MATERIAUX DE CONSTRUCTION - I
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Cours de MDCI- 2GC+2TP-SALHI MOHAMED-Maitre de Conférences Classe A-CUR
1
MINISTERE DE L‟ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA
RECHERCHE SCIENTIFIQUE
CENTRE UNIVERSITAIRE DE RELIZANE
INSTITUT DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES
Polycopié de:
MATERIAUX DE
CONSTRUCTION - I
Licence Génie CIVIL
Réalisé par Docteur
SALHI MOHAMED
-Décembre 2018-
Cours de MDCI- 2GC+2TP-SALHI MOHAMED-Maitre de Conférences Classe A-CUR
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Préface
Dans la présent polycopié intitulé: « Matériaux de construction 01 », qui s’adresse aux
étudiantes deuxièmes années LMD en génie civil.
Il est rédigé de manière simplifiée et quelques exemples sont introduits après avoir
donné des notions afin que l’étudiant puisse assimiler le contenu du cours et ait une
vision claire de son application dans la vie courante.
Ce polycopié est divisé en quatre chapitres. Le contenu du premier chapitre concerne
l’historique des matériaux de construction ainsi que leur classification et propriétés.
Dans le deuxième chapitre, l’étudiant se familiarise avec les notions sur caractéristiques
et les essais sur granulats (sable et gravier), classification des granulats, analyse
granulométrique, module de finesse, propreté du gravier, la résistance mécanique.
Le troisième chapitre fait une entrée sur les liants aérienne et hydrauliques, ainsi que les
ajouts cimentaire. Une méthodologie progressive est tracée afin que l’étudiant doive
différencier entre le mode de fabrication et le domaine d’utilisation de chaque liant. En
outre, les avantages et les inconvenants des ajouts cimentaire dans l’industrie
cimentaire en Algérie et au monde.
Le dernier chapitre est consacré à l’étude des mortiers, dans cette étape l’étudiant doit
faire les déférences entre un béton, un mortier, une pâte et un coulis. Ainsi que les
essais réalisés sur mortier, en autre, les propriétés et les type de mortier avec leur
utilisation.
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Tables des Matières
Chapitre 1 : Généralités et Propriétés des matériaux de construction. Page 1.1. Généralité .................................................................................................................................... ……..7
1.1. Historique des matériaux de construction.......................................................................................7
1.2. Classification des matériaux de construction................................................................................7
1.2.1. Métaux et leurs alliages...........................................................................................8
1.2.2. Les céramiques et les verres....................................................................................8
1.2.3. Les polymères et les matières plastiques………………………………………………………………..8
1.2.4. Les matériaux composites…………………………………………………………………………………….9
1.3. Propriétés des matériaux de construction........................................................................9
1.3.1. Propriétés physiques............................................................................................10
1.3.2.1 Masse volumique apparente ………................................................................10
1.3.1.2 Masse volumique absolue………………………………………………………………………….10
1.3.1.3 Densité…………………………………………………………………………………………………….11
1.3.1.4 Porosité et compacité………………………………………………………………………………..11
1.3.1.5 Compacité………………………………………………………………………………………………..12
1.3.1.6 Humidité…………………………………………………………………………………………………..12
1.3.1.7 Absorption d’eau……………………………………………………………………………………….13
1.3.1.8 Perméabilité……………………………………………………………………………………………..13
1.3.2 Les propriétés mécaniques…………………………………………………………………………………14
1.3.2.1 Essai de traction…………………………………………………………………………………………14
1.3.2.2 Essais de compression………………………………………………………………………………..15
1.3.2.3 Essai de flexion………………………………………………………………………………………….15
1.3.2.4 Module d ’Young E……………………………………………………………………………………..16
1.3.2.5 Coefficient de Poisson…………………………………………………………………………………17
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Chapitre 2 :
Caractéristiques des granulats,
2.1. Définitions .........................................................................................................................................19
2.2. Intérêt des granulats dans le béton...............................................................................19
2.3 Classification des granulats............................................................................................19
2.3 Granulométrie……………………………………………………………………………………………………………19
2.3.1 Classes granulaires……………………………………………………………………………………………….19
2.3.2 Courbes granulométriques…………………………………………………………………………………….20
2.3.3 Module de finesse du sable « MF »...........................................................................21
2.3.4 Corrections d’un sable (Méthode d’Abrams)…………………………………………………………….22
2.3.5 Propreté du sable (Equivalent de sable) ES…………………………………………………………….23
2.4. Le gravier…………………………………………………………………………………………………………………25
2.4.1. La propreté……………………………………………………………………………………………………….25
2.4.2. Résistances mécaniques……………………………………………………………………………………..25
2.4.2.1. Coefficient Los Angeles : (fragmentation par choc et Usure par frottement)……25
2.4.2.2 Essais de micro-Deval (Usure par frottements)…………………………………………….26
Chapitre 3 :
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
3.1 Introduction .......................................................................................................................................29
3.2 Les Liants Hydraulique ................................................................................................29
3.2.1. Le ciment ................................................................................................................29
3.2.1.1. Constituants principaux.................................................................................29
3.2.1.2. Clinker.................................................................................. …………………….29
3.2.1.3. Principe de fabrication des ciments courants ..................................................31
3.2.1.4. Équations de bogue (1955)…………………………………………………………………………34
3.2.1.5. Classe de résistance des ciments………………………………………………………………..35
3.2.1.6. Différents types de ciment courants……………………………………………………………..36
3.2.1.7 Utilisations des ciments………………………………………………………………………………..37
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3.2.2 Chaux hydrauliques naturelles…………………………………………………………………………………37
3.2.2.1 Rappel historique…………………………………………………………………………………………37
3.2.2.2 Définition (Chaux hydraulique)………………………………………………………………………38
3.2.2.3 Fabrication des chaux hydrauliques naturelles…………………………………………………38
3.2.2.4 Classes de résistance……………………………………………………………………………………39
3.3 Liant aérienne……………………………………………………………………………………………………………40
3.3.1 La chaux aérienne…………………………………………………………………………………………….40
3.3.1.1 Fabrication…………………………………………………………………………………………….40
3.3.1.2 La norme Européenne pour la chaux aérienne…………………………………………..41
3.3.2 Le plâtre…………………………………………………………………………………………………………..42
3.3.2.1 Introduction…………………………………………………………………………………………..42
3.3.2.2 Fabrication de plâtre ……………………………………………………………………………..43
3.3.2.3 Température de cuisson………………………………………………………………………….43
3.3.2.4 Utilisation dans le bâtiment……………………………………………………………………..44
3.4 Ajouts cimentaire……………………………………………………………………………………………………….45
3.4.1 Définition…………………………………………………………………………………………………………..45
3.4.2 Avantages des ajouts cimentaires………………………………………………………………………..45
3.4.3 Classification des ajouts cimentaires……………………………………………………………………45
3.4.3.1 Les additions de type I………………………………………………………………………………46
3.4.3.2 Les additions de type II…………………………………………………………………………….46
Chapitre 4 :
Les mortiers,
4. Les mortiers………………………………………………………………………………………………………………..50
4.1. Définition………………………………………………………………………………………………………………50
4.2. Composition………………………………………………………………………………………………………….50
4.3. Essais sur mortiers…………………………………………………………………………………………………51
4.4. Types de mortier……………………………………………………………………………………………………51
4.5. Propriétés des mortiers…………………………………………………………………………………………..52
4.5.1. Mortier plastique…………………………………………………………………………………………..52
4.5.2. Mortier durci…………………………………………………………………………………………………54
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Chapitre 1 :
Généralités et Propriétés des
matériaux de construction.
Généralités et Propriétés des matériaux de construction.
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1.1 Évolution des matériaux de construction au cours de l'histoire
Les matériaux défini le niveau de développement de notre civilisation, Les matériaux ont un rôle
important dans tous les développements technologiques, l‟ingénieur doit savoir et tenir compte
des différents propriétés des matériaux pour concevoir et fabriquer de nouveaux produits.
Figure 1.1: Evolution des matériaux de construction avec le temps
Le premier pont métallique en fonte a été construit sur la Severn, en Angleterre en 1979 figure 2,
cette expérience a été suivie de plusieurs autres ouvrages, toujours en Angleterre. C‟est en 1803
que fut construite la passerelle des Arts, premier ouvrage en fonte construit à Paris.
Figure 1.2 : Le premier pont en fonte Angleterre
1.2 Classification des Matériaux
Les matériaux sont classés suivants leurs composition et leur propriétés:
1. Les métaux et leurs alliages
Généralités et Propriétés des matériaux de construction.
8
2. Les céramiques et les verres
3. Les polymères et les matières plastiques
4. Les matériaux composites
Figure 1.3: Classification des matériaux de construction
1.2.1 Métaux et leurs alliages
Les métaux les plus utilisés: Fe, Al, Cu,
Alliages : la combinaison de deux ou plusieurs métaux, peuvent contenir des éléments
non métalliques,
Etat cristallin, opaques, brillants, lourds, durs, déformables plastiquement,
Bonnes conductivité thermique et électrique.
