface. Seule la surface pntre de carbone subira cette transformation. Cette formule est utilise lorsque l'on dsire une surface la fois dure et rsistante l'usure et un noyau tenace.

Acier semi durs : 0,3 0,35 % C Les aciers semi-durs se trempent par traitement thermique, mais dans certains cas, on a recours la cmentation. Ces aciers offrent une meilleure rsistance la traction. On s'en sert largement comme aciers d'usage gnral: estampage de cls, marteaux, tournevis, lments prfabriqus, ressorts, pices forges, etc.

Aciers durs : 0,35 2 % C La trempe d'un mtal est souvent excute par chauffage puis refroidissement l'eau. Avec des pices minces ou de petites dimensions, cela ne pose aucun problme, car les aciers au carbone sont appropris pour ce genre de traitement. Par contre, avec les pices de plus grandes dimensions ou plus paisses, le noyau se refroidit plus lentement que la priphrie lors du refroidissement de la pice. La duret est alors rpartie de faon ingale. De plus, des variations dimensionnelles ingales sont l'origine de tensions l'intrieur des aciers au carbone. C'est pour liminer ces inconvnients que l'on a dvelopp les aciers allis.

Aciers allis: Les proprits particulires des aciers d'alliage sont dtermines par la quantit et les types d'lments d'alliage qu'ils contiennent. Il faut prciser que le carbone n'est pas considr comme un lment d'alliage. Les aciers au carbone n'entrent donc pas dans la catgorie des aciers allis. Par aciers allis, on entend des aciers teneur modre en lments d'alliage et qui exigent un traitement thermique pour acqurir les proprits correspondant l'usage auquel ils sont destins. Les alliages sont habituellement employs dans le but d'obtenir des proprits suprieures. Par exemple, les lments d'alliage permettent d'obtenir : une meilleure lasticit; une duret accrue; une meilleure tnacit; une temprature critique modifie (temprature laquelle le mtal subit une perte de ses proprits); une rsistance accrue l'usure; une meilleure aptitude la trempe; une meilleure rsistance l'oxydation (aciers inoxydables).

Les principaux types d'aciers allis sont les suivants: acier au nickel; acier au chrome; acier au nickel-chrome; acier au nickel-chrome-molybdne; acier au chrome-molybdne; acier au manganse-molybdne; acier de nitruration (durcissement de la surface par absorption d'azote).

Le phosphore, le tungstne, le cobalt, le silicium, le vanadium et le soufre entrent parfois dans la composition des aciers allis.

Aciers inoxydablesLa principale proprit de lacier inoxydable est sa rsistance gnrale la corrosion. Cette qualit provient du chrome qui forme une couche protectrice doxyde de chrome en surface.Les quantits de chrome doivent cependant tre importantes, 2 % au minimum 30 % au maximum. Cest pour cela que lacier inoxydable est un matriau cher (dans lequel onretrouve souvent du nickel en quantit apprciable, jusqu 36 %).

3. Pproprits de certains mtaux ferreux

4. Elaboration de lacier

5. Les produits finis: Les deux grandes familles de produits finis:

Les produits longs: Poutrelles en I , H, U , T.. Les cornires Les tubes les rails, les palplanches, les fils, les ronds bton.

Les produits plats: Les produits lamins chaud Plaques; leur paisseur peut varier de 10 150 mm. Bobines leur paisseur varie de 2 10 mm

Produits plats lamins froid Ils ont une paisseur infrieure 3mm ; Ces produits sont revtus dun mtal protecteur qui les protge de la corrosion: Tles plaques, le plus souvent dacier inoxydable. Produits plats revtus de plomb Produits plats pr laqus .

6. Procds de fabrication

Les trois familles de procds (mise en forme, enlvement de matire et assemblage).Les principaux procds classs par famille sont donns dans la liste suivante.

Enlvement de matire Usinage par machines-outils : Tour ; Perceuse sensitive ; Fraiseuse ; Brocheuse. Outils de dcoupage : Scie ruban ; Presse poinonner ; Outil progressif (progressive die).

Mise en forme Emboutissage ; Moulage au sable ; Pliage sous presse ; Forgeage ; Frittage ; Outil progressif (aussi dans outils de dcoupage).

Assemblage Soudage par points ; Soudure larc ; Brasage ; Rivetage ; Vissage ; Boulonnage.

