CHAPITRE 01 : Généralités
1.1 Historique des matériaux de construction:
Les matériaux de génie civil sont des solides utilisés non seulement pour construire des maisons, des ouvrages, ou encore aménager son environnement (équipement collectif, routes, ponts, aménagements urbains). Bien qu’un grand nombre de matériaux soit connu depuis fort longtemps, leur étude a débuté très tard, car l’homme a disposé rapidement d’une grande variété de substances pour tous ses besoins courants, sans avoir à entreprendre de recherches approfondies. Ainsi il n’a utilisé, au début, que la pierre, l’argile, la chaux, le plâtre et les matériaux biologiques naturels: bois, cuir, lin, etc.
L’ingénieur qui est chargé de concevoir, construire et maintenir un ouvrage doit savoir parfaitement les différentes propriétés des matériaux qui sont à sa disposition. Ceci lui permet de faire son choix pour obtenir des constructions rigides, efficaces, économiques et durables.
Traditionnellement, les matériaux ont été classés en métaux, céramiques, verres, textiles, polymères et matériaux composites, compte tenu à la fois de certaines propriétés caractéristiques, des méthodes d’obtention et de leur destination industrielle. Chacune de ces grandes divisions avait sa propre nomenclature, sa méthodologie, ses normes, de sorte que les comparaisons entre les divers matériaux étaient souvent difficiles. La science des matériaux, toute récente, vient unifier les propriétés de tous les matériaux.
Mais dans la construction, il est devenu courant de distinguer les matériaux selon des domaines d’emploi et des caractéristiques principales. On peut parler des matériaux de construction, de protection, de décoration, de réparation,.....
1.2 Classification des matériaux
1.2.1 Classification scientifique
Dans la science des matériaux, selon la composition et la structure, les matériaux sont classés comme suit (fig.1.1):
- Métaux et alliages ;
- Polymères ;
- Céramiques.
Figure 1.1 Classification des matériaux
1.2.2 Classification pratique
Dans la construction, les matériaux sont classés selon le domaine d’emploi et selon leurs propriétés principales (Résistance, compacité,..) comme suit :
a. Les matériaux de construction (ou de résistance) : matériaux qui ont la propriété de résister contre des sollicitations (forces) importantes (poids propre, surcharge, séisme, chaleur, ..) : Pierres, Ciments, bois, béton, métaux, terre cuite (Brique), ...
b. Les matériaux de protection : matériaux qui ont la propriété d'enrober et de protéger les matériaux de construction principaux.
1.3 Propriétés de matériaux
Ce sont des grandeurs physiques, chimiques ou mécaniques, propres au matériau. Elles sont déterminées expérimentalement.
1.3.1 Les propriétés physiques
a. La masse volumique apparente :
La masse volumique apparente d’un corps par unité de volume apparent, après séchage à 105°C, notée γap et exprimée en kg/m3 (fig.1.2).
Figure 1.2 : Corps solide
: Masse volumique apparente (kg/m3) ;
Ms : Masse d’un corps sèche ;
Vapp : Volume apparent.
Dans le cas d’un ensemble de grains, la détermination de la masse volumique apparente peut se faire en utilisant un récipient de volume connu (fig.1.3).
Figure 1.3 : Un ensemble de grains dans un récipient de volume
: Masse volumique apparente (kg/m3) ;
Ms : Masse des grains sèche;
Vapp : Volume apparent.
b. La masse volumique absolue :
La masse d’un corps par unité de volume absolu de matière solide (porosité des grains exclus), après passage à l’étuve à 105 °C (fig.1.4), notée ρ ou γ et exprimée en (g/cm3, kg/m3 ou t/m3).
Figure 1.4: Détermination de la masse volumique absolue d'un matériau
D'abord on remplie le tube gradué d’eau (N1), ensuite on verse l’échantillon sec dans le tube et le niveau de l’eau va augmenter (N2). (N2 - N1) est le volume absolu. La masse volumique absolue peut se calculer :
c. Porosité et compacité (fig.1.5):
- La porosité « P » est le rapport du volume vide au volume total :
- La compacité « C » est le rapport du volume solide au volume total :
Figure 1.5 : Volume unitaire
d. Humidité du matériau :
Indice important pour déterminer la teneur en eau réelle des matériaux au moment de son utilisation. Notée W (%). On peut la déterminer comme suit :
Msec : masse sèche (séchage à 105°C) ;
Mhum : masse humide
Le degré de l’humidité des matériaux dépend de l’atmosphère de stockage (Température, humidité et vent) et de la porosité du matériau.
e. Capacité d’absorption d’eau massique « Ab » :
L’absorption d’eau par immersion est la différence entre la masse d’un échantillon saturé dans l’eau et sa masse à l’état sec (fig.1.6).
Essai :
- Sécher un échantillon dans une étuve à 105°C soit Msec.
- Immerger l’échantillon dans l’eau jusqu’à saturation (après 24 H) soit Msat.
L’absorption d’eau se calcul comme suit :
Figure 1.6 : Échantillon immergé dans l’eau
1.3.2 Les propriétés mécaniques
a. Résistances mécaniques des matériaux
En général la résistance du matériau est sa capacité à supporter les actions de forces externes (charges, forces). Elle est définie par la contrainte maximale de rupture d’un matériau sous un chargement. On distingue principalement :
- Résistance en compression,
- Résistance en traction ( ou par flexion),
Les tableaux 1.1 et 1.2 résument la forme et les dimensions d’éprouvettes ainsi qu’aux méthodes utilisées pour déterminer respectivement, la résistance à la compression et la résistance en traction des différents matériaux.
Tableau 1.1 : Schéma et méthode de détermination de la résistance à la compression
Tableau 1.2 : Schéma et méthode de détermination de la résistance à la flexion
CHAPITRE 01 : Généralités
1.1 Historique des matériaux de construction:
Les matériaux de génie civil sont des solides utilisés non seulement pour construire des maisons, des ouvrages, ou encore aménager son environnement (équipement collectif, routes, ponts, aménagements urbains). Bien qu’un grand nombre de matériaux soit connu depuis fort longtemps, leur étude a débuté très tard, car l’homme a disposé rapidement d’une grande variété de substances pour tous ses besoins courants, sans avoir à entreprendre de recherches approfondies. Ainsi il n’a utilisé, au début, que la pierre, l’argile, la chaux, le plâtre et les matériaux biologiques naturels: bois, cuir, lin, etc.
L’ingénieur qui est chargé de concevoir, construire et maintenir un ouvrage doit savoir parfaitement les différentes propriétés des matériaux qui sont à sa disposition. Ceci lui permet de faire son choix pour obtenir des constructions rigides, efficaces, économiques et durables.
Traditionnellement, les matériaux ont été classés en métaux, céramiques, verres, textiles, polymères et matériaux composites, compte tenu à la fois de certaines propriétés caractéristiques, des méthodes d’obtention et de leur destination industrielle. Chacune de ces grandes divisions avait sa propre nomenclature, sa méthodologie, ses normes, de sorte que les comparaisons entre les divers matériaux étaient souvent difficiles. La science des matériaux, toute récente, vient unifier les propriétés de tous les matériaux.