1.2.2 Les céramiques et les verres
Matériaux inorganiques, en général combinaison des éléments métalliques (Mg, Al, Fe) et
non métalliques (oxygène),
Résistance mécanique et thermiques élevées isolants électriques, ils sont généralement des
matériaux durs,
Les céramiques sont des matériaux réfracteurs (résistance thermique élevée),
Ils sont très fragiles (cassant au choc), ce qui limite leur emploi pour des applications ou
les chocs mécanique et thermique sont élevés.
Généralités et Propriétés des matériaux de construction.
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1.2.3 Les polymères et les matières plastiques
Ils sont des matériaux organique, constitués par des molécules formées de longues
chaînes d‟atomes de carbone sur lesquelles sont fixées des éléments comme l‟hydrogène
et le chlore, d‟autres éléments comme le soufre, l‟azote, le silicium etc. peuvent
intervenir,
Isolants électriques et thermiques,
Faible densité,
Facilement déformable,
Leurs températures de fusion est très faible comparées à celle des métaux ~200°C,
faciles à mettre en œuvre.
1.2.4 Les matériaux composites
Un matériau composite est obtenu par la combinaison de deux ou plusieurs matériaux appartenant
aux trois premières classes. Exemple: le béton armé.
Mais dans la construction, il est devenu courant de distinguer les matériaux selon des domaines
d‟emploi et des caractéristiques principales: les matériaux de construction et les matériaux de
protection.
Les matériaux de construction sont les matériaux qui ont la propriété de résister contre des
forces importantes:
Pierres - Terres cuites - Bois - Béton - Métaux, etc.
Les matériaux de protection sont les matériaux qui ont la propriété d'enrober et protéger les
matériaux de construction, parmi ces matériaux :
Enduits - Peintures - Bitumes, etc.
1.3 Propriétés des matériaux de construction
L‟objectif de la science des matériaux de construction serait de permettre un choix optimal des
M.D.C. utilisés dans la réalisation d‟un projet, en prenant en compte les conditions Toute valeur
Généralités et Propriétés des matériaux de construction.
10
permettant de déterminer une caractéristique donnée est appelée propriété. La connaissance des
propriétés des matériaux permet de prévoir leur capacité à résister sous des conditions diverses.
Les matériaux possèdent trois catégories de propriétés:
Les propriétés mécaniques: qui reflètent le comportement des matériaux lorsqu‟ils sont
sollicités par des efforts extérieurs.
Les propriétés physiques: qui représentent le comportement des matériaux sous l‟action
de la température, des champs électriques ou de la lumière.
Les propriétés chimiques: qui caractérisent le comportement des matériaux dans un
environnement réactif.
1.3.1 Propriétés physiques
1.3.1.1 La masse volumique apparente
Définition: C‟est la masse d‟un corps par unité de volume apparent en état naturel, après
passage à l‟étuve à 105 ±5 °C, notée γ0 et exprimée en (gr/cm3 ; kg/m
3; T/m
3).
Détermination: Pour les matériaux incohérents (ensemble de grains – sable ou gravier). La
détermination de la masse volumique apparente peut se faire en utilisant un récipient standard (de
volume connu).
.
. : Masse volumique apparente [kg/m3]
: Masse d‟un corps sèche
: Volume apparent
Généralités et Propriétés des matériaux de construction.
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1.3.1.2 La masse volumique absolue
Définition: C'est la masse d‟un corps par unité de volume absolu de matière pleine (volume de
matière seule, pores à l'intérieur des grains exclus), après passage à l‟étuve à 105 °C, notée ρ et
exprimée en (g/cm3, kg/m
3 ou T/m
3).
Détermination:
Méthode de l’éprouvette graduée
Cette méthode s‟applique aussi aux granulats (sable, gravier). Mettre dans une éprouvette
graduée un volume V1 du liquide, Peser une masse M des granulats (sable, gravier) (300g) et
l‟introduire dans l‟éprouvette en éliminant les bulles d‟air, Lire de nouveau le volume V2. La
masse volumique absolue est calculée par la formule:
.
1.3.1.3 La Densité
La densité est un nombre sans dimension qui égale au rapport de la masse volumique du
matériau et la masse volumique de l‟eau dans les mêmes conditions de mesure (T = 20°C).
Densité d‟un matériau X=
Tableau 1.1: la densité de quelque matériau de construction
MDC Densité MDC Densité
Pierre de taille 2.4-2.8 Fer 7.8
Ciment 3.0 Cuivre 8.9
Béton 1.8-2.5 Aluminium 2.5
1.3.1.4 La porosité et compacité
La porosité: La porosité est le résultat du rapport du Volume des vides / volume du matériau.
.
Généralités et Propriétés des matériaux de construction.
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[n] = %
Tableau 1.2: la porosité de quelque matériau de construction
MDC Porosité (%) MDC Porosité (%)
Craie 3.0-53 Granit 0.05-2.8
Calcaire 0.8-2,7 Sable 0-5
1.3.1.5 Compacité:
La compacité est le résultat du rapport du volume des grains solides/ volume total.
( )
C% = 1 - n ; [C] = %
Vv: Volume des vides
Vs: Volume des grains solides
VT: Volume total
La porosité et la compacité sont souvent exprimées en %. La somme des deux est alors égale à
100%. En effet:
n + C =
+
Remarque: Si l‟on connaît la masse volumique apparent et la masse volumique spécifique
d‟un matériau, peut calculer sa compacité et porosité.
Compacité C =
=
donc C(%) =
1.3.1.6 L’humidité
L‟humidité est une des propriétés importante des matériaux de construction. Elle est un indice
pour déterminer la teneur en eau réelle des matériaux au moment de l'expérience. En général
Vv
Vs VT
Généralités et Propriétés des matériaux de construction.
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l‟humidité est notée W et s‟exprime en pourcentage (%). On peut déterminer l‟humidité de
matériaux quelconques en utilisant la formule suivante:
.
MS: est la masse sèche (après passage à l‟étuve).
Mh : la masse humide de l‟échantillon
Le degré de l‟humidité des matériaux dépend de beaucoup de facteurs, surtout de l‟atmosphère où ils sont
stockés, le vent, la température et de la porosité du matériau.
1.3.1.7 L’absorption d’eau
L‟absorption d‟eau est le pouvoir que possède un matériau pour absorber et retenir l‟eau. On détermine
l‟absorption d‟eau par la différence existant entre les poids d‟un échantillon du matériau saturé d‟eau et à
l‟état absolument sec.
Mode opératoire:
1. Sécher les échantillons jusqu'à l'obtention de la masse constante (T =105 - 110 °C);
2. Mettre les échantillons dans le bain-marie (T =60 - 80 °C);
3. Après 30 minutes retirer les échantillons, les essuyer avec un chiffon humide et les peser;
4. Calculer l'absorption d'eau par la formule;
%
M1: masse d'échantillon sec ;
M2: masse d'échantillon saturée d'eau.
1.3.1.8 Perméabilité
La perméabilité est la propriété que possède un matériau pour laisser passer l‟eau sous pression.
La valeur de la perméabilité dépend de la compacité, les matériaux compacts, par exemple le
verre, l‟acier sont imperméable à l‟eau. La perméabilité est exprimée par la quantité d‟eau
Généralités et Propriétés des matériaux de construction.
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traversant en une heure une surface de 1cm2 du matériau sollicité par une pression constante.
Les essais de perméabilité des dévers matériaux se font sur des appareils spéciaux.
1.3.2 Les propriétés mécaniques
1.3.2.1 Essai de traction
Il consiste à placer une éprouvette du matériau à étudier entre les mâchoires d'une machine de
traction qui tire sur le matériau jusqu'à sa rupture. On enregistre la force et l‟allongement, que
l'on peut convertir en contrainte déformation.
Figure 1.4: éprouvette de traction
Il consiste à imposer un allongement à une éprouvette de section initiale So et de longueur utile
Lo. La courbe type obtenue pour un matériau ductile est la suivante:
Figure 1.5: courbe type contrainte déformation
Généralités et Propriétés des matériaux de construction.
15
La droite OA correspond à la déformation élastique réversible.
La courbe AC est le domaine de déformation plastique homogène: si on supprime la force de
traction, il y a un retour élastique suivant une parallèle à OA et il reste une déformation
permanente.
Pour CD, la force nécessaire pour déformer le matériau diminue alors que l‟allongement continue
d‟augmenter : cette instabilité est appelée instabilité plastique. La striction apparait. En D il y a
rupture de l‟éprouvette.
Re (MPa) est la limite de proportionnalité ou limite élastique. Elle est bien marquée pour les
matériaux ductiles. Re correspond au seuil d‟écoulement plastique.
Rm est la résistance limite à la traction. Cette valeur est utilisée pour estimer la limite
d‟endurance à la fatigue.
Re est atteinte quand on observe la première chute de l‟effort lors de l‟essai. En l‟absence de ce
phénomène, quand OA n‟est pas rectiligne, on doit utiliser la limite conventionnelle d‟élasticité
Re 0,2 qui correspond à un allongement plastique de 0,2% (voir Figure 1.5).