7. Comparaison Acier-FontePar rapport lacier, la fonte est un matriau conomique, mais il peut uniquement tre mis en forme par fonderie (et usinage de finition) parce quil ne peut pas subir de dformation plastique. La fonte rsiste bien la corrosion (mieux que lacier), car les surfaces oxydes forment une couche protectrice. La fonte est moins ductile que lacier mais elle rsiste mieux lusure.

B. Les mtaux non ferreux et leurs alliages

Les deux mtaux non ferreux les plus abondants dans le monde sont l'aluminium (si l'on considre l'corce terrestre) et le magnsium (si l'on tient compte la fois de l'corce terrestre et des ocans). il existe un grand nombre de mtaux dont l'lment principal n'est pas le fer, mais seulement quelques-uns sont employs dans des applications techniques. Les mtaux non ferreux ont les proprits communes: de ne pas tre attirs par un aimant et de rsister la corrosion.

1) Laluminium

La transformation de l'aluminium s'effectue en deux tapes principales: fabrication de l'alumine; transformation de l'aluminium par lectrolyse.La fabrication de l'alumine se fait partir d'un minerai appel bauxite. On concasse le minerai et on le sche 700 C, puis on additionne de la soude caustique et on mlange le tout. Plusieurs ractions chimiques ont lieu avant et aprs la dcantation et la dilution du mlange. On procde ensuite la filtration, au lavage, puis la calcination 1300 C, ce qui, par raction chimique, donne l'alumine.La transformation de l'alumine se compare celle des aciers dans le four arcs lectriques. L'alumine fondue haute temprature ( 1000 C) par le courant des lectrodes est dcompose en aluminium et en oxygne. L'oxygne est consum par les anodes et dgage du monoxyde de carbone (CO). Finalement, on recueille l'aluminium priodiquement pour en faire des lingots ou des pices directement moules. L'aluminium est un mtal blanc tirant lgrement sur le bleu, dont on obtientfacilement un beau fini poli. Il est aussi lger (trois fois plus que le fer) et trs mallable. Il conduit la chaleur trois fois mieux que l'acier, mais sa conductivit dcrot plus rapidement lorsque la temprature augmente.L'aluminium vient au second rang des mtaux les plus employs aprs l'acier. Il est lger, robuste, facile usiner, souvent conomique et il rsiste la corrosion. Tout comme l'acier inoxydable, ds l'instant o l'aluminium est expos l'air, sa surface se recouvre d'une pellicule transparente qui le protge contre toute forme de corrosion. L'aluminium n'est pas magntique, il est bon conducteur de chaleur et d'lectricit.

Alliages daluminium

Les alliages d'aluminium-magnsium: peuvent tre forgs ou couls, mais ils ne peuvent subir de traitement thermique, moins qu'ils ne s'agisse d'alliages couls et qu'ils contiennent plus de 10 % de magnsium. Modrment tenaces et rsistants la corrosion, les alliages forgs sont utiliss dans la construction navale, pour les tubes d'usage gnral, les pices de tlerie, les structures soudes, etc. Les alliages couls sont utiliss pour fabriquer des rservoirs et des rcipients, des composants d'avions et de bateaux ainsi que des pices d'architecture.

Le duralumin est un alliage d'aluminium, de cuivre, de magnsium, de manganse, de silicium et de fer. Trs lger, il durcit par vieillissement (durcissement graduel la temprature ambiante). Comme il rsiste bien la corrosion, le duralumin est idal dans les domaines de l'aviation et de l'automobile.

Les alliages d'aluminium-manganse peuvent tre durcis uniquement par travail froid (forgeage). La plupart de ces alliages se prtent bien au formage et au soudage. On utilise ce type d'alliages essentiellement pour les ouvrages structuraux, les tles, les rcipients, etc.

Les alliages d'aluminium-zinc contiennent, en plus du zinc, d'autres lments comme le cuivre et le magnsium. On obtient ainsi certains alliages d'aluminium parmi les plus robustes. Le durcissement se fait par vieillissement. Ces alliages sont principalement employs dans l'industrie arospatiale pour les structures d'avions et pour des pices soumises des contraintes leves.

Les alliages d'aluminium-silicium sont trs faciles couper, ce qui permet de raliser des formes complexes et des pices parois minces. On les trouve surtout dans l'industrie automobile: corps de carburateurs, pistons de moteurs, blocs-cylindres, etc.De plus en plus de pices sont coules partir d'alliages d'aluminium en raison de la lgret de ce mtal.

