Propriétés physiques des matériaux (EPAu - 2024-2025) PDF

Ecole Polytechnique d’Architecture et d’Urbanisme - EPAUChapitre 1: LES PROPRIETES PHYSIQUES DES MATERIAUX DE CONSTRUCTION  PHYSICAL PROPERTIES OF BUILDING MATERIALS...

Ecole Polytechnique d’Architecture et d’Urbanisme - EPAUChapitre 1: LES PROPRIETES PHYSIQUES DES MATERIAUX DE CONSTRUCTION  PHYSICAL PROPERTIES OF BUILDING MATERIALS 7 Les propriétés physiques des matériaux de construction peuvent être classées comme suit : a) Propriétés liées à la masse et au volume: ✔Masse volumique  ✔Densité ✔Porosité b) Propriétés liées à l’eau: ✔ Teneur en eau ✔ Perméabilité ✔ Degré d'absorption d’eau ✔ Degré de saturation 9 INTRODUCTION : LES CONSTITUANTS D’UN MATERIAU GRANULAIRE Les grains solides (ou particules solides) L’eau L’air contenus dans les vides (Pores)  On note : Ms: masse des grains solides. Vs: volume des grains solides. Mw : masse de l’eau. Vw : volume de l’eau. Ma: masse de l’air (négligeable par rapport à celle des grains solides et celle de l’eau); = 1,29 g/l d’où Mair ≈0 Va: volume de l’air. L’eau et l’air occupent le volume des vides engendrés par l’assemblage des grains qui forment le matériau.  Mair ≈ 0 10 Le volume total du matériau s’écrit : Vt = Vs+ Vv La masse totale du matériau s’écrit : Mt = Ms + Mw Vt ∙ Remarque1 : Matériau sec : (Mw= 0) on aura : Mt = Ms et Vt = Vs + Vv Matériau humide : = Ms + Mw et Vt = Vs + Vv(à l’état Mair ≈ 0 humide, la masse totale est notée ) Matériau saturé (tous les vides sont remplis d’eau) (Vv= ): la masse totale est notée avec : = Ms + et Vt = Vs + Vv= Vs + 11 ∙ Remarque2 : Le volume apparent d’un matériau est égal à son volume total y compris les vides : Vapp= Vt = Vs + Vv Vt = Vapp Le volume absolu d’un matériau représente le volume de la partie solide uniquement (sans les vides) : Vabs = Vs Terminologie : LES PROPRIETES PHYSIQUES DES MATERIAUX / PHYSICAL PROPERTIES OF MATERIALS Français English Matériau granulaire Granular material Pore Pore Eau Water Air Air Grains solides Solid grains Particules solides Solid particles Sec Dry Humide Wet Saturé Saturated Masse Mass Volume Volume Volume des vides Pore space / Volume of voids 12 1) La masse volumique La masse volumique γ est définie comme étant le rapport de la mase M d’un M corps par unité de volume V : et s’exprime en t/m3; kg/dm3; g/cm3 γ = V Rappel : 1t/m3 = 1 kg/dm3 = 1 g/cm3 ❑ On distingue deux masses volumiques : - La masse volumique apparente - La masse volumique absolue  Il faut veiller à ne pas confondre entre ces deux masses volumiques 13 1.1) La masse volumique apparente C’est la masse d’un corps (ou matériau) par unité de volume apparent (y compris les vides) à l’état naturel, après passage à l’étuve à 105 °C. Elle est notée γapp. M γ =[kg/dm3] app V app En fonction de la présence d’eau dans le matériau, on peut distinguer : apparente sèche, notée d γ a) La masse volumique b) La masse volumique apparente humide, notée h γ c) La masse volumique apparente à sat γ l’état saturé 14 s Si le matériau est à Mt = Ms M γ== d V l’état sec : (Mw = 0) et La masse volumique s M apparente sèche V app t h h M γ== Si le matériau : La masse volumique t est à l’état humide  t M Mt = h VV apparente humide app t sat sat M γ== Si le matériau La masse volumique M est à l’état saturé : t t sat Mt = VV apparente à l’état saturé app t Terminologie : Français English Masse volumique Density Masse volumique apparente Apparent density  Masse volumique apparente sèche Dry apparent density Masse volumique apparente humide Wet apparent density Masse volumique apparente saturée Saturated apparent density Masse volumique absolue Absolute density 15 1.2) La masse volumique absolue C’est la masse par unité de volume de la matière pleine qui constitue le granulat, sans tenir compte des vides pouvant exister dans le matériau, et cela après passage à l’étuve à 105 °C. M γ= s tel que : =Vt Vs −VV abs Vs C’est la masse volumique de la phase solide  