1.3.2.2 Essais de compression
Utilisé pour déterminer les contraintes de rupture des matériaux fragiles (béton, céramique).
Figure 1.6 : Éprouvette cylindrique ou cubique soumise à deux forces axiales opposées
1.3.2.3 Essai de flexion
Il présente la même utilité que les essais de compression, il est peu utilisé pour les matériaux
ductiles.
Généralités et Propriétés des matériaux de construction.
16
Figure 1.7: Essai de flexion
1.3.2.4 Module d ’Young E
Module d‟élasticité longitudinal (module de Young): Dans le domaine élastique, la contrainte est
proportionnelle au déformation (loi de Hooke). Pour les forces de traction et de compression, la
constante de proportionnalité s‟appelle module d‟élasticité longitudinale (ou module de Young)
et est représentée par E.
La pente de la partie linéaire OA (Figure 5) représente le module d ’Young E (en Mpa ou
en GPa) ou module d‟élasticité.
On appelle loi de Hook e la relation:
.
La mesure de E est obtenue à l‟aide d‟un extensomètre.
Le module d‟Young à 20 C va de 4 Mpa pour le caoutchouc à 500 GPa pour les céramiques.
Cette variation importante est due aux intensités très variables des forces de liaison entre les
atomes ou molécules au sein des matériaux: liaisons covalentes, ioniques.
Généralités et Propriétés des matériaux de construction.
17
0
50000
100000
150000
200000
250000
Acier de Cons Fer Or Béton Chene Plexyglass
Mo
du
le d
'éla
stic
ité
(M
pa)
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Or Nylon Acier Verre Fer Béton
Co
eff
icie
nt
de
po
isso
n
Figure 1.8: module d‟élasticité pour certains matériaux
1.3.2.5 Coefficient de Poisson
Lorsqu‟une barre est en traction, elle s‟allonge dans le sens longitudinal et elle se contracte dans
le sens transversal; de même, une charge compressive produit une diminution de la longueur et
une dilatation de la section transversale.
v est le rapport entre la contraction transversale et l‟allongement longitudinal.
Ou l‟éprouvette subit aussi des déformations latérales: le Coefficient de Poisson, ou coefficient
de contraction latérale dans le domaine élastique est le rapport sans dimension
Ce coefficient, compris selon les matériaux entre 10-2
et 4 10-1
, dépend légèrement de la
température.
Figure 1.9 : Coefficient de Poisson pour certains matériaux
18
Chapitre 2 :
Caractéristiques des granulats,
Caractéristiques des granulats,
19
2.1 Définition
Le granulat est d‟abord caractérisé par sa granularité qui est la distribution dimensionnelle des
grains exprimés en pourcent de la masse passant au travers d‟un ensemble spécifier de tamis. La
mesure de la granularité est la granulométrie.
On déduit ainsi la classe granulaire en termes de dimension inférieur (d) et supérieur (D) de tamis
exprimée par la dénomination (d/D) des dimensions exprimé en mm. Le granulat est caractérisé
par sa classe granulaire.
Les granulats constituent le squelette du béton et ils représentent, environ 80 % du poids total du
béton. Ils sont constitués de Sables (Gros et Fin) et de gravier. Cependant, les granulats doivent
satisfaire à certaines exigences de qualité pour qu‟ils soient utilisés dans le béton.
2.2 Intérêt des granulats dans le béton
Intérêt économique : Diminution de la quantité de liant (ciment et addition).
Intérêt technique : Limitent les variations dimensionnelles dans le béton (les granulats sont plus
rigide que la pâte de ciment).
Il existe cinq classes granulaires : selon la norme NFP 18-101
Les fines 0/D avec D≤0.08mm
Les sables 0/D avec D≤6.3mm
Les gravillons d/D avec d et D≤31.5mm
Les cailloux d/D avec d≥20mm et D≤80mm
Les graves (route) d/D avec d≥6.3mm et D≤80mm
2.3 Granulométrie:
2.3.1 Classes granulaires : la fourchette de calibres qui est désignée par le terme « granulat
d/D » dont les dimensions s‟étalent de d pour les petits éléments à D pour les gros éléments.
Refus sur un tamis : la partie du matériau qui est retenue sur le tamis.
Tamisât (ou passant) : la partie du matériau qui passe au travers le tamis
Caractéristiques des granulats,
20
La classe des granulats est définie par tamisage au travers d‟une série de tamis dont les mailles
ont les dimensions suivantes en mm.
0.063 - 0.08 - 0.10 - 0.125 - 0.16 - 0.2 - 0.25 - 0.315 - 0.40 - 0.5 - 0.63 - 0.8 – 1 - 1.25 - 1.6 -2 -
3.15 – 4 – 5 - 6.3 – 8 – 10 - 12.5 – 14 – 16 – 20 – 25 - 31.5 – 40 – 50 – 63 - 80.
2.3.2 Courbes granulométriques
On trace la courbe granulométrique sur un graphique comportant en ordonnée le pourcentage des
tamisât cumulé sous les tamis dont les mailles D sont indiquées en abscisse selon une graduation
logarithmique, la suite des valeurs de D est une progression géométrique de raison 1.25.
Tableau 2.1: Résultats de l‟analyse granulométrique
Maille des Tamis (mm)
(en ordre décroissant)
Masse du refus
partiel (g)
Masse du refus
cumulé (g)
Refus cumulé en
Pourcentage (%)
Tamisât cumulé en
Pourcentage (%)
16 R1
14 R2
12 R3
Masse du refus cumulé (g) : Ri
Refus cumulé en Pourcentage (%) =
Tamisât cumulé en Pourcentage (%)= (
)
Figure 2.1: Courbes granulométriques de certains granulats
Caractéristiques des granulats,
21
Les courbes granulométriques apportent les renseignements suivant :
• Les limites d et D du granulat en question (sable, gravier,..)
• La proportion d'éléments fins; sable normal, sable fin ou sable grossier)
• La continuité ou la discontinuité de la granularité; la discontinuité n‟affecte pas la
résistance du béton mais affect l‟ouvrabilité du béton.
Exemple 1: Analyse granulométrique
Maille (mm) Refus (g) Refus cumulés (g) Refus cumulés (%) Tamisas cumulé (%)
6 0 0 0 100
5 2 2 0.2 99.8
4 3 5 0.5 99.5
3.15 2 7 0.7 99.3
2.5 6 13 1.3 98.7
1.25 56 69 6.9 93.1
0. 63 527 596 59.6 40.4
0.315 385 971 97.1 2.9
0.16 17 998 99.8 0.2
0.08 2 1000 100 0
Refus cumulé (g) du tamis 2.5 mm = 13g= 6+2+3+2+0
Refus cumulé (%) du tamis 0.63 mm = 59.6%=596/1000)*100
Tamisât cumulé (%) du tamis 1.25 mm = 93.1% =100-6.9
2.3.3 Module de finesse du sable « MF»
D‟après la norme française NFP 18-540 le module de finesse de sable est calculé comme suit :
∑ * +
Caractéristiques des granulats,
22
Exemple 2 : Analyse granulométrique d‟un sable
Maille (mm) Refus (g) Refus cumulés (g) Refus cumulés (%) Tamisas cumulé (%)
6 0 0 0 100
5 2 2 0.2 99.8
4 3 5 0.5 99.5
3.15 2 7 0.7 99.3
2.5 6 13 1.3 98.7
1.25 56 69 6.9 93.1
0. 63 527 596 59.6 40.4
0.315 385 971 97.1 2.9
0.16 17 998 99.8 0.2
0.08 2 1000 100 0
Module de finesse (MF) = (99.8 + 97.1 + 59.6 + 6.9 + 1.3 + 0.2)/100 = 2,65 (Sable normal)
2.2<MF<2.8 : sable préférentiel convient bien pour obtenir une ouvrabilité satisfaisante et une
bonne résistance (bon béton)
1.8<MF<2.2 : sable très fin est à utiliser si l‟on recherche particulièrement la facilité de mise en
œuvre.
2.8<MF<3.2 : sable un peut trop grossier correspond à des sables à utiliser pour la recherche de
résistance élevées, mais on aura en général, une moins bonne ouvrabilité et des risque de
ségrégation.
2.3.4 Corrections d’un sable (Méthode d’Abrams)
MF1 module de finesse du sable S1
MF2 module de finesse du sable S2
MF module de finesse finale (recherché)
Si par exemple, le sable en question est trop grossier (MF≥3.0), il faut une correction du module
de finesse du sable par la méthode d‟Abrams.
Supposons par exemple que l‟on dispose d‟un sable S1 de module de finesse trop fort Mf1 et que
l‟on désire y ajouter un sable fin S2 de module de finesse Mf2 afin d‟obtenir un mélange dont le
Caractéristiques des granulats,
23
module de finesse serait Mƒ ; les proportions des deux sables composant devront être les
suivantes :
. Avec Mf1>Mf>Mf2
.