Les alliages d'aluminium-magnsium Le magnsium est produit en grande quantit partir de l'eau de mer. Il s'agit d'un mtal blanc argent trs lger qui ressemble l'aluminium. Cependant, il s'oxyde facilement et sa surface se couvre alors d'une pellicule gristre. Il est modrment rsistant aux produits chimiques tels que les acides, l'alcool, le phnol, les hydrocarbures, les huiles, etc. Il risque de s'enflammer lorsqu'il est chauff l'air libre. Il est n'est donc pas facilement soudable, sauf s'il est alli du manganse ou de l'aluminium.Le magnsium est employ comme dsoxydant pour le laiton, le bronze, le nickel et l'argent. En raison de sa lgret, on l'utilise pour fabriquer des pices d'avions. Les alliages de magnsium se retrouvent, par exemple, dans les machines coudre et les machines crire.

2) Le cuivre

Le cuivre est un mtal brun tirant lgrement sur le rouge. Il permet d'obtenir facilement un beau fini poli. Il est assez lger.Le cuivre vient au troisime rang des mtaux les plus utiliss aprs l'acier et l'aluminium. C'est le premier mtal avoir t utilis par l'tre humain. Ses proprits sont multiples, mais il se distingue surtout par sa bonne conductibilit lectrique. Le cuivre est facile mettre en forme. Il possde une grande rsistance aux intempries et de bonnes caractristiques mcaniques. Le cuivre ternit mais ne rouille pas. Il possde nanmoins une faible rsistance certains acides. Une pellicule adhrente se forme sur les alliages de cuivre, les protgeant ainsi contre la corrosion. Tout comme l'aluminium, les alliages sont plus rsistants que le mtal pur. Le cuivre l'tat pur est utilis pour fabriquer des fils lectriques, de l'appareillage de communication, de la tuyauterie, des toitures, etc. Le cuivre est vendu sous les mmes formes que les aciers. Trs ductile et mallable, on peut aussi l'obtenir sous forme de fils, de tles, de tubes, de forgeages et de pices moules.

Alliages de cuivre

LaitonsOn reconnat facilement le laiton sa couleur passant du rouge cuivr, pour les alliages riches en cuivre, jusqu'au jaune pour les alliages qui contiennent un peu plus de 36 % de zinc, comme c'est le cas des alliages les plus souvent utiliss dans les ateliers d'usinage. On peut facilement obtenir un beau fini lisse. Le laiton est un alliage de cuivre et de zinc dont la teneur en zinc peut excder 50 %. Chaque type de laiton prsente des caractristiques particulires. On apporte d'importantes modifications ces alliages en ajoutant, en faible quantit, des lments comme le plomb, l'aluminium, l'tain, le fer, le manganse, le nickel et le silicium. Le laiton possde une bonne rsistance la corrosion et aux contraintes mcaniques, ainsi qu'une ductilit et une mallabilit assez leves, mais moindres que celles du cuivre et de l'aluminium purs. Les qualits du laiton font en sorte qu'il peut servir la fabrication d'accessoires lectriques, de raccords, de rivets, de tuyaux, de pices embouties, de tubes et de tles. On choisit le laiton grande tnacit pour les pices de structures ncessitant une grande rsistance.Le laiton jaune est utilis dans la fabrication de conduits (radiateurs, systmes de climatisation, bornes d'accumulateurs, etc.) et de diffrentes petites pices coules. Cet alliage est utilis lorsqu'on doit obtenir des pices qui s'usinent bien faible cot.Le laiton rouge est utilis dans la fabrication de couronnes mobiles et de pompes centrifuges, d'accessoires sur les conduites essence et de transport d'huile, de petits coussinets, etc. Ce laiton est class dans la catgorie des laitons dcolletage rapide. Il possde d'excellentes proprits au regard du moulage et de la qualit du fini de surface.

BronzesIl y a quelques annes, seuls les alliages de cuivre-tain taient considrs comme du bronze. Avec le temps et l'exigence d'autres proprits, la dfinition du bronze s'est un peu largie. Les bronzes contiennent d'autres lments d'addition principaux comme l'aluminium, le plomb, le nickel, le manganse, etc., et ce terme s'applique aujourd'hui n'importe quel alliage de cuivre autre que l'alliage de cuivre-zinc (laiton). La couleur des bronzes varie du rouge au jaune, suivant la composition des alliages. Les bronzes sont identifis selon l'lment principal ajout au cuivre.