Mais dans la construction, il est devenu courant de distinguer les matériaux selon des domaines d’emploi et des caractéristiques principales. On peut parler des matériaux de construction, de protection, de décoration, de réparation,.....
1.2 Classification des matériaux
1.2.1 Classification scientifique
Dans la science des matériaux, selon la composition et la structure, les matériaux sont classés comme suit (fig.1.1):
- Métaux et alliages ;
- Polymères ;
- Céramiques.
Figure 1.1 Classification des matériaux
1.2.2 Classification pratique
Dans la construction, les matériaux sont classés selon le domaine d’emploi et selon leurs propriétés principales (Résistance, compacité,..) comme suit :
a. Les matériaux de construction (ou de résistance) : matériaux qui ont la propriété de résister contre des sollicitations (forces) importantes (poids propre, surcharge, séisme, chaleur, ..) : Pierres, Ciments, bois, béton, métaux, terre cuite (Brique), ...
b. Les matériaux de protection : matériaux qui ont la propriété d'enrober et de protéger les matériaux de construction principaux.
1.3 Propriétés de matériaux
Ce sont des grandeurs physiques, chimiques ou mécaniques, propres au matériau. Elles sont déterminées expérimentalement.
1.3.1 Les propriétés physiques
a. La masse volumique apparente :
La masse volumique apparente d’un corps par unité de volume apparent, après séchage à 105°C, notée γap et exprimée en kg/m3 (fig.1.2).
Figure 1.2 : Corps solide
: Masse volumique apparente (kg/m3) ;
Ms : Masse d’un corps sèche ;
Vapp : Volume apparent.
Dans le cas d’un ensemble de grains, la détermination de la masse volumique apparente peut se faire en utilisant un récipient de volume connu (fig.1.3).
Figure 1.3 : Un ensemble de grains dans un récipient de volume
: Masse volumique apparente (kg/m3) ;
Ms : Masse des grains sèche;
Vapp : Volume apparent.
b. La masse volumique absolue :
La masse d’un corps par unité de volume absolu de matière solide (porosité des grains exclus), après passage à l’étuve à 105 °C (fig.1.4), notée ρ ou γ et exprimée en (g/cm3, kg/m3 ou t/m3).
Figure 1.4: Détermination de la masse volumique absolue d'un matériau
D'abord on remplie le tube gradué d’eau (N1), ensuite on verse l’échantillon sec dans le tube et le niveau de l’eau va augmenter (N2). (N2 - N1) est le volume absolu. La masse volumique absolue peut se calculer :
c. Porosité et compacité (fig.1.5):
- La porosité « P » est le rapport du volume vide au volume total :
- La compacité « C » est le rapport du volume solide au volume total :
Figure 1.5 : Volume unitaire
d. Humidité du matériau :
Indice important pour déterminer la teneur en eau réelle des matériaux au moment de son utilisation. Notée W (%). On peut la déterminer comme suit :
Msec : masse sèche (séchage à 105°C) ;
Mhum : masse humide
Le degré de l’humidité des matériaux dépend de l’atmosphère de stockage (Température, humidité et vent) et de la porosité du matériau.
e. Capacité d’absorption d’eau massique « Ab » :
L’absorption d’eau par immersion est la différence entre la masse d’un échantillon saturé dans l’eau et sa masse à l’état sec (fig.1.6).
Essai :
- Sécher un échantillon dans une étuve à 105°C soit Msec.
- Immerger l’échantillon dans l’eau jusqu’à saturation (après 24 H) soit Msat.
L’absorption d’eau se calcul comme suit :
Figure 1.6 : Échantillon immergé dans l’eau
1.3.2 Les propriétés mécaniques
a. Résistances mécaniques des matériaux
En général la résistance du matériau est sa capacité à supporter les actions de forces externes (charges, forces). Elle est définie par la contrainte maximale de rupture d’un matériau sous un chargement. On distingue principalement :
- Résistance en compression,
- Résistance en traction ( ou par flexion),
Les tableaux 1.1 et 1.2 résument la forme et les dimensions d’éprouvettes ainsi qu’aux méthodes utilisées pour déterminer respectivement, la résistance à la compression et la résistance en traction des différents matériaux.
Tableau 1.1 : Schéma et méthode de détermination de la résistance à la compression
Tableau 1.2 : Schéma et méthode de détermination de la résistance à la flexion
Chapitre 02 : Les granulats
2.1. Introduction
Les granulats c’est l’ensemble de grains minéraux appelés, fines, sables, gravillons, cailloux ou graves suivant leur dimension comprise entre 0 et 80 mm (Fig.2.1). Produits par l’érosion ou le broyage mécanique (concassage) des roches. Ce sont des matériaux inertes entrant dans la composition des bétons et mortiers.
Figure 2.1 : Les différents types de granulats
2.2. Types des granulats :
2.2.1 Granulats naturels :
a) Granulats roulés : Ils sont les résultats de la désagrégation des roches par l’eau, le vent ou le gel. Ainsi ils se sont formés des dépôts sédimentaires de grains de grosseur allant du sable fin aux gros blocs, de natures minéralogiques différentes.
Trois catégories de granulats roulés existent dans la nature (Fig.2.2):
- Les granulats de rivière (d’oued).
- Les granulats de mer.
- Les granulats de dunes.
Figure 2.2 : Les granulats roulés
b) Granulats concassés (de carrières) : ils proviennent du concassage de roches dures (granits, porphyres, basaltes, calcaires durs,…). Ils sont caractérisés par un aspect anguleux à arrêtes vives (Fig.2.3).
Figure 2.3 : Les granulats concassés
2.2.1.1 Processus de fabrication
Les fabrications des granulats se fait selon le processus suivant (Fig.2.4):
- Extraction du matériau par abattage à l'explosif (roche dure), pelle mécanique (roche moins dure) ou dragage en site aquatique (granulats alluvionnaires).
- Concassage.
- Criblage sur tamis (granulats concassés), ou sous l’eau (granulats alluvionnaires).
- Stockage à l’air libre ou en silos pour être expédier.
Figure 2.4 : Processus de fabrication des granulats
1- Extraction.
Abattage à l’explosif pour les roches dures (Fig.2.5), et par pelle mécanique pour les roches moins dures (granulats concassés), et par dragage en site aquatique (granulats alluvionnaires).
Figure 2.5 : Extraction à ciel ouvert en carrière
2- Concassage.
Opération primordiale (granulats concassés), et moins intéressante (granulats alluvionnaires). Le concassage (Fig.2.6) se fait à l’aide des concasseurs à mâchoires, qui sont des concasseurs primaires à simple effet, munis d’un système oscillant. Débit suivant le matériau : jusqu'à 15 tonnes/h.
Figure 2.6 : Concassage des granulats à l’aide des concasseurs à mâchoires
3- Criblage
Il se fait sur tamis (granulats concassés), mais il s’effectue sous l’eau (granulats alluvionnaires) à partir des cribleurs laveur. Le cribleur-laveur (Fig.2.7) sépare les plus gros éléments du reste de la roche. Ces éléments les plus gros vont être traités à part car ils sont trop gros pour être traités dans l'usine.
a) Cribleur rotatif b) Cribleur vibrant
Figure 2.7 : Le cribleur-laveur : (a) Cribleur rotatif ; (b) Cribleur vibrant
4- Stockage
Les différents types des granulats sont stockés à l’air libre ou dans des silos (Fig.2.8).