γ=γ= s abs s Vs masse volumique des grains solides M abs app γ>γ Vabs = Vs REMARQUE : La masse volumique absolue d’un matériau est La masse volumique absolue d’un matériau est toujours supérieure à sa masse volumique toujours supérieure à sa masse volumique apparente apparente On peut donc écrire : EXPLICATION ▪ Considérons l’échantillon ci-contre: ▪ Soit Ms la masse de l’échantillon à l’état sec. ▪ Soit Vtle sd γ > γ 16 volume total apparent de cet échantillon ▪ Soit Vsle REMARQUE : volume absolu de cet échantillon  M Il est évident que Vt > Vs, et par conséquent : < M abs app γ>γ  s s V t Vs D’où : pour un même matériau : M M M γ== < s s γ=γ= d abs s V V s V app s 17 t  Unités de volume Unités de masse Le volume se mesure en mètres cubes ou en litres La masse se mesure en kilogrammes 1 kg = 1000 g 1 g = 10-3 kg 1 g = 1 000 mg 1 t = 1000 kg Rappel Unités Masse volumique de l’eau : Selon les unités utilisées, on peut citer :  3333 γ w = 1g / cm = 1kg / l = 1kg / dm = 1000kg / m =1000g / dm 18 Comment déterminer la masse volumique apparente au laboratoire ? Pour les matériaux cohérents : comme les roches naturelles et le béton On peut faire un échantillons de forme géométrique bien déterminée (cubique, cylindrique,..). Vapp En connaissant les dimensions de l’échantillon, son volume sera calculé en se basant sur les formules mathématiques. La masse est mesurée en utilisant une balance La masse volumique apparente est alors calculée  M [kg/dm3 γ = ] app V app 19 Pour les matériaux incohérents (pulvérulents ) : (matériau formé d’un ensemble de grains comme le sable ou gravier): La détermination du volume apparent peut se faire en utilisant un récipient standard (de volume connu). La masse est mesurée en utilisant une balance  La masse volumique apparente est alors calculée M γ =[kg/dm3] app V app REMARQUE : Pour les matériaux usuels de construction (sable et graviers), cette masse volumique varie approximativement entre 1400 et 1650 g/dm3 19 REMARQUE La masse volumique apparente des matériaux pulvérulents (incohérents) est fortement influencée par: a. La composition granulométrique :  ▪Si les granulats ont la même taille, il se crée beaucoup de vides entre eux (Figure 1). ▪Si le matériau contient des granulats de dimensions variables (Figure 2), les petites particules s’insèrent dans les vides, et le matériau devient plus compact (moins de vides), donc plus dense (sa masse volumique apparente augmente). Figure 1 Figure 2 b. La forme des grains: Les granulats peuvent être anguleux ou arrondis : Les granulats anguleux assurent une meilleure Grains anguleux compacité. Grains arrondis c. le degré de tassement (compacté ou non compacté): ▪ pour un même matériau, plus il est compacté , plus les vides diminuent, et plus sa masse volumique apparente augmente. 21 Comment déterminer la masse volumique absolue ? Si les matériaux étudiés sont poreux, on doit les concasser puis les broyer afin de les réduire en poudre très fine, dont chaque grain est compact, sans aucun vide. Concasseur de laboratoireBroyeur de laboratoire On verse ensuite la poudre obtenue dans un récipient contenant de l’eau, afin de mesurer le volume d’eau déplacé par une masse M de cette poudre. 22 Comment déterminer la masse volumique absolue ?  Echantillon sec de masse Ms M N2 γ=s Volume d’eau initial V1Volume absolu de abs N1 V abs Etapes à suivre : 123 l’échantillon Vabs = N2 – N1 1. Mettre un volume V1 d’eau dans une éprouvette graduée, jusqu’au niveau N1 2. Verser l’échantillon sec dans le récipient 3. Une fois tout l’échantillon versé, noter le nouveau volume d’eau (N2). La différence entre le niveau N2 et N1représente le volume absolu de l’échantillon. 