Exemple:
Soit : Mf1=3.2 (S1 sable grossier)
Mf2=2 (S2 sable fin)
Mf=2.5 (S sable corrigé)
.
= 0.58 = 58%
2.3.5 Propreté du sable (Equivalent de sable) ES
But de l'essai : Cet essai a pour but de mesurer la propreté des sables entrant dans la composition
des bétons. L'essai consiste à séparer les flocules fins contenues dans le sable. Une procédure
normalisée permet de déterminer un coefficient d'équivalent de sable qui quantifie la propreté de
celui-ci.
Principe de l'essai : L'essai est effectué sur la fraction du sable à étudier. On lave l'échantillon, selon un
processus normalisé, et on laisse reposer le tout. Au bout de 20 minutes, on mesure les éléments suivants :
- hauteur h1 : sable propre + éléments fins,
- hauteur h2 : sable propre seulement.
On en déduit l'équivalent de sable. L'essai dit d'équivalent de sable - permet de déterminer le
degré de propreté du sable :
Caractéristiques des granulats,
24
Esp : au Piston Esv Visuel
Figure 2.2 : Essai équivalant de sable
Selon que la hauteur h2 est mesurée visuellement ou à l'aide d'un piston, on détermine ESV (équivalent
de sable visuel) ou ES (équivalent de sable au piston).
ES(%) = (hauteur de sable propre/hauteur du sable + hauteur de floculat)*100
Exemple :
Sable 1 : ES= 92 : sable très propre
Sable 2 : ES=78.2 : sable propre
Sable 3 : ES=60 : sable argileux, à rejeter
Caractéristiques des granulats,
25
Tableau 2.2: Interprétations des valeurs
ESv < 65 ESp < 60 Sable argileux ; à rejeter pour des bétons de qualité
65≤ ESv < 75 60 ≤ ESp < 70 Sable légèrement argileux ; admissible pour des bétons de
qualité courante
75 ≤ ESv < 85 70 ≤ ESp < 80 Sable propre à faible pourcentage de fines argileuses;
convenant parfaitement pour des bétons de qualité
ESv ≥ 85 ESp ≥ 80 Sable très propre : risque d‟un défaut de plasticité du béton
qu‟il faudra rattraper par une augmentation du dosage en eau
2.4 Le gravier
2.4.1 La propreté
Particules fines (argileuse ou poussière) mauvaise adhérence entre les granulats et la pâte de
ciment, mauvaise résistance.
Propreté « P » = Élément fin (≤0,5 mm) < 1.5% (béton de qualité)
Matériel utilisé.
Tamis de maille 0.5 mm et un sceau d‟eau.
• Peser un kg de gravier soit M0 et le placer dans le tamis,
• Laver l‟échantillon jusqu‟à ce que l‟eau qui traverse le tamis soit claire,
• Essuyer l‟excès en eau à l‟aide d‟un chiffon et peser la nouvelle masse soit M1
La propreté ( )
Le gravier est propre si P (quantité d‟éléments fin) ≤5% (béton)
Caractéristiques des granulats,
26
2.4.2 Résistances mécaniques
2.4.2.1 Coefficient Los Angeles
L'essai Los Angeles est utilisé pour déterminer la résistance à la fragmentation (choc) d'un
échantillon de granulat. Choisit une classe granulaire de gravier, laver le matériau et le sécher à
l‟étuve à 105 °C, la masse de l‟échantillon pour essai sera 5000g. Introduire la charge de boulets qui
correspondant à la classe granulaire choisie, faire effectuer à la machine 500tours à une vitesse régulière
comprise entre 30 et 33 tr/min.
Recueillir le granulat dans un bac placé sous l‟appareil, tamiser le matériau contenu dans le bac
sur le tamis 1.6 mm, laver le refus au tamis 1.6 mm et séché à l‟étuve à 105 °C, peser se refus une
fois séché, soit M‟ le résultat de la pesée.
Le coefficient los-Angeles (LA) =
Tableau 2.3: des valeurs de Los Angeles et leur Appréciation
Valeurs repérés
Coefficient Los Angeles Appréciation
<15 Très bon à bon
15 à 25 Bon à moyen
25 à 40 Moyen à faible
>40 Médiocre
2.4.2.2 Essais de micro-Deval
Le but de l‟essai est de déterminer la résistance à l‟usure des granulats (frottement entre les
grains) en présence d‟eau ou absence d‟eau.
• Introduire l‟échantillon (M=500 g) avec la charge abrasive (boules de 11 mm)
• Rotations pendant 2 h (100 tours/min)
• Mesurer la masse « m » d‟élément < 1,6 mm.
• Coefficient de Micro-Deval « =
» : tel que: m=500-m‟
• Le coefficient MD est autant plus élevé que le granulat est moins bon.
Caractéristiques des granulats,
27
Tableau 2.4 : des valeurs de micro-Deval et leur Appréciation
Valeurs repérés
Micro-Deval en présence d‟eau Appréciation
<10 Très bon à bon
10 à 20 Bon à moyen
20 à 35 Moyen à faible
>35 Médiocre
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
28
Chapitre 3 :
Les liants aériens et Les liants
hydrauliques
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
29
3.1 Introduction
Les liants minéraux sont des matériaux moulus d‟une façon très fine. Malaxés à l‟eau, ils donnent
une pâte collante qui durcit graduellement pour devenir une pierre artificielle. Dans les travaux de
construction, les liants minéraux sont mélangés avec l‟eau et/ou les granulats (sable, gravillon,
gravier), pour devenir une pâte de ciment ou mortier ou encore béton. Il est connu que certains
liants durcissent à l‟air seulement et d‟autres dans des milieux humides ou dans l‟eau. Cette
propriété nous permet de classifier les liants minéraux en :
• Liants aériens : qui ne durcissent et ne peuvent conserver leurs propriétés mécaniques qu‟à l‟air
(ex.: chaux grasse, plâtre),
• Liants hydrauliques : qui durcissent et conservent leurs propriétés mécaniques non seulement à
l‟air mais aussi dans l‟eau (ex. : chaux hydraulique, ciment Portland,…)
3.2 Les Liants Hydraulique
3.2.1 Le ciment
Le ciment est un liant hydraulique, c‟est-à-dire capable de faire prise dans l‟eau. Il se présente
sous l‟aspect d‟une poudre très fine qui, mélangée avec de l‟eau, forme une pate faisant prise et
durcissant progressivement dans le temps. Ce durcissement est dû à l‟hydratation de certains
composés minéraux, notamment des silicates et des aluminates de calcium.
3.2.1.1 Constituants principaux
Les ciments courants ont pour constituant le clinker, auquel il peut être ajouté suivant leur
type :
Du calcaire-du laitier de haut fourneau- cendre volante- pouzzolane naturelle- fumée de
silice, dans le but de modifier certaines de leurs propriétés et de proposer une gamme de
produits capables de résoudre les différents problèmes qui se posent lors de la réalisation de
certains ouvrages, soit des raison des conditions d‟environnement, soit pour des raisons de
performances mécaniques.
3.2.1.2 Clinker
Le clinker, obtenu à la sortie du four à la suite de la cuisson des matières premières
constituées principalement de calcaire (CaCO3) , d‟argile (silice-alumine- fer) et de matières
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
30
de correction, est un matériau hydraulique se présentant sous la forme de petits nodules très
durs composés essentiellement des quatre phases cristallines suivantes :
- Silicate tricalcique (3CaO.SiO2) ou C3S.
- Silicate bicalcique (2CaO.SiO2) ou C2S.
- Aluminate tricalcique C3A (3CaO.Al2O3).
- Alumino-ferrite tétracalcique C4AF (4CaO.Al2O3.Fe2O3)
Le ciment Portland (CPA= CEMI) contient au moins 95% de clinker. Les proportions
respectives moyennes de ces différentes phases sont en moyenne de :
50 à 70% pour le C3S ;
5 à 25% pour le C2S ;
2 à 12% pour le C3A ;
0 à 15% pour le C4AF
Les propriétés des ciments varient en fonction des pourcentages respectifs de ces dif férentes
phases.
Le C3S qui libère au cours de l‟hydratation une quantité de chaleur voisine du double
de celle libérée par le C2S, donne au ciment une résistance rapide, cette phase est
responsable des résistances aux premiers âges.
Le C2S permet au ciment d‟atteindre des résistances élevées à moyen et long terme.
Le C3A est la phase présentant la plus grande vitesse de réaction initiale d‟où
l‟obtention de résistances initiales élevées, elle contribue essentiellement à la prise de
pate de ciment alors qu‟elle contribue assez peu à la résistance finale. Elle est
facilement attaquée par les sulfates.
Le C4AF forme une solution solide de C2A et C2F, réagit moins vite que C3A, son rôle
est mineur dans les réactions de durcissement du ciment, cette phase donne le couleur
grise de ciment.
En dehors de ces quatre principales phases, le clinker comporte également :
De la chaux libre (n‟est pas combiné) dont le pourcentage ne doit pas dépasser 2%
dans le clinker pour ne pas risquer de provoquer une expansion en présence d‟eau.