(a) Stockage à l’air libre (b) silos pour stockage
Figure 2.8 : Stockage des granulats
2.2.2 Granulats artificiels :
Ils proviennent de la transformation thermique des roches (exemple : laitier du haut fourneau). Les granulats artificiels peuvent être employés pour réaliser des bétons à usages spécifiques.
• Sous-produits industriels
Les plus employés sont le laitier cristallisé concassé et le laitier granulé de haut fourneau obtenus par refroidissement à l’eau (Fig.2.9).
(a) Le laitier cristallisé concassé (b) Le laitier granulé de haut fourneau
Figure 2.9 : Sous-produits industriels
• Granulats à hautes caractéristiques
Il s’agit de granulats élaborés industriellement pour répondre à certains emplois, notamment granulats très durs (granulats ferreux) (Fig.2.10), pour renforcer la résistance à l’usure de dallages industriels.
Figure 2.10 : Les granulats ferreux
2.2.3 Granulats recyclés
Depuis quelques années, on produit des granulats de recyclage en concassant des matériaux de démolition issus des bâtiments (Fig.2.11) ou des chaussées (bétons, pierre,…)
Figure 2.11 : Les matériaux de démolition issus des bâtiments
2.3 Classification des granulats selon la grosseur :
Un granulat est caractérisé par sa classe d/D; d et D étant respectivement la plus petite et la plus grande dimension des grains. La norme NFP18 101 indique la terminologie des granulats selon leurs dimensions:
* Fines (fillers): £ 0.08 mm
* Sables: d < 1mm et 0.08 < D < 6.3 mm
* Gravillons: d ³ 1mm et D < 31.5 mm
* Cailloux: d ³ 20 mm et D < 80 mm
* Graves: 6.3 mm < D < 80 mm
2.3.1 Granularité
La granularité représente la distribution dimensionnelle des grains contenus dans un granulat.
Exemple de courbes granulométriques d’un sable et de deux gravillons (Fig.2.12).
Figure 2.12 : Courbes granulométriques
Elle est déterminée par tamisage, avec une série de tamis, de dimensions d’ouvertures décroissantes (Fig.2.13) et exprime le pourcentage massique de granulats passant au travers d’un ensemble spécifié de tamis. La proportion de particules retenues par un tamis s’appelle le refus, son complément le passant. Elle est représentée par une courbe granulométrique représentant les dimensions de tamis en abscisses et en ordonnées les pourcentages de passants cumulés à travers les tamis successifs (en poids de grains).
Figure 2.13 : Une série de tamis
2.4. Caractéristiques des granulats:
Avant d’utiliser un matériau pour la construction il est important de connaître ces caractéristiques afin prévenir son comportement. Ces caractéristiques sont de trois types :
A) Caractéristiques physiques : masse ou poids volumique, densité, porosité, perméabilité, isolation phonique et thermique,…
B) Caractéristiques mécaniques : résistance à la compression, à la traction, aux chocs, à l’usure (mécanique et par érosion), résistance à l’effet cyclique gel – dégel,…
C) Caractéristiques chimiques : stabilités en présence de certains produits et matières chimiques ; acides, bases, solutions salines, eau,…
On discutera dans ce qui suit quelques propriétés utilisées largement en génie civil.
2.4.1 Caractéristiques physiques.
a) Masse volumique :
m : masse d’un échantillon du matériau.
V : volume du même échantillon (pores compris)
Unités de la masse volumique : (unité de masse / unité de volume) ; kg/m3, t/m3,…etc.
b) Poids volumique :
g : accélération de gravité.
V : volume du même échantillon (pores compris)
Unités du poids volumique : (unité de force / unité de volume) ; N/m3, kN/m3, kgf/m3, tf/m3…etc.
N.B : 1kgf = 10N, 1 tf = 10x1000N = 10kN.
c) Densité : pour les matériaux granulaires (formé de grains), il est particulièrement intéressant de définir la masse volumique des grains solides appelée souvent densité.
Elle est notée :
ms : masse des grains solides d’un échantillon du matériau.
Vs : volume des grains solides du même échantillon
d) Densité relative : c’est la densité du matériau rapportée à celle de l’eau. Elle est notée :
Deau : densité de l’eau.
Deau=1000 kg/m3
D : densité du matériau (en même unité)
Le tableau 2.1 montre les densités de quelques matériaux de construction :
Pour le béton armé on prend généralement (sauf indication contraire) une densité de 2500 kg/m3.
e) Porosité : La porosité dans un matériau (Fig.2.14) est définie par :
n = Vv / Vtot
Où :
Vtot : volume total d’un échantillon
Vv : volume des vides à l’intérieur de l’échantillon
Figure 2.14 : Un matériau poreux
2.4.2 Caractéristiques Mécaniques :
• Les matériaux composant une construction peuvent être sollicités par différents efforts internes ; compression, traction, flexion…etc.
• Les propriétés mécaniques permettent de caractériser le comportement du matériau (ou de la construction) sous l’effet de ces sollicitations (efforts internes).
• Les matériaux pierreux (pierres et bétons) résistent bien à la compression mais beaucoup moins à la traction.
• Les métaux résistent bien à la traction et à la compression.
2.4.2.1 Résistance à la compression :
C’est la contrainte de rupture du matériau sous l’effet d’une force de compression. Elle est mesurée par écrasement d’une éprouvette cubique ou cylindrique (normalisée) entre deux plateaux d’une presse (Fig.2.15).
Figure 2.15 : Un essai de compression
Contrainte de rupture :
Frupture : force de compression maximale atteinte pendant l’essai.
A : aire de l’éprouvette normale à
Les dimensions des éprouvettes sont choisies en fonction du degré d’homogénéité du matériau ; pour les matériaux homogènes on utilise des éprouvettes de petites dimensions, pour les matériaux moins homogènes on utilise des éprouvettes plus grandes. Pour le béton on utilise les éprouvettes normalisées de forme cylindriques ; 16 cm de diamètre, 32 cm de hauteur.
2.4.2.2 Résistance à la traction :
Mesurée pour les métaux et les bois essentiellement. Pour l’acier un utilise des éprouvettes sous forme de tiges rondes ou de bandes (Fig.2.16).
Figure 2.16 : Des éprouvettes en acier
Contrainte de rupture :
Frupture : force de traction maximale atteinte pendant l’essai.
A : aire de l’éprouvette normale à
2.4.2.3 Module de déformation (Module de Young) :
Prenant comme exemple une courbe (contrainte – déformation) ressortie d’un essai de traction sur une éprouvette d’acier. Pour cette courbe, trois phases de déformation peuvent être distinguées (Fig.2.17):
Figure 2.17 : La courbe (contrainte – déformation)
F : force appliquée
A : section transversale de l’éprouvette.
l : longueur initiale de l’éprouvette.