Aluminiums: On emploie ces bronzes dans des applications telles que les engrenages, les outils, les lments de fixation, les aubes de turbines ainsi que les coussinets Nickel: Les alliages de ce type ont des applications diverses, notamment les tubes, les arbres, les paliers et les roulements, les corps de valves, etc. Silicium; ces bronzes sont trs utiles dans les industries chimique, ptrolire et marine. On en fait des rservoirs, de la tuyauterie, des paliers, des pignons, des engrenages, etc. Beryllium; On s'en sert dans la fabrication des ressorts, des matrices, des filires, des tubes et des appareils contacts haute rsistance.

3) TitaneLe titane est un mtal blanc et brillant. Le titane et ses alliages se distinguent par les caractristiques suivantes: trs bonne rsistance la corrosion; charge la rupture leve; bonnes proprits mcaniques haute temprature.Le titane est aussi rsistant que l'acier, tout en tant deux fois plus lger. On l'utilise dans les industries arospatiale et chimique.

4) NickelLe nickel est un mtal blanc gristre prsentant une bonne duret. Il est mallable et ductile. l'tat pur, le nickel est meilleur conducteur que les aciers. toutefois, lorsqu'il est alli avec du cuivre, du chrome, du fer ou du molybdne, il est moins conducteur.On utilise le nickel comme lment d'alliage pour augmenter la ductilit, la duret et la rsistance tant des mtaux ferreux que non ferreux. On utilise les alliages de nickel pour produire des pices devant supporter des tempratures leves : rsistances lectriques d'appareils de chauffage, vaporateurs et changeurs pour l'industrie chimique, accessoires de dcorations lumineuses. L'Inconel et le Monel sont des alliages de nickel couramment utiliss. L'acier inoxydable est un alliage de nickel, de chrome et de fer.

C. Comparaison mtaux ferreux - mtaux non ferreux

En raison de leurs nombreuses proprits, les mtaux non ferreux rivalisent de plus en plus avec les mtaux ferreux et tendent les remplacer dans bon nombre d'applications.

Rsistance la corrosionLes mtaux non ferreux rsistent mieux la corrosion que les mtaux ferreux. Ces derniers, l'exception des aciers inoxydables, sont grandement attaqus par la corrosion.

Conductivit lectriqueLa conductivit lectrique des mtaux non ferreux est largement suprieure celle des mtaux ferreux.

Conductivit thermiqueEn gnral, la conductivit thermique des mtaux ferreux est infrieure celle des mtaux non ferreux.

FerromagntismeTous les mtaux ferreux, l'exception de l'acier inoxydable austnitique, sont attirs par un aimant. Quant aux mtaux non ferreux, ils ne le sont pas, l'exception du nickel et du cobalt.

DensitL'aluminium, le zinc et l'tain sont plus lgers que le fer, tandis que le nickel, le cuivre, l'argent, le plomb et l'or sont plus lourds que le fer.

Chapitre 6: Les cramiques et verres

I. Les cramiques

Dfinition :La racine grecque du mot cramique est Kramos qui signifie argile . Cest un produit issu de la cuisson dune terre argileuse qui peut tre maille ou vitrifie en surface pour donner la faence, de la porcelaineetc.

1. IntroductionUne cramique est un matriau solide de synthse qui ncessite souvent des traitements thermiques pour son laboration. La plupart des cramiques modernes sont prpares partir de poudres consolides (mise en forme) et sont densifies par un traitement thermique (le frittage). La plupart des cramiques sont des matriaux poly-cristallins, cest dire comportant un grand nombre de microcristaux bien ordonns (grains) relis par des zones moins ordonnes (joins de grains).

2. Gamme de matriaux en cramiques Habitat et design : "cramiques traditionnelles" : vaisselle, carreaux de sol et de mur, sanitaire, matriaux de construction : briques, tuiles

Industries cramiques et mtallurgie : hautes tempratures (2000C) matriaux rfractaires (haut fourneau, poche de coule)

Energie et transport lments chauffants pour les fours haute temprature, bougies d'allumage et de prchauffage, filtres particules, supports de catalyseurs Aronautique et spatial : composites matrice cramique volets de tuyres, chambre de combustion, nez, bord d'attaque, bouclier thermique des navettes spatiales.

Mdical : biocramiques chirurgie rparatrice, domaine dentaire;

Electrotechnique et lectronique condensateurs multicouches, composants pizolectriques, thermistance, cramiques magntiques

Revtements cramiques : dpts de borures, carbures, nitrures, carbonitrures, carbone et oxyde.