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
31
De l‟oxyde de magnésium MgO, qui peut être à l‟origine d‟une expansion par
réaction avec l‟eau.
3.2.1.3 Principe de fabrication des ciments courants
Les matières premières entrant dans la fabrication du clinker sont le calcaire et l‟argile dans
des proportions respectivement proches de 80 et 20%.
Le calcaire apporte le calcium, l‟argile apporte la silice SiO2, l‟alumine Al2O3 et l‟oxyde de
fer Fe2O3, nécessaire au processus de formation de clinker.
Ces matières premières contiennent d‟autres éléments, tel de la magnésie MgO, des alcalis
K2O et Na2O.
La fabrication de ciment comporte les étapes suivantes :
Extraction
L‟extraction consiste en général pour le calcaire, à abattre la roche à l‟explosif, dans des
carrières à ciel ouvert, alors que l‟argile, beaucoup plus meuble est exploitée au moyen
d‟excavateur avant d‟être transportée par des camions.
Concassage
Les matériaux extraits des carrières présentant des granulométries grossières, le concassage
effectué le plus souvent sur les lieux mêmes de l‟extraction a pour but d‟en limiter la
granulométrie à 50 -100 mm au maximum.
Préparation du cru
La préparation du cru au cours de laquelle on réalise le mélange homogène du calcaire et de
l‟argile dans des proportions définies en fonction de leur composition chimique particulières,
le résultat final devant permettre l‟obtention d‟un clinker dont la teneur moyenne des
différentes oxydes est de l‟ordre de :
65% de CaO fourchette de 60 à 69%
21% de SiO2 fourchette de 18 à 24%
6% d‟Al2O3 fourchette de 4 à 8%
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
32
2% MgO fourchette de 0 à 5%
1% d‟alcalis fourchette de 0 à 2%
1% de SO3 fourchette de 0 à 3%
La préparation du cru peut être réalisée suivant deux procédés différents :
La voie sèche, la plus généralement utilisée en Algérie dont nous résumons les phases
aux paragraphes si dessous.
La voie humide, pratiquement abandonnée parce que grande consommatrice d‟énergie
et consiste à préparer une pâte, qui est ensuite homogénéisé et stockée. Cette voie
s‟impose lorsque les matériaux extraits présentent un taux d‟humidité élevée.
La fabrication par voie sèche comporte les phases suivantes :
Préhomogénéisation
Cette phase qui a pour but de réaliser un mélange préliminaire, consiste à déposer les
matériaux constitufs cru en couches successives, de faible épaisseur.
broyage-séchage
Le mélange précédent est envoyé à la station de broyage afin d‟être réduit en une poudre
de grain inférieurs à 160 microns.
Homogénéisation
C‟est au cours obtenu un produit parfaitement homogène, de cette phase que grâce à un brassage
pneumatique ou mécanique, peut être obtenu un produit parfaitement homogène, de
caractéristiques chimiques uniformes, apte à être cuit.
Cuisson
Réalisé dans des four rotatifs dont les dimensions les plus courantes sont de l‟ordre de 5m de
diamètre et de 80 à 100m de longueur dans les procédé par voie sèche, à une température
comprise entre 1400 et 1500 °C, la cuisson permet la transformation du cru en clinker, le cycle de
du traitement comportant les phases suivantes :
Evaporation de l‟eau à 100 °C très faible, de l‟ordre de 1% ;
Départ de l‟eau combinée à l‟argile à 450 °C ;
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
33
La décarbonatation du calcaire qui s‟effectué à 950 °C dans la partie médiane du
four CaCO3 CaO+CO2
Combinaison de la chaux obtenue avec l‟argile, complète à 1450 °C pour obtenir les
silicates tri et bicalcique, l‟aluminate de chaux et l‟alumino-ferrite de chaux C2S, C3S,
C3A, C4AF qui constituent le clinker.
Refroidissement
Cette opération a pour but d‟abaisser la température de clinker à environ 50-250°C à la sortie du
four. Cette opération à une influence sur la qualité du ciment, un refroidissement trop lent
pouvant amener la libération de chaux libre et la transformation du C3S en C2S qui entraine une
baisse des résistances.
Broyage
Le broyage a pour objectif, d‟une part de réduire les granules de clinker en poudre, d‟autre part
de procéder à l‟ajout du gypse (dont le rôle est de réguler la prise), ainsi l‟ajout des autres
constituants (calcaire, pouzzolane, laitier...) ce qui permet d‟obtenir les différents type de ciments
normalisés.
Stockage et expédition
A la sortie du broyeur, le ciment est transporté vers des silos de stockage, pour être soit ensaché
soit expédié en vrac.
Figure 3.1. Fabrication de ciment par voie sèche
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
34
Figure 3.2 : Composition des quatre constituants du clinker dans le four
3.2.1.4 Équations de bogue (1955)
C‟est à partir du pourcentage de la composition chimique on détermine la composition minéralogique
des éléments qui compose le ciment (C2S, C3S..), au moyen d‟équations de bogue (1955), les équations
de bogue sont les suivantes :
Si Al2O3/Fe2O3 ≥ 0.64
%C3S = (4.071x%CaO) – (7.600x%SiO2) – (6.718x%Al2O3) – (1.430x%Fe2O3)-(2.852x%SO3)
%C2S = (2.876x%SiO2) – (0.7544x%C3S)
%C3A = (2.650x%Al2O3) – (1.692x%Fe2O3)
%C4AF = (3.043x%Fe2O3)
Si Al2O3/Fe2O3 < 0.64
%C3S = 4.071x%CaO – 7.600x%SiO2 – 4.479x%Al2O3 – 2.859x%Fe2O3 – 2.852x%SO3
%C2S = 2.867x%SiO2 – 0.7544x%C3S
%C3A = 0
%C4AF = 2.100x%Al2O3 + 1.702x%Fe2O3
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
35
Exemple:
Étant donné la composition d'oxyde suivante d'un clinker de ciment portland.
CaO=64.9% SiO2=22.2%
Al2O
3=5.8% Fe
2O3=3.1% SO3=0.74%
En utilisant les équations de Bogue calculé la composition minéralogique du clinker
C3S=50.02 %
C2S=2.876 × 22.2 - 0.7544×52.1 = 26.13%
C3A=2.65×5.8 - 1.692×3.1 = 10.13%
C4AF= 3.043 × 3.1= 9.4%
Pour voir l'effet de la modification de la composition chimique des oxydes sur la variation de la
composition minéralogique, supposons que CaO est de 63,9% et que SiO2 est de 23,2% et que les
autres oxydes sont identiques.
C3S=38,4% , C
2S=37,7% , C
3A=10% , C
4AF=9.4%
C3S changé de 52.1%→40.4%
C2S changé de 24.5%→36.2%
Un changement de 1% dans la composition chimique du CaO et SiO2 implique un changement de
plus de 10% dans la composition minéralogique du C3S et C2S.
3.2.1.5 Classe de résistance des ciments
Les ciments courants sont classés en fonction de leurs résistances mécanique à la compression en
MPA à 28 jours sur des éprouvettes de mortier 4*4*16cm3, la norme spécifiant une limite
inférieure et une limite supérieure.
Tableau 3.1 : Classe de résistance
Classe des ciments
Résistance à 2 jours
(MPa)
Résistance minimale
à 28 j (MPa)
Résistance maximale
à 28 j (MPa)
32.5
32.5R
42.5
42.5R
52.5
52.5R
/
≥13.5
≥13.5
≥20
≥20
≥30
≥32.5
≥32.5
≥42.5
≥42.5
≥52.5
≥52
≤52.5
≤52.5
≤62.5
≤62.5
/
/
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
36
3.2.1.6 Différents types de ciment courants
Selon que des constituants, autres que le gypse, sont ou non ajoutés au clinker lors des opérations
de fabrication, on obtient les différents types de ciments définis par la norme, le tableau ci-
dessous donne la liste des différents types de ciments normalisés.
Tableau 3. 2 : Classe des ciments selon la norme NF. EN. 197-1
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
37
3.2.1.7 Utilisations des ciments
CIMENT
Usages
CEMI
Béton armé en général coulé sur place ou préfabriqué.
Béton précontraint. Décoffrage rapide, mise en service rapide
Bétonnage jusqu’à une température extérieure entre 5 et 10°
C.
Béton étuvé ou auto-étuvé.
CEM II / A ou B
Ces ciments sont les plus couramment utilisés
CEM II/A ou B classe R : travaux nécessitant une résistance
initiale élevée (décoffrage rapide par exemple).
Béton en élévation, armé ou non, d’ouvrages courants.
Fondations ou travaux souterrains en milieux non agressifs.
Dallages, sols industriels.
Maçonneries.
Stabilisation des sols.
CEM III / A, B ou C
CEM V / A ou B
Travaux souterrains en milieux agressifs (terrains gypseux,
eaux d‟égouts, eaux industrielles…).
Ouvrages en milieux sulfatés : les ciments utilisés sont tous ES,
ciments pour travaux en eaux à haute teneur en sulfates, en
conformité à la norme NF P 15-319.