Δl : allongement de l’éprouvette sous de la force F.
1) Phase de proportionnalité : déplacement proportionnel à la force appliquée, dite aussi phase de déformation élastique. L’élasticité est la propriété de rétablir les dimensions initiales après l’enlèvement de la charge.
2) Phase de plasticité : phase de déformation plastique. La plasticité est la propriété de se déformer sans se fissurer et de garder cette forme après l’enlèvement de la charge.
3) Phase de rupture : développement de striction puis rupture.
La phase proportionnalité peut être caractérisée par un coefficient de proportionnalité, il reliant la déformation à la contrainte appliquée il est dit : Module de déformation (ou Module de Young) :
2.4.3 Caractéristiques chimiques
2.4.3.1 Teneur en chlorures
Les chlorures modifient la vitesse d’hydratation du ciment et provoquent la corrosion des armatures. La teneur en chlorure (Cl) issu de l’ensemble des constituants du béton est donc limitée.
2.4.3.2 Teneur en soufre et en sulfates
Les granulats peuvent contenir de faibles quantités de sulfates et de sulfures sous réserve que leur teneur en soufre total S n’excède pas 0,4 % en masse. La teneur en sulfates (SO3) doit être inférieure à 0,2 %. Les sulfures présents dans les granulats peuvent en s’oxydant se transformer en sulfates qui risquent de générer des phénomènes de gonflement. Il faut donc limiter la teneur en souffre pour se prémunir de ce phénomène. Les sulfates peuvent perturber la prise et les actions des adjuvants d’où la nécessité de limiter leur teneur dans le béton.
Chapitre 03 : Les liants
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 sorte de 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 hydrauliques : qui durcissent et conservent leurs propriétés mécaniques non seulement à l’air mais aussi dans l’eau (ex: ciment Portland)
- Liants aériens : qui ne durcissent et ne peuvent conserver leurs propriétés mécaniques qu’à l’air (ex: chaux grasse, plâtre,…),
3.2 Le ciment :
Le ciment est un liant hydraulique obtenu par cuisson (à 1450°C) et broyage d’un mélange de calcaire et d’argile (Fig.3.1).
Figure 3.1 : Schéma de la fabrication du ciment Portland
3.2.2 Fabrication du ciment
a. Extraction
Les matières premières (80% de calcaire et 20% d’argile) sont extraites à partir des carrières naturelles à ciel ouvert par tirs de mines ou raclage du terrain par des engins (scrapers). Elles sont acheminées par des dumpers ou des bandes transporteuses vers l’atelier de concassage (Fig.3.2).
(a) Dumper Figure (b) Bandes transporteuses
Figure 3.2 : Extraction de la matière première
b. Concassage
Cette opération permet l’obtention de cailloux de plus petites tailles (50 mm maximum). Les blocs obtenus sont réduits dans des concasseurs situés généralement sur les lieux même de l’extraction. Après ce concassage primaire (Fig.3.3), les matières premières sont transportées vers l’usine ou elles sont stockées et préparées.
Figure 3.3 : Concassage primaire de la matière première
c. Préparation de cru
Un mélange homogène d’argile et de calcaire est réalisé. Les proportions sont déterminées selon leurs compositions chimiques et sont toujours proche de 80 % de calcaire et 20% d’argile. Le mélange est broyé en une poudre de granulométrie inférieure à 200 microns. La poudre obtenue est homogénéisée par un mélangeur pneumatique ou mécanique. Le produit obtenu est appelé « le CRU ».
d. Cuisson du cru
Il s’agit de l’opération la plus importante du protocole de fabrication en termes de potentiel d’émissions, de qualité et de coût. La cuisson est réalisée dans des fours longs (Fig.3.4) rotatifs (1,5 à 3 tours/mn) habillés d’une tôle d’acier avec un revêtement en briques réfractaires à l’intérieur (Fig.3.5), dont les dimensions les plus courantes sont de l’ordre de 5 mètres de diamètre et de 80 à 100 mètres de longueur (la longueur peut atteindre 200 mètres pour la voie humide) et légèrement incliné (2 à 3% d’inclinaison).
Figure 3.4 : Four rotatif Figure 3.5 : Intérieur du four
Depuis son apparition vers 1895 le four rotatif est devenu l’élément central de toutes les installations modernes de production du clinker. A une température comprise entre 1400°C et 1500°C, la cuisson permet la transformation du cru en Clinker. Le cycle du traitement comporte les phases suivantes :
- Le préchauffage du cru à l’amont du four.
- La décomposition des argiles à partir de 500°C.
- La décarbonatation des calcaires (CO2) qui s’effectue à 900°C dans la partie médiane du four.
- La formation du Clinker ou clinkérisation à 1450°C qui s’effectue en partie aval du four près du brûleur.
e. Broyage et conditionnement
Le broyage est la dernière phase de la fabrication du ciment. Cette opération est déterminante pour la qualité du ciment car son degré de finesse influence, de manière prépondérante, les caractéristiques de ce liant. En effet, le ciment Portland est obtenu en broyant finement le Clinker pour donner un ciment aux propriétés hydrauliques actives. Lors de cette étape, le gypse (3 à 5%), indispensable à la régulation de prise de ciment, est ajouté au Clinker. On obtient alors le ciment portland. Ce broyage s’effectue dans des broyeurs à boulets, dispositifs cylindriques chargés de boulets en acier spéciaux et mis en rotation à une vitesse calculée. Les grains sont traités collectivement à l’intérieur du broyeur par des boulets qui opèrent par chocs (Fig.3.6).
Figure 3.6 : Broyeur rempli de boulets en acier et tapissé de plaques de blindage
- · Les stations de broyage fonctionnent généralement en circuit fermé, c'est-à-dire qu’elles peuvent séparer le ciment présentant le niveau de finesse requis et renvoyer le ciment insuffisamment broyé dans le broyeur. Cette méthode la plus répandue dans les cimenteries permet d’obtenir moins de ciment sur broyé. En circuit ouvert la matière va d’une extrémité à l’autre du broyeur, la finesse est fonction du débit d’alimentation, la tendance au sur broyage est très élevée (Fig.3.7).
Circuit ouvert Circuit fermé
Figure 3.7 : Type de circuit dans le broyeur
3.2.3 Ajouts cimentaires :
C’est des poudres fines ajoutées au ciment pour réduire le coup de production et améliorer les propriétés du béton. En peut citer :
ü Le Laitier de haut fourneau : Matériaux issu de l’industrie de la fonte dans les hauts fourneaux. Il est composé principalement de chaux (45-50%), de silice (30-35%), d’alumine (10-15%) et de magnésie (7-10%).
ü Pouzzolane naturelle : Produits d’origine volcanique, présentant des propriétés pouzzolaniques. Elles sont essentiellement composées de silice réactive, d’alumine et d’oxyde de fer.
ü Fumée de silice : Particules sphériques très fines ayant une très haute teneur en silice (≥ 85 %), issue de l’industrie de fabrication du silicium ou des alliages à base de silicium.