3. Proprits des matriaux cramiques

Les cramiques sont caractrises par des liaisons fortes, ce qui se traduit dans la pratique par ;- Une trs bonne tenue en temprature ;- Une excellente rigidit lastique ;- Une bonne rsistance la corrosion ;- Une bonne rsistance lusure.- matriaux fragiles- Pas de ductilit- Sensibilit aux chocs thermiques- Faible tnacit- Rsistance mcanique en traction faible devant la rsistance en compression- Mauvais conducteurs de chaleur et dlectrcit.

4. Classification des cramiquesOn distingue deux grandes classes des cramiques: cramiques silicats (de construction) et cramiques techniques.

Les cramiques sont classes selon les qualits suivantes (de la plus artisanale aux plus avancs) : Terre cuite (Briques, tuiles, poteries, conduits de fume, tuyau de drainage, etc.) ; Faence (quipement sanitaire, vaisselle, carreaux, etc.) ; Grs (Carreaux de sol, appareil de chimie, quipement sanitaire, etc.) ; Porcelaine (Vaisselle, appareil de chimie, isolateur lectrique, etc.); Produits rfractaires (application dans lindustrie thermique, etc.); Cramiques techniques avances (composant semi-conducteur, outils de coupe, pices de moteurs, etc.).

5. Fabrication dune pice cramique

Parmi les oxydes rentrant dans la composition des argiles sont :- Oxyde de silice SiO 2 ; - Oxyde dalumine Al 2 O 3 ; - Oxyde ferrique Fe 2 O 3 ; - Oxyde de Calcium CaO;

6. Les procds de mise en forme

Le choix de la mthode pour la fabrication d'un corps crus de poudre dpend de plusieurs facteurs comme les proprits souhaites, la gomtrie de la pice, sa taille, les tolrances dimensionnelles, l'tat de surface, et naturellement le prix et taux de production.Les procds de mise en forme consistent, partir des matires premires plus ou moins humides (barbotine, pte plastique, poudre) donner sa forme lobjet cramique. Les procds manuels : mise en forme manuelle partir dune pte plastique le modelage le moulage le tournage

Les procds mcaniss : 4 types de faonnage1. Le pressage Pressage unidirectionnel : Pressage isostatique : bougies d'allumage,buses rfractaires, billes de roulement, 2. Le coulage de barbotine dans des moules en pltre le coulage en revid : pour les pices creuses le coulage entre deux 3. Le moulage par injectionA la poudre cramique est ajoute une rsine organique pour obtenir une pte suffisamment rigide ("pte plastique") pour tre moule temprature ambiante pour des petites pices de formes complexes.4. L'extrusion profils, pleins ou alvols, tubes, tiges,

7. Traitements thermiques des cramiquesLe frittage permet de transformer le comprim de poudre (corps crus) en une masse solide et cohrente par l'effet de la temprature. Des liaisons chimiques sont formes entre les particules, et pores entre les particules sont plus ou moins combls.

L'action de la chaleur sur les ptes cramiques se traduit par 2 phnomnes:a) Dpart de l'eau; eau limine au schage et la cuisson.

Eau interstitielle ou eau libre : qui remplit les espaces libres entre les particules et dans les pores ; son dpart ( 100-200C) entrane un retrait Eau d'humidit ou eau d'adsorption : eau adsorbe mcaniquement par la surface du minral ; son dpart (vers 300C) ne dtruit pas la structure cristalline et donne lieu des phnomnes rversibles Eau zolithique : eau qui reste autour de chaque particule (elle est surtout insre entre les feuillets des argiles) par l'effet des forces de Van der Waals; son dpart(400C) ne dtruit pas la structure cristalline, donne lieu des phnomnes rversibles et ne provoque pas de retrait. Eau limine la cuisson : eau de constitution cette eau rsulte de la libration des hydroxyles appartenant au rseau. Son dpart (vers 560C) dtruit la structure cristalline du minral. Il donne lieu un phnomne irrversible.

b) Transformations physico-chimiques

450C 800C : dcomposition Matires argileuses : dpart d'eau de constitution.

573C-870C: recomposition, fusions et cristallisations.

1000C 1300C : augmentation des processus de fusion, Cristallisations.

Le frittage (dfinition)

Consolidation sous leffet de la temprature dun agglomrat pulvrulent; les particules se soudent les unes aux autres pour donner un solide mcanique cohsif.