Travaux à la mer : les ciments utilisés sont tous PM, ciments
pour travaux à la mer, en conformité à la norme NF P 15-317.
Bétons de masse.
Travaux en béton armé ou non, hydrauliques et souterrains
(fondations).
Travaux nécessitant une faible chaleur d‟hydratation.
Stabilisation des sols.
3.2.2 Chaux hydrauliques naturelles
3.2.2.1 Rappel historique
Les chaux sont utilisées depuis des millénaires. Les Chinois, les Égyptiens, les Mayas ont
construit des édifices durables avec des mortiers à base de chaux à caractère hydraulique,
obtenues par cuisson des calcaires locaux. Plus près de nous, les Romains puis nos
ancêtres ont utilisé les mêmes procédés pour construire des ouvrages et des bâtiments qui font
partie de notre patrimoine.
3.2.2.2 Définition (Chaux hydraulique)
La chaux hydraulique naturelle est obtenue par calcination, à une température supérieure à
900 °C, de roches calcaires qui contiennent des éléments siliceux et alumineux. Au cours de
la calcination, il se forme simultanément:
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
38
– de l‟oxyde de calcium (chaux vive) provenant de la décomposition du carbonate de calcium,
constituant principal du calcaire: CaCO3 → CaO + CO2
Carbonate de calcium → oxyde de calcium + gaz carbonique
– des silicates et des aluminates de calcium provenant de la combinaison d‟une partie de la
chaux vive avec les éléments siliceux et alumineux.
À l‟issue de la calcination, les chaux sont hydratées pour éteindre la chaux vive non
combinée: CaO + H2O → Ca (OH)2
Cette réaction s‟accompagne d‟un fort dégagement de chaleur et provoque la pulvérisation du
produit. Les chaux éteintes sont généralement broyées. Les silicates et les aluminates de
calcium leur donnent la propriété de faire prise et même de durcir sous l‟eau. C‟est à cette
propriété qu‟elles doivent leur désignation « chaux hydrauliques naturelles ». Comme les
chaux aériennes (calciques ou dolomitiques) les chaux hydrauliques naturelles durcissent
également à l‟air par carbonatation lente. Selon la roche ou le constituant d‟origine et le
traitement subi, on obtient les différentes chaux figurant dans le tableau ci-dessous.
Tableau 3.3 : Déférents type de chaux
Les différents types de chaux
Matière
Calcination au-dessus
de 900 °C
Extinction par
hydratation
Après tamisage et
broyage, produits
commercialisés
Calcaire siliceux et
alumineux
Chaux vive + silicates
et aluminates
Caux éteinte + silicates
et aluminates
Chaux hydraulique
naturelle (NHL)
Calcaire à faible teneur
en silice et alumine
Chaux vive
Chaux éteinte
Chaux Calcique (CL)
Calcaire dolomitique à
faible teneur en silice
et alumine
Chaux Dolomitique
(DL)
Désignations issues de la normalisation européenne (NF EN 459-1) – NHL: Natural Hydraulic Lime – CL:
Calcium Lime – DL: Dolomitic Lime
3.2.2.3 Fabrication des chaux hydrauliques naturelles
Matière première
La roche calcaire est extraite de carrières à ciel ouvert ou souterraines. Après abattage,
elle est concassée et criblée.
La cuisson
La cuisson s‟effectue en général dans des fours verticaux à marche continue, dans lesquels sont intro-
duits dans la partie supérieure, par couches successives, la pierre calcaire et le combustible.
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
39
La matière descend lentement, en traversant d‟abord une zone de préchauffage, provoquant l‟évapora-
tion de l‟eau libre et la déshydratation (vers 200 °C). Elle traverse ensuite une zone de calcina-
tion où elle est décarbonatée (à partir de 900 °C). La zone de cuisson proprement dite, où se forment
les silicates et aluminates de calcium, se situe à une température variant entre 1000 °C et 1200 °C
selon la qualité de chaux recherchée.
L’extinction
La chaux recueillie à la sortie du four passe alors par une extinction contrôlée où, sous l‟action de
l‟eau, la pierre se pulvérise et la chaux vive est éteinte complètement, tout en respectant les sili-
cates et aluminates qui lui donnent naturellement son caractère hydraulique.
Broyage
Le matériau obtenu est généralement broyé, avec ou sans addition d‟autres constituants.
La normalisation des chaux hydrauliques naturelles (NHL) norme
NF EN 459-1
3.2.2.4 Classes de résistance
Les chaux hydrauliques naturelles (NHL) sont classées en fonction de leur résistance à 28
jours exprimée en N/mm 2 ou MPa (1 N/mm2 = 1 MPa). Il existe trois classes de
résistance désignées par la valeur minimale: 2, 3,5 et 5. À chaque classe correspond une plage
de variation entre cette valeur minimale et une valeur maximale, comme indiqué au tableau
ci-dessous.
Tableau 3.4: Classe de résistance de Chaux hydraulique
Exigences sur la résistance mécanique normalisée
Type de chaux Classe de résistance RC (Mpa) à 7 jours RC (Mpa) à 28 jours
NHL2
NHL3.5
NHL5
2
3.5
5
-
-
≥2
2≤RC≤7
3.5≤RC≤10
5≤RC≤15
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
40
Figure 3.3: Four vertical de fabrication de chaux
3.3 Liant aérienne
3.3.1 La chaux aérienne
On appelle la chaux, la chaux pure, c.-à-d. la chaux aérienne. Elle ne fait pas prise dans l‟eau
mais uniquement sous l‟action de l‟air (gaz carbonique CO2).
3.3.1.1 Fabrication
La chaux est le résultat de la cuisson d‟un calcaire pure (95-99.5% de CaCO3) bas
d´impuretés (< 5% matériaux argileux) (par exemple un marbre ou une craie). Cette cuisson
donne la chaux vive qui devient de la chaux éteinte par ajout d‟eau. Si cette extinction se fait
avec la quantité d‟eau juste nécessaire, on obtient une chaux aérienne éteinte en poudre. Pour
son utilisation, en ajoute de l‟eau pour obtenir une pâte.
Industriellement, pour obtenir de la chaux éteinte, il suffit d‟ajouter environ 32 grammes
d‟eau pour 100 grammes de chaux vive au départ. Cette opération est contrôlée précisément
dans un hydrateur. La chaux éteinte est au final une poudre sèche, utilisable dans un mortier.
Aspect chimique
Produit de départ: Calcaire = Carbonate de Calcium= CaCO3
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
41
La cuisson
Calcaire donne: la chaux vive + gaz carbonique par chauffage au-dessus de 900°C
CaCO3 900 C° CaO + CO2
L’extinction
Chaux vive + eau = chaux éteinte
L‟oxyde de calcium + l‟eau = hydroxyde de calcium
CaO +H2O Ca(OH)2
La prise
Chaux éteinte + gaz carbonique = calcaire + l‟eau qui s‟évapore
Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O
3.3.1.2 La norme Européenne pour la chaux aérienne
EN 459 – Chaux de construction
Cette norme a été révisée en juin 2011, pour plus de clarté.
Sous cette norme, une chaux vive prend la dénomination CL-90-Q ;
Une chaux éteinte (que l‟on achète en sacs prêts à l‟emploi) prend la dénomination CL-90-S
CL signifie “Calcic Lime”, ou chaux calcique
La lettre « Q » est l‟abréviation de « Quicklime », ou chaux vive.
La lettre « S » est l‟abréviation de « Slaked lime » ou chaux éteinte
Tableau 3.5 : Pourcentage massique en fonction du type de chaux
Type de chaux
calcique
Valeurs données en pourcentage en masse %
CaO+MgO MgO CO2 SO3 Chaux libre
CL90 ≥90 ≤5 ≤4 ≤2 ≥80
CL80 ≥80 ≤5 ≤7 ≤2 ≥65
CL70 ≥70 ≤5 ≤12 ≤2 ≥55
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
42
Figure 3.4: Les étapes de fabrication de la chaux aérienne
3.3.2 Le plâtre
3.3.2.1 Introduction
Le plâtre est fabriqué à partir de gypse broyé que l'on va déshydrater en partie. Pour cela le
gypse est cuit à 160 °C ce qui retire une partie de l'eau. On obtient donc du sulfate de calcium
semi-hydraté (CaSO4. 1/2H2O). La fabrication du plâtre nécessite également qu'il soit pur à
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
43
90%. Ensuite il suffit de réhydrater la poudre de plâtre pour obtenir un enduit ou un mortier.
La vitesse de prise du plâtre dépend de la température de cuisson (un plâtre trop cuit prend
lentement), et de sa composition en éléments résiduels.
Le plâtre est un sulfate de calcium plus au moins hydraté, la pierre à plâtre se trouve dans la
nature sous 2 formes:
1. L‟anhydrite ou sulfate de calcium anhydre, assez rare qui répond à la formule chimique:
CaSO4
2. Le gypse ou sulfate de calcium à 2 molécules d‟eau de formule chimique: CaSO4.2H2O
3.3.2.2 Fabrication de plâtre
On distingue 5 étapes :
Un concassage des blocs de gypse.