ü Calcaire : Lorsqu´ils sont utilisés dans une proportion excédant 5 %, en masse (constituant principal)
Ces constituants sont broyés avec le Clinker ou doivent être séchés et broyés séparément (les stations de broyage peuvent être implantées ailleurs que sur le site de production du Clinker). La précision et la fiabilité du pesage et du dosage des matériaux introduits dans le broyeur, sont déterminantes pour le maintien d’un bon rendement énergétique de l’atelier de broyage. De ce point de vue, le tapis d’alimentation peseur est l’équipement le plus important pour l’alimentation de la station de broyage.
3.2.4 Composition chimique et minéralogique du ciment
Lors de la cuisson du CRU, les constituants principaux de la matière première (Tableau 3.1) réagissent entre eux pour former principalement quatre (04) composés minéralogiques (Tableau 3.2).
Tableau 3.1 : Teneur moyenne des oxydes constitutifs du clinker.
Tableau 3.2 : Composition minéralogique du ciment.
3.2.5 Types et Classification des ciments
3.2.5.1 Types du ciment
L’industrie cimentière commercialise de nombreux types de ciments afin de répondre aux différents problèmes rencontrés lors de la construction des ouvrages :
- Résistances mécaniques
- Résistance à une attaque physique ou chimique
- Mise en œuvre particulière.
Tableau 3.3 : Liste des différents types de ciments courants normalisés par la norme NF P 15-301.
3.2.5.2 Classification des ciments
Les ciments sont répartis en trois classes de résistances ; 32.5 - 42.5 - 52.5, définis par la valeur minimale de la résistance caractéristique du ciment à 2 et à 28 jours. La résistance du ciment est déterminé sur des éprouvette de mortier de ciment (Mortier normalisé ; 3sable/1ciment/0,5 Eau). Le tableau 3.4 montre les classes de résistance du ciment.
3.2.5.3 Domaine d’utilisation des différents ciments :
Le tableau 3.5 montre le domaine d’utilisation de chaque type de ciment.
3.2.5.4 Stockage et expédition du ciment
Le ciment, liant hydraulique, réagi avec l’eau, doit être protégés contre l’humidité et les intempéries. Les différents types de ciment sont stockés dans des silos différents (Fig.3.8), mais il faut souvent plusieurs silos pour stocker un type donné de ciment. Cependant grâce aux nouvelles conceptions, il devient possible de stocker des ciments différents dans un même silo. La plus grande partie du ciment produit est livrée en vrac dans des camions-citernes, et l’autre partie est soit chargé en vrac dans des wagons, ou envoyé dans un atelier d’ensachage. Dans ce dernier le ciment produit est conditionné automatiquement dans des sacs en papier de 50 kilos par une ensacheuse rotative (Fig.3.9).
Figure 3.8 : Silos de stockage Figure 3.9 : Ensacheuse rotative
3.3 La chaux
Toutes les civilisations connaissent l'utilisation de liants à bâtir (chaux ou plâtre), mais ce sont les romains qui, en réussissant à améliorer la qualité de leur mortier de chaux et en faisant leur matériau de construction principal, ont inventé l'architecture moderne. A cette même époque, les civilisations méditerranéennes emploient aussi la chaux dans les enduits, décorations et peintures, …
3.3.1 Différents types de chaux
La présence de l'argile dans le calcaire provoque d’importantes modifications qui affectent la chaux aussi bien à l'extinction qu'à la prise. Suivant le pourcentage de l’argile présente dans la
roche pendant la calcination, on peut distinguer deux types de chaux :
3.3.1.1 Les chaux hydrauliques (NHL : Natural Hydraulic Lime)
Elles Prennent sans l'aide du CO2 de l'air. Un mortier fait avec de telles chaux peut durcir sous l'eau. Elles sont obtenues avec des calcaires contenant entre 8 et 20 % d’argile.
On note que les chaux hydrauliques naturelles sont calcinées comme les chaux aériennes aux mêmes conditions. Elles se distinguent principalement par leur résistance à la compression mesurée après 28 j donnée ci-dessous :
- Chaux faiblement hydraulique (NHL 2): Correspond à une résistance comprise entre 2 et 5 MPa.
- Chaux moyennement hydraulique (NHL 3,5) : Correspond à une résistance comprise entre 3,5 et 10 MPa
- Chaux fortement hydraulique (NHL 5) : Correspond à une résistance comprise entre 5 et 15 MPa.
3.3.1.2 Les chaux aériennes (CL : Calcic Lime)
La prise s'effectue seulement en présence du gaz carbonique de l'air (d'où la lenteur de la prise et la possibilité de conservation de grandes quantités de chaux éteinte).
Les chaux aériennes se distinguent elles-mêmes en:
- Chaux grasse : qui est du calcaire pur, ou contient 0,1 à 1 % d'argile
- Chaux maigre : qui contient 2 à 8 % d'argile.
On distingue trois types de chaux aériennes selon le pourcentage d’additions de calcaire ou d’oxyde de magnésium.
– Chaux calcique : Chaux fabriquée à partir d’un calcaire CaCO3 pur ou contenant moins de 5% d’oxyde de magnésium MgO.
– Chaux magnésienne : Chaux fabriquée à partir d’un calcaire CaCO3 contenant de 5% à 34% d’oxyde de magnésium.
– Chaux dolomitique : Chaux contenant de l’oxyde de calcium et de 34% à 41% d’oxyde de magnésium.
Les chaux aériennes résultent de la cuisson de roches calcaires à une température environ 1000°C (Fig.3.10). Les roches calcaires naturelles contiennent souvent des impuretés en particulier argileuses, selon le degré de pureté des calcaires utilisés on peut avoir de la chaux aérienne ou hydraulique. Elle s’obtient à partir de roches calcaires contenant au plus 10% d’impuretés argileuses.
Calcaire Chaux vive Gaz carbonique
(a) Pierres calcaires (b) Morceaux de chaux vive
Figure 3.10 : Calcination de la chaux
- La chaux vive (Oxyde de Calcium) : Réagit au contact de l'eau avec un fort dégagement de chaleur puis se transforme en une poudre blanche appelée chaux éteinte (Fig.3.11).
Chaux vive Chaux éteinte
(a) Morceaux de chaux vive (b) Poudre de chaux éteinte
Figure 3.11 : Hydratation de la chaux
- Chaux éteinte : En présence de gaz carbonique, la chaux éteinte peut faire une carbonatation et redevenir calcaire.
Chaux éteinte Calcaire
Ainsi la chaux ne peut durcir qu’en contact avec l’air (gaz carbonique) (Fig.3.12).
Figure 3.12 : Cycle de la chaux
3.3.2 Classification de la chaux
On avait observé au 17e et au 18e siècles, sans pouvoir l'expliquer, que certaines chaux dites "maigres" obtenues à partir de calcaires impurs, résistaient mieux que les chaux grasses provenant de calcaires trop purs (et qu'elles pouvaient même légèrement durcir sous l'eau).