Diffrents types de frittageFrittage naturel : consolidation par traitement thermique sans pression extrieureFrittage sous charge : consolidation par traitement thermique avec application dune pression extrieure Frittage en phase solide : la consolidation et llimination de la porosit se fait sans apparition de phase liquide ncessit de particules trs fines et de hautes tempraturesFrittage en phase liquide : coulement visqueux et rarrangement des grains, dissolution, re-prcipitation puis dveloppement dun squelette solideFrittage sans raction : frittage prcd dun chamottage (matires premires traites haute temprature puis broyes)Frittage ractif : mlange de poudres ; raction chimique au cours du traitement thermique.

II. Le verre

1. IntroductionLe verre est un matriau connu depuis plus de 5000 ans. Toutefois, ce nest quaux environs de 1920 que la mcanisation est apparue dans les processus de production.Le processus de fabrication comprend essentiellement trois phases :1. Llaboration du verre proprement dite, au dpart de matires premires, comprenant : la fusion aux environs de 1.500 laffinage aux environs de 1.400 CCette dernire opration consiste essentiellement dbarrasser le verre fondu des gaz pouvant apparatre sous forme de bulles.

2. Le faonnage, cest--dire la mise en forme des produits verriers, souvent prcde dun conditionnement qui amne le verre dans un tat o il peut tre travaill.3. La recuisson, traitement thermique particulier qui, en rduisant les contraintes internes, rend le verre utilisable.

1. La composition du verreLes principales matires premires utilises se classent en trois catgories :Les vitrifiants, les fondants et les stabilisants. A ces matires sajoutent les affinants, les colorants et les opalisants. La principale fonction de ces diverses catgories sexplique par leur dsignation :- les vitrifiants sont les lments de base qui crent la structure vitreuse ; La silice (sable)- les fondants permettent de fondre les vitrifiants des tempratures acceptables ; carbonate de sodium ou de potassium.- Les stabilisants permettent dempcher la dtrioration dans le temps des verres fondus ; chaux, magnsie et alumine. - les affinants facilitent llimination des gaz provenant des ractions chimiques ; le sulfate de sodium et le nitrate de sodium et de potassium- les colorants apportent les lments ncessaires la coloration du verre ; les oxydes de manganse, fer, nickel, cobalt, chrome, cuivre, uranium, vanadium.- les opalisants sont utiliss lorsque les verres ne doivent pas tre transparents; fluor et les phosphates.

2. Les proprits du verre

Proprits physiques - La transparence : mais il peut tre opaque ou opalescent.- La duret : seuls les diamants et le carbure de tungstne le rayent. Le verre le plus dur est le verre de Bohme et le cristal est le plus tendre.- La densit : elle dpend des composants ; elle est denviron 2,5. Cela signifie quun mtre cube pse environ deux tonnes et demie ou quune feuille dun mtre carr et dun millimtre dpaisseur pse 2,5 kg.- La rsistance et llasticit : la cassure du verre est lie sa flexion et sa rsistance au choc. Il casse l o le mtal se tord. Contrairement, sa rsistance la compression est importante : il faut une pression de 10 tonnes pour briser un centimtre cube de verre.- Limpermabilit : elle est extrmement grande mais le verre reste poreux pour certains liquides comme le krosne ; on dit qu'il sue . Proprits thermiques - La dilatation : cest un trs mauvais conducteur de chaleur. Il se brise sil subit un brusque changement de temprature car les diffrentes parties du verre ne se rchauffent pas en mme temps. Son coefficient de dilatation est faible, ce qui lui confre de nombreuses applications : il sert disolant thermique (laine de verre). - La conductivit : il est mauvais conducteur (environ 500 fois moins que le cuivre); on lutilise comme isolant lectrique. Cest aussi un bon isolant acoustique suivant lpaisseur de la feuille. - Il est ininflammable et incombustible. Proprits chimiques - Laction de leau : leau agit sur les silicates qui, en se dcomposant, forment un dpt en surface qui devient peu peu opaque ; le verre perd de sa transparence.- Laction de lair : les silicates alcalins se combinent avec lacide carbonique contenu dans lair ce que donne un dpt blanchtre la surface du verre.- Laction de la lumire : exposs aux ultraviolets, certains verres se colorent ou se dcolorent.- Laction des acides : ils dcomposent la silice, le plus rapide est lacide fluorhydrique qui permet de graver en profondeur le verre plaqu. Le verre peut donc tre dissout.