Un tamisage, afin de ne conserver que les particules d'un diamètre inférieur à 40 mm.
Un mélange par une machine à marteaux afin d'homogénéiser ce plâtre qui n'est pur
qu'a 90%.
Une Cuisson dans un four (La température de cuisson du plâtre usuel est comprise
entre 120 et 160 °C environ). Le plâtre cuit remonte à l'extrémité du four, tandis que
les impuretés les plus lourdes tombent au fond.
Un Mélange avec d'autres produits permettant d'améliorer certaines propriétés (de
l'amidon pour améliorer son adhésion, des retardateurs pour modifier le temps de
prise...).
3.3.2.3 Température de cuisson
1-Entre 110 à 150 °C: le gypse pert l‟eau faiblement combinée en absorbant la chaleur. On
obtient le CaSO4.1/2H2O ou semi-hydraté qui est l‟état essential du plâtre.
2- entre 170 à 250 °C: on obtient l‟anhydrite CaSO4 instable, ajouté au plâtre ordinaire (étape
1) en active la prise, Le plâtre de construction courant est un mélange de semi-hydraté
(CaSO4.1/2H2O) et d‟anhydride (CaSO4) (2/3:1/3), l‟anhydride est un régulateur de prise.
3. Entre 300-600 °C: on obtient l‟anhydrite II entièrement déshydraté, encore capable de faire
prise en se combinant à l‟eau mais les délais plus longs, il est utilisable seul. On l‟ajoute en
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
44
proportion variable de l‟ordre de 30% au semis-hydrate dans la fabrication de plâtre pour
enduit
4. Entre 600 et 900 °C: on obtient un produit inerte incapable de faire prise
5. Vers 1110 °C: on obtient l‟anhydrite soluble à prise lente qui va de plusieurs heures à 15
jours et +, il est très rarement utilisé.
6. Vers 1350 °C: l‟anhydrite fond et se dissocie (ne sert plus à rien)
3.3.2.4 Utilisation dans le bâtiment
a. Enduits
Le plâtre mélange à la chaux aérienne (10 à 15%) et au sable donne un mortier très utilisé
comme enduit extérieur et intérieur.
On emploie le plâtre gros pour la première couche d‟application sur les plafonds et les murs,
pour les travaux de remplissage et pour les planchers.
On utilise le plâtre fin pour la dernière couche de finition.
b. Matériaux de construction
Le plâtre peut être armé de fibres pour constituer du plâtre armé. Le staff est du plâtre armé de
filasse de chanvre; il est utilisé en décoration.
Le plâtre sert à la fabrication de carreaux et plaques (sandwish de plâtre compris entre deux
feuillets de carton) utilisés souvent pour cloisonner.
3.4 Ajouts cimentaire
3.4.1 Définition
Les ajouts cimentaires sont des matériaux présentant une granulométrie très fine que l'on
incorpore le plus souvent au ciment, quelquefois également au béton. Les ajouts permettent
soit d'améliorer les caractéristiques du béton ou de lui conférer des propriétés spécifiques. Les
ajouts sont souvent meilleur marché que le ciment Portland et permettent d'obtenir un ciment
composé plus économique (voir la figure 3.5).
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
45
Figure 3.5 : Ajouts cimentaire
3.4.2 Avantages des ajouts cimentaires
Avantages fonctionnels
- Amélioration de la maniabilité et la réduction de la demande en eau;
- Diminution de la chaleur d‟hydratation dégagée du béton;
- Amélioration des propriétés mécaniques et de la durabilité du béton;
Avantages économiques
- Le coût des ajouts minéraux des sous-produits industriels est souvent égal au coût du
transport et de la manipulation;
- Réduction de la consommation d‟énergie, ce qui réduit le prix du ciment.
Avantages écologiques
- Diminution de l‟émission du CO2 dégagée par l‟industrie cimentaire.
- Elimination des sous-produits de la nature.
3.4.3 Classification des ajouts cimentaires
Selon la norme ENV 206, il existe deux types d‟addition:
3.4.3.1 Les additions de type I
Ce sont des matériaux quasiment inertes, spécialement sélectionnées qui, par leur composition
granulométrique, améliorent les propriétés physiques du ciment portland (ouvrabilité, pouvoir
de rétention d‟eau….). Parmi ces additifs on distingue le calcaire et la poussière;
Fillers : les fillers sont des produits obtenus par broyage de certaines roches
(calcaires, Basaltes, laitiers, Bentonites, …). Ces produits agissent grâce à une
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
46
granulométrie appropriée sur certaines qualités du ciment. Les roches dures, comme le
quartz, produisent généralement des particules plus anguleuses, dont la demande en
eau est supérieure à celle demandée par les fillers calcaires. Les fillers présentent une
certaine activité physico-chimique. Ils jouent tout d‟abord un rôle de nucléation vis-à-
vis de l‟hydratation du clinker. Cet effet n‟est cependant notable qu‟aux jeunes âges.
A long terme, les fillers siliceux peuvent contribuer faiblement à une réaction
pouzzolanique, alors qu‟en présence d‟aluminates, les fillers calcaires conduisent à
une formation rapide de composés appelés carbo-aluminates, ayant un certain pouvoir
liant.
Additions calcaire : le calcaire (CaCO3) appartient aux roches carbonatées riches
en chaux (CaO). Il est contenu dans la calcite, l‟aragonite ou la marne. Le calcaire
constitue une matière première pour la fabrication du ciment. Des études ont montré
certains avantages de l‟utilisation du calcaire comme ajout en remplacement du gypse
(EL-Alfi, 2000). Les deux principales caractéristiques du calcaire normalisé sont :
la teneur en carbonate de calcium (CaCO3) supérieure ou égale à 75 % en
masse ;
une valeur faible de l‟indice d‟activité.
3.4.3.2 Les additions de type II
Ce sont des matériaux finement broyés pouzzolanique. Ils ont une teneur élevée en dioxyde
de silicium seul ou, en dioxyde de silicium et oxyde d‟aluminium combinés. Parmi ces
additifs on distingue la fumée de silice, le laitier, les cendres volantes et les pouzzolanes
naturelles.
Pouzzolane naturelle
Les pouzzolanes naturelles sont des produits d‟origine volcanique, présentant des
propriétés pouzzolanique, elles sont essentiellement composées de silice réactive (dans
des proportions supérieures à 25%), d‟alumine et oxyde de fer.
Laitier de haut fourneau
Le laitier, sous-produit de la fabrication de la fonte brusquement refroidir par aspersion
d‟eau, est un matériau hydraulique lorsqu‟il est activé. Il se présente sous forme de
nodules dont la composition chimique comporte de l‟oxyde de calcium (CaO) dans des
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
47
proportions de l‟ordre de 40 à 50%, de la silice entre 25 et 30%, de l‟alumine entre 12 et
30% et d‟autres oxydes en très faibles quantités.
Cendre volante
Les cendres volantes, produits pulvérulents de grande finesse, provienne du dépoussiérage
des gaz des chaudières des centrales thermiques, du point de vue minéralogique, les cendres
volantes se divisent en deux catégories qui diffèrent l'une de l'autre par leur teneur en CaO, selon
la norme ASTM C 618-94 (1995):
- Classe F : les cendres volantes contenant moins de 10 % de CaO produit de la combustion de
l'anthracite et du charbon bitumineux ;
- Classe C : les cendres volantes contenant entre 15 % et 35 % de CaO produit de la combustion
du lignite ;
Les fumées de silice
Les fumées de silice sont formées de particules sphériques très fines (100 fois plus petites
que les grains de ciment), ayant une très haute teneur en silice amorphe (au moins 85% de
silice réactive). Leur très grande finesse (20 m²/g) provoque, dans le béton frais, une
agglomération importante, ou l'utilisation des super plastifiants est impératif pour dé
floculer cette agglomération. On restaure ainsi une partie de la finesse originelle des
particules, qui ont alors la capacité de se déplacer dans les interstices des grains de
ciment, diminuant la demande en eau du mélange (effet filler) lors de l‟hydratation, le
processus Pouzzolanique prend place, avec une intensité et une cinétique très grande à
celle que l‟on rencontre en présence des cendres volantes. La proportion de fumée de
silice dans le ciment est limitée à 10 % en masse, selon NA 442 et EN 197-1.
Métakaolin
Le méta kaolin est obtenu par calcination d‟argile kaolinitique à une température comprise
entre 650 et 850 °C, suivie d‟un broyage permettant d‟atteindre une finesse très élevée. La
formation du métakaolin est sensiblement influencée, par la présence d‟impuretés ou par l‟état
de cristallisation du minéral de départ. Le matériau obtenu présente une pouzzolanicité élevée
et peut être considéré comme une addition très active.
Les liants aériens et Les liants hydrauliques,
48
Figure 3.6 : Implantation des cimenteries en Algérie
49
Chapitre 4 :
Caractéristiques principales
des mortiers
Les mortiers.