Louis Vicat, grâce à des recherches commencées en 1812, montra que pour obtenir des chaux hydrauliques, il fallait que la matière première utilisée contienne une certaine proportion d'argile. On peut classer les chaux, comme l’avait proposé Vicat grâce à un indice d’hydraulicité ‘i’ qui est donné par le rapport des éléments les plus acides aux éléments les plus basiques:
Suivant le tableau 3.6 les valeurs de i, les chaux sont plus ou moins hydrauliques
3.3.3 Les constituants de la chaux
La chaux hydraulique naturelle est donc le résultat de la cuisson d'un mélange de roches calcaires et de 15 à 20 % d'argile. Il existe des chaux hydrauliques artificielles qui résultent du broyage simultané de clinker, de ciment et de fillers calcaires.
En résumé selon la roche ou le constituant d'origine et le traitement subi, on obtient dans le tableau 3.7 les différents constituants de la chaux suivantes :
3.3.4 Processus de fabrication de la chaux
a. Extraction :
Le calcaire est extrait des carrières. Traditionnellement, l’extraction se faisait par des moyens manuels (pics, pioches,…). On à recours actuellement à l’utilisation d’explosifs (tirs de mine) pour faciliter l’extraction de la roche, les blocs ainsi obtenus sont charriés par des pelles mécaniques et déposés dans des camions chargeurs. Ils sont acheminés vers les ateliers de préparation, où débute leur transformation (concassage, criblage et calibrage).
b. Concassage, criblage et calibrage :
La première opération consiste à concasser, puis cribler les blocs, de façon à acquérir un calibre de pierre compatible avec le type de four utilisé. Les fours verticaux requièrent une fourchette de calibre de 20 à 140 mm, contre 5 à 40 mm pour les fours rotatifs.
c. Cuisson ou calcination :
Aujourd’hui deux types de fours sont employés dans l’industrie pour la cuisson du calcaire (Fig.3.13).
Figure 3.13 : Processus de fabrication de la chaux
Le four vertical ou four droit, se présente généralement sous la forme d’un cylindre en acier (dim. Moy. : diam. 2m et H. 8m), chemisé intérieurement avec un matériau réfractaire, résistant à la corrosion. Il comporte des ventilateurs de tirage. La partie inférieure est munie d’une grille de défournement. Les perfectionnements de ces dernières années ont contribué à faire du four droit annulaire le plus économique d’un point de vue énergétique. On distingue, en effet, les fours droits anciens, utilisant des combustibles solides (coke métallurgique, charbons,…). Ils consomment environ 150 kg de charbon par tonne de chaux et ont une production assez faible: quelques tonnes à quelques dizaines de tonnes par jour (Fig.3.14).
Les fours droits modernes, utilisent des combustibles d’origines végétales (pépins de raisin…), le gaz. Leur capacité de production, nettement plus importante, est de 150 à 500 tonnes par jour. L’alimentation en calcaire se fait par le haut du four. Le choix d’un bon calibrage des pierres permet une bonne circulation des flammes et une répartition homogène de la température.
(a) Four droit à combustible solide (b) Four droit annulaire à combustible
liquide ou gazeux
Figure 3.14 : Four droit
Le four rotatif (Fig.3.15) possède les caractéristiques de ceux utilisés dans l’industrie cimentière. Pour fabriquer de la chaux, il cuit le matériau entre 1000°c et 1300°c, suivant le type de chaux produite. Le calcaire est introduit par l’un des côtés. Il traverse une zone de préchauffage avant de subir la calcination. La chaux est refroidie avant d’être extraite Le four de type horizontal consomme plus de combustible que les fours droits. En contrepartie, la production peut atteindre 1000 tonnes par jour. Avantage supplémentaire, la conduite de ce type de four est plus souple (calibrage de pierre plus petit, démarrage rapide, …), cependant sa forte consommation en combustible fait que les industriels préfèrent aujourd’hui le four droit.
La cuisson s'effectue en général dans des fours verticaux à marche continue, dans lesquels un mélange intime de pierre et de charbon est introduit à la partie supérieure par couches alternées. La pierre descend lentement, en traversant d'abord une zone de préchauffage, provoquant l'évaporation de l'eau libre et la déshydratation des marnes (vers 200°c). Elle traverse ensuite une zone de calcination où elle est décarbonatée (à partir de 900 °C). La zone de cuisson proprement dite, ou se forment les silicates et aluminates de chaux, se situe à une température variant entre 1000 et 1200 °C selon la qualité de chaux recherchée.
Figure 3.15 : Four rotatif à combustible liquide ou gazeux
c. Extinction :
La chaux vive recueillie à la sortie du four passe alors par un traitement destiné à éteindre complètement la chaux libre tout en respectant les silicates et aluminates qui lui donnent son caractère hydraulique. En fait, ces silicates et aluminates fixent d’abord de l’eau, puis la perdent au profit de la chaux restant à éteindre. L’action d’extinction se fait suivant deux techniques:
-Par immersion : La chaux est mise dans des paniers dans l’eau pendant quelques secondes. Ce procédé est identique à celui utilisé pour l’extinction de la chaux grasse.
-Par aspersion : La chaux est étalée en couches de 15 à 20 cm. On l’arrose légèrement puis on la retourne et on l’arrose à nouveau de manière à ce que toute la masse soit humectée.
La quantité d’eau employée se détermine expérimentalement (15 à 20% du poids de chaux). On relève ensuite la chaux en tas et on la laisse ainsi jusqu’à l’extinction complète (env. 2 semaines); la fin de l’opération étant marquée par la transformation du produit en poudre.
Dans certains cas d’extinction difficile, on utilise un extincteur rotatif en tôle qui reçoit intérieurement la quantité nécessaire à l’opération. Après extinction, la chaux est stockée en silo.
3.3.5 Additions principales de la chaux
Le matériau obtenu peut faire l'objet, selon les cas, d'une mouture avec additions d'autres constituants : clinker, laitier, pouzzolane. Lorsqu'aucune addition n'est effectuée, le terme "pur" peut être appliqué à la chaux hydraulique naturelle (XHN pure).
Le produit qui passe alors à travers les mailles de la toile constitue la chaux lourde. Souvent on mélange cette chaux lourde à la chaux légère pour obtenir une chaux éminemment hydraulique.
3.3.6 Propriétés principales de la chaux
Les propriétés principales de la chaux dépendent du type de chaux :
XHN: appartient à l'une des classes de résistance : 30, 60 et 100. Ces classes correspondent à des résistances à la compression minimales à 28 jours et en bars; ex. : une chaux hydraulique naturelle offrant une résistance à la compression minimale à 28 jours de 60 bars est désignée sous le symbole de XHN 60. La masse volumique apparente du produit est comprise pour les XHN 60 et 100 entre 650 et 900 kg/m3, La masse volumique absolue varie de 2600 à 2900 kg/m3. La chaux hydraulique en poudre est jaune claire. Elle est plus claire que les ciments et contient au moins 10% de chaux libre. Le temps de stockage : 6 mois.
XHA : elles sont également classées selon leur résistance minimale à 28 jours, exprimée en bars. En revanche, la classe 30 n'existe pas pour les XHA.
Le tableau 3.8 montre la classe de résistance de la chaux.