3. La fabrication du verre

4. La recuisson du verre

Le refroidissement de la matire est ingale : certaines parties restent chaudes pendant que d'autres refroidissent plus lentement. Des tensions se crent favorisant la casse du verre. La recuisson annule les tensions provoques par ces diffrences de temprature. Elle comporte 3 phases : 1. La temprature du verre descend suffisamment pour que le verre ne risque pas de se dformer, mais reste encore assez chaude pour conserver sa viscosit. Les contraintes disparaissent entre 500 et 550C pour les verres courants. 2. La temprature est abaisse 400C jusqu' ce qu'il devienne rigide. Cette phase de refroidissement vite la formation de nouvelles contraintes. 3. Simple refroidissement jusqu' temprature ambiante.

5. Les diffrents types de verre

Les verres sodo-calciques : Exemple de composition : Silice (72%) + soude (13%) + chaux (5%)C'est le plus commun des verres. Il a une bonne stabilit chimique, mais il est sensible aux chocs thermiques. Il est utilis pour la fabrication des verres plats et creux, des ampoules lectriques et en bouteillerie. Les verres borosilicates : Exemple de composition : Silice (80%) + anhydride borique (13%) + soude (4%) + alumine (3%)Le plus connu est le Pyrex (1915) qui possde une bonne rsistance aux chocs thermiques. On en fait des ustensiles de laboratoire et de cuisine (rsistance la chaleur et aux agents chimiques). Il sert aussi pour l'isolation (fibres de verre) et le stockage de dchets radioactifs. Les verres au plomb : Exemple de composition : Silice (62%) + oxyde de plomb (21%) + potasse (7%)On l'appelle cristal si la teneur en oxyde de plomb est suprieure 24 %. Il sert en gobeleterie et en verrerie d'art, pour les tlviseurs et en lectronique. Le cristal est limpide, trs sonore, trs rsistant la dvitrification (attention : sa matire n'a rien de cristallis). En levant la teneur en plomb (60%), on obtient un verre dense utilis pour la protection des rayons X.Le verre contient du plomb s'il noircit lorsqu'on le chauffe au chalumeau. Le verre de silice : Il contient au moins 96% de silice.Il est trs employ grce sa grande puret (transparence optique) et pour sa rsistance aux tempratures leves, la corrosion et aux chocs thermiques.On l'utilise pour la fabrication de tubes de lampe halogne, des lments d'optique et des miroirs de tlescope. Les vitrocramiques (ou vitro cristallins) : Exemple de composition : Silice (75%) + alumine (15%) + sel de titane (5%) + oxyde de lithium (3%)Ce sont des drivs du verre dont la fabrication est base sur le principe de dvitrification.La transformation en cramique semi-cristalline s'obtient par un traitement thermique appel "cramisation" qui permet d'obtenir un dbut de cristallisation. La temprature de cristallisation est environ 800 et la cristallisation dure environ 2 heures.Les vitrocramiques peuvent possder une grande rsistance la rupture et un coefficient de dilatation trs faible, ce qui leur permet d'tre trs rsistants aux chocs thermiques.Ils sont notamment utiliss en verrerie culinaire rsistante au feu (plaques de cuisson). On les utilise aussi pour fabriquer des miroirs de tlescope gant d'environ deux mtres de diamtre. Les fibres de verreLes fibres de verre sont produites essentiellement sous deux formes : les fibres disolation et les fibres textiles. Elles sont destines des usages trs diffrents. Ces fibres se prsentent sous la forme dun enchevtrement de fibres assez courtes constituant une sorte de matelas, souvent dsign sous le nom de laine de verre . Le diamtre moyen dune fibre est de quelques microns. Le matelas est considr comme un isolant thermique en raison de lair emprisonn et immobilis entre les fibres et qui reprsente plus de 99% de son volume.

6. la trempe du verre

Un verre plat se brise facilement lorsquil subit des contraintes de flexion. La flexion provoque des tensions (des forces) dans lpaisseur du verre. On distingue des tensions de compression et dextension qui sont la cause de la casse.

Un verre plat devient un produit de scurit lorsquil subit un processus de trempe. Celle-ci le rend cinq fois plus rsistant la flexion et aux chocs thermiques. Il existe deux possibilits de traitement : la trempe thermique et la trempe chimique. La trempe thermique : (Attention : ne pas confondre avec la recuisson du verre) Le volume de verre est chauff jusqu' 700C (temprature o les molcules peuvent se dplacer), puis refroidit trs rapidement et uniformment 300C par des jets dair froid. Les couches externes sont refroidies en premier. La surface se rigidifie car les molcules diminuent de volume et atteignent leurs dimensions dfinitives avant celles de la couche interne.Quand les rgions internes se contractent leur tour, elles tirent sur la surface et crent une tension rsiduelle de compression. Le procd cre des tensions permanentes dans lpaisseur du verre. On distingue trois couches de tensions qui permettent de compenser les tensions inverses subies par un choc ventuel, par une flexion.