50
4. Les mortiers
4.1 Définition
Le mortier à maçonnerie est un matériau polyvalent pouvant satisfaire à une variété
d'exigences parfois contradictoires. Toutefois, contrairement à l'opinion générale, il n'existe
pas de mortier «universel» convenant à toutes les situations. Le Concepteur ne pourra choisir
le mélange convenant le mieux pour un projet donné que s'il a une bonne connaissance des
matériaux qui entrent dans la composition du mortier et de leurs propriétés.
4.2 Composition
Les mortiers contiennent des liants, des granulats et de l'eau; des adjuvants ou des colorants
peuvent aussi être ajoutés.
Le liant peut être du ciment portland, de la chaux ou du ciment de maçonnerie, ou un des
divers mélanges de ces matériaux ces derniers doivent satisfaire aux normes respectives de
l'AFNOR.
Ciment portland donne au mortier de maçonnerie sa résistance mécanique, en
particulier sa résistance initiale, qui est indispensable à une époque où la vitesse de
construction est telle que l'on exige qu'un mur puisse supporter une charge importante
le lendemain même de sa construction. Les mortiers de ciment portland manquent de
plasticité, ont un faible pouvoir de rétention d'eau et sont malaisés à travailler.
Ciment de maçonnerie : est un produit déposé contenant du ciment portland et un
filler minéral inerte (calcaire) et des adjuvants tels que des agents mouillants, des
agents hydrofuges et des entraîneurs d'air.
Chaux, qui est le composant traditionnel du mortier, possède une plasticité et un
pouvoir de rétention d'eau excellent, mais sa résistance mécanique est faible et sa cure
est lente. La chaux grasse, obtenue par extinction de la chaux vive et en la laissant
vieillir, est le produit de qualité que l'on devrait utiliser, mais le vieillissement prend
beaucoup de temps et le travail de la chaux grasse est très salissant.
Granulats Le sable est le granule employé le plus fréquemment. Il est inerte et sert
tout d'abord à accroître la compacité. Ses limites granulométriques sont entre 0,080
mm et 4 mm. Malheureusement, la plupart des granulats sont choisis pour des raisons
de coût et de disponibilité, et il est bien connu qu'en Afrique un grand nombre des
granulats employés ne sont pas conformes aux exigences granulométriques puisqu'ils
contiennent en général trop d'éléments fins. Il peut y avoir une certaine variation
Les mortiers.
51
granulométrique sans que les propriétés du mortier soient fortement altérées, mais la
qualité du mortier serait certainement améliorée si on choisissait le granulat avec plus
de soin.
Eau : L'eau remplit un double rôle: elle sert à hydrater le ciment, et, ce qui est plus
important, elle contribue à son ouvrabilité. Il convient de noter que les exigences
relatives à l'eau de gâchage diffèrent beaucoup pour les mortiers et le béton. Dans le
cas du béton un faible rapport eau-ciment est préférable. Les mortiers devraient
contenir la quantité d'eau maximale compatible avec une ouvrabilité optimale. L'eau
devrait être propre et ne pas contenir de produits nocifs tels que des acides, des alcalis
ou des matières organiques.
Adjuvants : de nombreux adjuvants sont employés pour les mortiers de maçonnerie et
dans certains cas leur emploi est certainement avantageux. Cependant, leur emploi
n'est généralement pas recommandé. Une bonne composition du mélange, l'utilisation
de matériaux de qualité et une bonne technique permettent habituellement d'obtenir
une maçonnerie solide.
4.3 Essais sur mortiers
Les mortiers sont homologués en fonction d'essais de laboratoire utilisant les matériaux dans
les proportions requises pour un ouvrage donné. Il convient de noter que les mortiers préparés
en laboratoire ont une valeur de fluage inférieure à celle des mortiers préparés sur le chantier
(autrement dit les mortiers de laboratoire ont une plus faible teneur en eau). Par conséquent
les échantillons de mortier recueillis sur un chantier de construction auront des valeurs de
résistance mécanique inférieures à celles des mortiers préparés en laboratoire. Cette différence
essentielle entre les essais de laboratoire et les essais effectués sur le chantier n'a pas toujours
été comprise et a été une source de confusion.
4.4 Types de mortier
Les mortiers de ciment : Les mortiers de ciment, très résistants, prennent et
durcissent rapidement. De plus un dosage en ciment insuffisant les rend pratiquement
imperméables. Les dosages courants sont de l‟ordre de 300 à 400 kg de ciment pour 1
m3 de sable.
Les mortiers de chaux : Les mortiers de chaux sont gras et onctueux. Ils durcissent
plus lentement que les mortiers de ciment, surtout lorsque la chaux est calcique.
Les mortiers bâtards : Le mélange de ciment et de chaux permet d‟obtenir
conjointement les qualités de ces deux liants. Généralement, on utilise la chaux et le
Les mortiers.
52
ciment par parties égales; mais on mettra une quantité plus ou moins grande de l‟un ou
de l‟autre suivant l‟usage et la qualité recherchée.
4.5 Propriétés des mortiers
D'après leurs propriétés, les mortiers se subdivisent en deux catégories: les mortiers plastiques
et les mortiers durcis.
4.5.1 Mortier plastique
La propriété la plus importante du mortier plastique est son ouvrabilité. On peut la définir
comme la propriété du mortier à s'étaler à la truelle pour colmater toutes les fentes et fissures
de l'élément de maçonnerie. En réalité, c'est une combinaison de plusieurs propriétés,
comprenant la plasticité, la compacité et la cohérence. L'ouvrabilité ne se mesure pas avec
précision en laboratoire mais le maçon peut l'évaluer en observant le comportement du
mortier lorsqu'il l'étale avec sa truelle. L'ouvrabilité est due à l'effet de (roulement à billes)
résultant de la lubrification des granulats par le lait de ciment. Bien que la classe des granulats
et la proportion des matériaux jouent un rôle important, c'est la teneur en eau qui détermine
les valeurs finales du retrait et le maçon peut la contrôler à la mise en œuvre. Une bonne
ouvrabilité et un bon pouvoir de rétention d'eau sont essentiels à une qualité maximale du
rejointoiement.
Mesure de l’ouvrabilité du mortier
L‟essai d‟étalement permet de déterminer l‟étalement des échantillons de mortiers destiné à la
confection des éprouvettes de compression. L‟essai d‟étalement est réalisé sur une table
mobile comportant un plateau plan relié par charnières à une base rigide. Un moule en forme
de tronc de cône de diamètre à la base D0=10 cm posé au centre du plateau (figure 4.1).
Figure 4.1 : Table à choc
Les mortiers.
53
Le moule et le plateau sont préalablement huilés. Le cône est rempli par une quantité de
mortier par couches successives, chaque couche est compactée par piquage à l‟aide d‟une tige.
On remonte verticalement le moule sans mouvement latéral et on laisse le mortier s‟étaler sur
la plaque métallique. En utilisant la manivelle, on applique 15 cycles de chute. Chaque cycle
dure entre 1 et 3 secondes. La hauteur de chute du plateau mobile est de 15 mm (figure 4.2).
On mesure différents diamètres Di qu‟occupe le mortier étalé sur la table, et on calcule
l‟étalement comme suit :
Etalement =
Avec :
dm : le diamètre moyen du mortier étalé.
d0: le diamètre de la base du moule tronconique.
Figure 4.2 : Essai d‟étalement des mortiers
Le tableau 4.1 montre l‟ouvrabilité du mortier en fonction des résultats d‟étalement trouvés à
l‟aide de la table à chocs.
Tableau 4.1 : Ouvrabilité du mortier
Ouvrabilité Etalement à la table (%) Très ferme 10-30
ferme 30-60
Normal (plastique) 60-80
Mou (très plastique) 80-100
Très mou à liquide >100
Exemple :
Soit un mortier normal avec un diamètre moyen après l‟essai d‟étalement dm= 17 cm. Le
moule de cône de diamètre à la base d0=10 cm.
Etalement (%) =
0
Les mortiers.
54
D‟après le tableau 4.1 : pour un étalement de 70 on aura une ouvrabilité normale (plastique).
4.5.2 Mortier durci
Le mortier durci possède un certain nombre de propriétés de résistance mécanique
d'importance majeure. La solidité du rejointoiement entre le mortier et l'élément est très
importante, ainsi que la bonne ouvrabilité et un bon pouvoir de rétention d'eau donnent au
rejointoiement une force maximale et par le fait même ces qualités sont plus importantes que
la résistance du mortier à la compression. La résistance à la flexion est également importante,
parce qu'elle détermine la capacité d'un mortier à résister à la fissuration. Les mortiers
devraient toujours avoir moins de résistance que les éléments de maçonnerie pour que les
fissures se produisent dans les joints, où elles peuvent être facilement colmatées.
Essai de la résistance à la traction par flexion
La résistance à la traction par flexion des mortiers a été évaluée par des essais de flexion 3 points
effectués sur des éprouvettes prismatiques 4×4×16 cm3, avec une vitesse de chargement de 50
N/s.
Figure 4.3 : Schéma de calcul de la flexion
Les mortiers.
55
Référence Bibliographiques
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