3.3.6.1 Prise des chaux hydrauliques:
C’est au contact de l’eau que les silicates et aluminates calciques forment des hydrates insolubles dans l’eau (prise hydraulique). Les proportions d’alumines et de fer sont très faibles. Le phénomène de prise hydraulique est dû à la réaction :
2CaO, SiO2 → CaO, SiO2nH2O + Ca(OH)2
Par la suite, au contact de l’air humide, la chaux et les hydrates ainsi formés vont se carbonater (avec le CO2 de l’air) pour redonner le carbonate de calcium et la silice d’origine (prise aérienne). Cette réaction prend plusieurs mois : c’est la partie aérienne de la prise. Le caractère hydraulique des chaux se traduit également par leur prise ou leur durcissement plus ou moins rapide sous l’eau (Tp= 150 mn). Les XHN utilisés dans le bâtiment sont généralement hydrauliques ou éminemment hydrauliques.
3.3.7 Domaine d’utilisation de la chaux
Les mortiers de chaux hydraulique trouvent leur application essentiellement dans le bâtiment où leurs qualités sont appréciées pour les enduits, la maçonnerie (joints, pose de carrelage).
- Enduits :
Les nombreuses qualités de la chaux, notamment plasticité et adhérence pour les XHN, rendent son emploi très intéressant et très efficace dans la réalisation des enduits extérieurs et intérieurs (Fig.3.16). La XHN est utilisée dans la restauration des constructions anciennes et monuments historiques (mosquées, palais), ces ouvrages ont souvent été faits en utilisant de la chaux, et ce liant convient bien puisqu'il redonne à ces constructions leur aspect d'origine.
Figure 3.16 : Enduit extérieur d’un mur
- Mortiers de pose et de jointement :
La chaux hydraulique constitue un matériau de choix pour la préparation des mortiers de pose et de liaison. Le remplissage des joints se fait parfaitement grâce à l'onctuosité du liant. Les risques de fissuration sont minimes à condition que l'épaisseur du mortier des joints réalisés soit d'au moins 10 à15 mm.
- Bétons de remplissage :
Les chaux hydrauliques ne sont pas utilisables pour la réalisation de bétons destinés à supporter des charges importantes, mais elles peuvent être utilisées comme bétons de remplissage destinés par exemple à niveler le fond d’une fouille de fondation ou à constituer le support d'un carrelage.
Chapitre 04 : Les mortiers
4.1 Introduction
Dans toute construction, il est indispensable de réunir entre eux les différents éléments (blocs de béton, briques, éléments en béton préfabriqué, etc.) au moyen d’un mortier de ciment ou d’autre liant qui a pour but de:
- Solidariser les éléments entre eux;
- Combler les interstices entre les blocs de construction.
Le mortier est obtenu par le mélange d’un liant (chaux ou ciment), de sable, d’eau et éventuellement d’additions. Des compositions multiples de mortier peuvent être obtenues en jouant sur les différents paramètres: liant (type et dosage), adjuvants et ajouts, dosage en eau. En ce qui concerne le liant, tous les ciments et les chaux sont utilisables; leur choix et le dosage sont fonction de l’ouvrage à réaliser et de son environnement.
La durée de malaxage doit être optimum, afin d’obtenir un mélange homogène et régulier. Les mortiers peuvent être:
- Préparés sur le chantier en dosant et en mélangeant les différents constituants y compris les adjuvants.
- Préparés sur le chantier à partir de mortiers industriels secs prédosés et avant l’utilisation, il suffit d’ajouter la quantité d’eau nécessaire.
- Livrés par une centrale: ce sont des mortiers prêts à l’emploi.
Les mortiers industriels se sont beaucoup développés ces dernières années; permettant d’éviter le stockage et le mélange des constituants sur des chantiers.
4.2 Composition
Le mortier est un des matériaux de construction, qui contient du ciment; de l’eau; du sable; des adjuvants et éventuellement des additions. Ils peuvent être très différents les uns des autres selon la nature et les pourcentages des constituants et le malaxage. Les mortiers sont constitués par des mélanges de:
- Liant (ciment ou chaux) ;
- Eau ;
- Sable ;
- Adjuvants.
4.2.1 Les liants:
Généralement, on peut utiliser:
- Les ciments normalisés (gris ou blanc);
- Les ciments spéciaux (alumineux fondu, prompt, ..);
- Les liants à maçonner;
- Les chaux hydrauliques naturelles;
- Les chaux éteintes
4.2.2 Les sables:
Normalement, les sables utilisés sont les sables appelés “sable normalisé”. Les sables de bonne granulométrie doivent contenir des grains fins, moyens et gros. Les grains fins se disposent dans les intervalles entre les gros grains pour combler les vides. Ils jouent un rôle important: Ils réduisent les variations volumiques, les chaleurs dégagées et même le prix. Les dosages se feront en poids plutôt qu’en volume comme c’est souvent le cas, afin d’éviter les erreurs de dosage, par suite de l’augmentation de volume de sable humide.
Ils peuvent être:
- Naturels et roulés (de rivières, de sablières, ..), de nature siliceuse ou silico-calcaire;
- Naturels concassés (roches de carrières), comme des basaltes, porphyres, quartzites. Ils sont anguleux et durs ;
- Sable de laitier;
- Sable de briques concassées;
Certains sables sont à éviter, notamment les sables très fins, les sables crus qui manquent de fines et les sables de dunes ou de mer qui contiennent des sels néfastes pour les constituants des ciments, par contre ils doivent être propres.
Le diamètre maximum des grains de sable utilisés pour les mortiers est:
- Extra-fins: jusqu’à 0,8 mm (en tamis), soit 1 mm (en passoire);
- Fins: jusqu’à 1,6 mm;
- Moyens: jusqu’à 3,15 mm;
- Gros: jusqu’à 5 mm.
4.2.3 Les adjuvants:
Les adjuvants sont des produits chimiques que l’on utilise dans le cas des bétons. Ils modifient les propriétés des bétons et des mortiers auxquels ils sont ajoutés en faible proportion (environ de 5% du poids de ciment). Les mortiers peuvent comporter différents types d’adjuvants:
- Les plastifiants (réducteurs d’eau);
- Les entraîneurs d’air;
- Les modificateurs de prise (retardateurs, accélérateurs);
Dans tous les cas des soins particuliers doivent être pris afin d’obtenir des mortiers, homogènes d’une gâchée à l’autre.
4.2.4 Les ajouts:
Les ajouts que l’on utilise dans les mortiers sont:
- Poudres fines pouzzolaniques (cendres, fumée de silice..);
- Fibres de différentes natures;
- Colorants (naturels ou synthétiques);
- Polymères.
4.3 Les différents types de mortiers
Dans les travaux publics on utilise différents types de mortier:
4.3.1 Les mortiers de ciment
Les mortiers de ciments sont très résistants, prennent et durcissent rapidement. Le dosage du rapport entre le ciment et le sable est en général volumétrique de 1: 3 et le rapport de l’eau sur ciment est environ 0,35.
Figure 4.1 : Le mortier de ciment
4.3.2 Les mortiers de chaux
Les mortiers de chaux sont moins résistants par rapport aux mortiers de ciment. La durée du durcissement des mortiers de chaux est plus lente que pour les mortiers de ciments.