La trempe chimique : Elle est plus facile contrler que la trempe thermique mais elle est plus coteuse et rserve des verres spciaux (hublot pour avion). Le verre est immerg dans un bain salin (sel de potasse ou nitrate de potassium fondu) 400C pendant une dure de 12 36 heures (ou plus en fonction de la rsistance dsire). Les ions sodium du verre quittent sa surface et sont remplacs par les ions potassium qui sont plus grands ; ceux-ci compressent la surface interne qui se met en extension. Il y a donc une compression trs leve sur une trs faible paisseur de la surface.

7. Conclusion

Si on compare les cramiques aux verres, les deux types de matriaux peuvent tre obtenus partir des mmes matires premires. La diffrence est que, dans le cas du verre, on porte la matire premire son point de fusion, et, une fois obtenu ltat liquide, on la met en forme (dans un moule, ou par soufflage).A linverse, pour laborer une cramique, on commence par la phase de mise en forme de la matire premire ltat de poudre, temprature ambiante. Ensuite, la cuisson se fait une temprature bien infrieure la temprature de fusion du matriau. Lors de cette cuisson, les particules (les grains de la poudre) se soudent les unes aux autres, en liminant la plupart des pores ou des cavits interstitielles, et, en consquence, le corps se contracte et durcit, mais garde sa forme de dpart. Ce procd sappelle le frittage.

Chapitre 7: Polymres et Composites

I. Polymres

1. Dfinition

Sous le nom gnrique de polymre ou de matire plastique, on dsigne une vaste gamme de matriaux extraits artificiellement de substances organiques et qui prsentent la proprit de pouvoir tre forms par chauffement.

Il existe:

Des polymres naturels. Exemples: La cellulose; Lamidon; Les protines; Etc

Des polymres synthtiques; fabriqus partir de petites molcules issues de la ptrochimie.Exemples: Le polythylne; Le polystyrne; Le PVC; Les polyesters; EtcUn monomre est une molcule compose principalement de carbone et dhydrogne.Le terme macromolcule dsigne simplement des grandes molcules. Ce terme est souvent utilis pour dsigner un enchanement de monomres.Un polymre peut tre dfini comme un enchanement dunits structurales rptitives. Lunit de rptition dans le polymre tant le monomre.Exemple:

CH2-CH2- est lunit du polymre.

2. Polymrisation

Polymrisation: Procd de transformation d'un monomre en un polymre

La raction qui conduit la formation des polymres est la polymrisation. Il existe deux types importants de polymrisation.

La polyaddition: Les monomres se soudent entre elles; la raction par addition ne gnre que des polymres de longueurs spcifiques, sans limination daucun sous-produit. La totalit des atomes des monomres se retrouvent dans la macromolcule (le polymre). Ex: les rsines poxydes.La polycondensation: les monomres se soudent entre elles pour former des macromolcules avec limination dun sous-produit, leau en gnral. Ex: les rsines phnolique, les rsines aminoplaste polyester

3. Structure des polymres (macromolcules)La soudure des groupes molculaires du monomre peut donner naissance trois types principaux de macromolcules Polymres linaires Polymres ramifis Polymres rticulesPolymres linaires:Les polymres les plus simples sont forms dun alignement de monomres. Les liaisons entre ces monomres se ralisent dans une seule direction. Il sagit donc de macromolcules filiformes, que lon qualifie de linaires.

Exemple : le Teflon - CF 2 - CF 2 - CF 2 - CF 2 - CF 2 - Polymres ramifis:Un polymre linaire qui, dans certains cas, prsente des accidents de polymrisation conduisant des branchements, est qualifi de ramifi.

Exemple : le polythylne (PE)

Polymres rticuls (tridimensionnels):Certaines molcules peuvent se lier entre elles, elles se nomment alors rticules.Il sagit dun pontage entre les chanes. Le plus souvent, ces liaisons sont tridimensionnelles, cest--dire quelles se dveloppent dans les trois directions de lespace, donnant une structure en volume (parfois bidimensionnelles, ne se dveloppant que dans un plan).Il arrive que la totalit de la masse ne forme quune seule macromolcule.