Figure 4.2 : Le mortier de chaux
4.3.3 Les mortiers bâtards
Ce sont les mortiers, dont le liant est le mélange de ciment et de chaux. Généralement, on utilise la chaux et le ciment par parties égales, mais des fois on prend une quantité plus ou moins grande de l’un ou l’autre suivant l’usage et la qualité recherchée.
Figure 4.3 : Sac de mortier bâtard
4.3.4 Mortiers fabriqués sur chantier
Ils sont préparés avec le ciment et le sable du chantier. Le ciment est un ciment courant CPA ou CPJ et parfois des ciments spéciaux comme le ciment alumineux fondu.
On emploie également des chaux hydrauliques. Le sable est le plus souvent roulé (nature silico-calcaires) parfois concassé et le gâchage s’effectue à la pelle ou à l’aide d’une petite bétonnière. Ces mortiers ne sont donc pas très réguliers et les sables peuvent être différents d’une livraison à l’autre, mais de toutes façons ils doivent être propre et de bonne granulométrie.
Le sable est généralement dosé en poids (ce qui est préférable), soit en volume (cas des petits chantiers). Dans ce dernier cas, il est très important de tenir compte du phénomène de foisonnement des sables.
4.3.5 Mortier industriel
Ce sont des mortiers que l’on fabrique à partir de constituants secs, bien sélectionnés, conditionnés en sacs, contrôlés en usine et parfaitement réguliers. Pour utiliser ce type de mortiers, il suffit de mettre la quantité d’eau nécessaire et malaxer pour ensuite les mettre en œuvre. Les mortiers peuvent contenir des liants et des sables variés ainsi que certains adjuvants et éventuellement des colorants.
Les fabricants de mortiers industriels proposent une gamme complète de produits répondant à tous les besoins:
- Mortiers pour enduits de couleur et d’aspect varié ;
- Mortiers d’imperméabilisation ;
- Mortier d’isolation thermique ;
- Mortier de jointoiement ;
- Mortier de scellement, mortier pour chapes ;
- Mortier-colle pour carrelages, sur fond de plâtre ou de ciment, etc. ;
- Mortier de réparation.
4.4 Caractéristiques principales
Les caractéristiques principales des mortiers sont:
- Ouvrabilité;
- Prise;
- Résistances mécaniques;
- Retraits et gonflements, etc.
Pour pouvoir évaluer les caractéristiques des mortiers on prend souvent comme référence le mortier 1/3 composé en poids de : une partie de ciment et de 3 parties de sable normalisé dont les grains s’échelonnent de 80 microns à 2 mm et passent dans un fuseau bien déterminé (Fig.4.4) et le rapport E/C est environ de 0,45.
Ce mortier est malaxé et mis en place dans des moules métalliques suivant des méthodes normalisées. On fait sur ce mortier des essais rhéologiques et éventuellement la prise et la chaleur d’hydratation. Beaucoup d’essais de laboratoires se font sur les prismes de 4 x 4 x 16 cm (la prise, résistances mécaniques, retrait, gonflement, …).
Figure 4.4 : Courbe granulométrique du sable normalisé selon les normes AFNOR
4.4.1 Ouvrabilité
L'ouvrabilité d'un mortier se mesure à l'aide de divers appareils. Les plus connus sont:
a) La table à secousses (Fig.4.5): le mortier, après avoir été mis en place et démoulé d'un moule tronconique, reçoit 15 chocs en 15 secondes. On mesure le diamètre de la galette ainsi obtenue. L'étalement en % est donné par la formule:
Avec : Dr = diamètre final et Di = diamètre initial.
Figure 4.5 : Table à secousses
4.4.2 Prise
Le temps de prise se mesure habituellement sur une pâte pure de ciment de consistance normale (24 à 30% d'eau) et conformément à la norme concernée (à l'aide de l'appareil de Vicat). Il est possible d'obtenir (hors norme) le temps de prise d'un mortier avec le même appareillage mais en plaçant une surcharge de 700 grammes sur le plateau supérieur. Le poids de l'aiguille pénétrant dans le mortier est de 1000 grammes. Le début de prise est l'instant où l'aiguille s'arrête à 2,5 mm du fond et la fin de prise est l'instant où l'aiguille s'arrête à 2,5 mm du niveau supérieur (Fig.4.6).
Figure 4.6 : Appareil de Vicat muni de l'aiguille avec une surcharge
4.4.3 Résistances mécaniques
Les essais sont souvent effectués sur les éprouvettes prismatiques de 4 x 4 x 16 cm conservés dans l'eau à 20 °C (Fig.4.7).
Figure 4.7 : Moule pour moulage des éprouvettes de mortier
Les éprouvettes sont rompues par flexion (Fig.4.8) puis en compression (Fig.4.9). Les résistances, aussi bien par flexion qu'en compression, progressent avec le temps (entre 1 et 28 jours).
Figure 4.8 : Dispositif pour l'essai de résistance à la flexion.
Figure 4.9 : Dispositif de rupture en compression.
Les résistances des mortiers (comme dans le cas des bétons) dépendent de très nombreux facteurs:
- nature et dosage en ciment;
- rapport C/E;
- granulométrie et nature du sable;
- énergie de malaxage et mise en œuvre;
4.4.4 Retraits et gonflements
Les retraits se mesurent sur des prismes 4 x 4 x 16 cm en mortier 1/3, après démoulage, dans une enceinte à 20 °C (Fig.4.10). Ce retrait progresse avec le temps 1 et 28 jours. Le mortier prend son retrait plus rapidement que la pâte pure. Le rapport du retrait de la pâte pure sur le retrait du mortier croît avec le temps. Il est de l'ordre de 1,5 à 2,5 les premiers jours, puis augmente pour atteindre 2,5 à 3,5 en un an. En moyenne, le retrait sur mortier est 2 à 3 fois plus faible que celui de la pâte pure (avec le même ciment).
Le gonflement des mortiers (qui se produisent lorsqu'ils sont conservés dans l'eau) se mesure sur les mêmes éprouvettes de 4 x 4 x 16 cm conservées dans l'eau à 20 °C. Ils sont en général assez faibles.
Figure 4.10 : Appareillage pour la mesure du retrait
4.5 Emplois des mortiers
4.5.1 Le hourdage de maçonnerie
La construction réalisée en éléments maçonnés (blocs de béton, pierre de taille, briques), nécessite leur assemblage avec un mortier qui doit présenter des caractéristiques mécaniques suffisantes pour assurer la transmission des charges et une compacité suffisante pour être étanche.
4.5.2 Les enduits
Ce domaine d’application constitue l’un des plus vastes débouches des mortiers. A côte des enduits traditionnels en trois couches décrits dans la norme NF P 15-201-1, se développent aujourd’hui des enduits monocouches épais, ainsi que des enduits isolants.
4.5.2 Les chapes
Les chapes ont pour fonction d’assurer la mise à niveau du dallage et la régularité de sa surface. Les chapes peuvent constituer la finition. Elles peuvent aussi constituer le support d’un revêtement de sol.
- Enseignant : moufida moussaoui