23 Intérêt de connaitre la masse volumique des matériau de construction La connaissance de la masse volumique des granulats est nécessaire lors de l'établissement d'une composition de béton. Certaines caractéristiques des matériaux telles que la résistance à la compression et le module d'élasticité sont fonctions de la masse volumique absolue. s γ La connaissance simultanée de la masse volumique absolue et de la masse volumique apparente d γ sèche permet de calculer la compacité « c » et la porosité « p ». γ = 1− Formule utilisée : d pγ s 24 2) La densité C’est le rapport de la masse volumique du matériau à la masse volumique de l’eau à 4°C (égale à 1g/cm3). C’est une grandeur sans dimension (s’exprime sans unité). γ= matériau densité matériau γ w dd 2.1) La densité apparente : C’est la ds densité sèche 2.2) La densité absolue: C’est la γ densité des grains solides = (Sans unité) d γ γ w =(Sans unité) s  γ w 25 3) La porosité Les pores sont des vides contenus dans les matériaux, leurs formes peuvent être sphériques, cylindriques ou quelconque. Ces vides sont soit remplis d’air ou d’eau. La structure des pores peut être différente, on distingue : Des pores fermés sans communication entre eux, sans pouvoir d’absorption capillaires Des pores ouverts reliés entre eux par des capillaires communiquant avec l’extérieur Calcul de la porosité C’est le pourcentage de vides contenus dans un volume total apparent, donc c’est le rapport du volume des vides au volume total  V volume des vides v p== volume total (%) V t 26 Effet de la porosité sur les autres propriétés du matériau La porosité a une importante influence sur: La résistance : plus le matériau est poreux, plus sa résistance est faible. La capacité d’absorption d’eau : plus le matériau est poreux (porosité ouverte), plus il absorbe de l’eau. La conductivité thermique : plus le matériau est poreux, moins il va conduire la chaleur (les pores bloquent le passage de la chaleur et du son) Les matériaux poreux assurent une bonne isolation thermique et phonique.  La durabilité : une porosité élevée est défavorable pour la durabilité des matériaux. Effet du type de porosité sur certaines propriétés du matériau Les pores sont Les pores ne communiquent pas entre eux reliés entre eux pas d’absorption d’eau Le matériau absorbe l’eau Bonne isolation thermique - Meilleur confort Mauvaise isolation thermique 27 Remarque concernant la porosité des bétons: La porosité d’un béton courant est de l’ordre de 15% à 28 jours, celle d’un béton à hautes performances de 10 à 12 % et celle d’un béton à très hautes performances peut varier entre 7 et 9%. Une porosité élevée est défavorable pour la durabilité des bétons, car elle facilite la pénétration des eaux et agents agressifs. ∙ Terminologie : Français English Français English Densité sèche Dry density Matériau cohérent Cohesive material Porosité Porosity Matériau pulvérulent Powdery material Pores fermés Closed pores Composition granulométrique Particle size distribution Pores ouverts Open pores Forme des grains Shape of grains Les Capillaires Capillaries Grains anguleux Angular grains Résistance mécanique Mechanical strength Durabilité Durability Grains arrondis Rounded grains Favorable Favorable Degré de tassement Degree of compaction Défavorable Unfavorable Compacté Compacted Densité des grains solides Solid grain density Agents agressifs Aggressive agents 28 4) La compacité C’est le pourcentage de grains solides par rapport au volume total apparent du matériau. C’est le rapport entre le volume des grains solides et le volume total apparent : V c= (%) s V t Relation entre la porosité et la compacité : V vs p Vt = VV pc Vt v + +=pc c = Vs Vt  = = 1 ⇒ += 1 V Vt t La recherche d’une compacité maximale pour les matériau est extrêmement importante; en effet, plus le matériau présente un minimum de vides et plus il sera résistant, imperméable et durable. 29 5) Indice des vides (%) v C’est le pourcentage de vides par rapport au volume des grains solides : Vs Ve= Dans le domaine de la mécanique des sols, l’indice des vides est l’un des paramètres importants qui permettent d’évaluer l’amplitude des tassements des ouvrages, ainsi que leur évolution dans le temps. Ces phénomènes de tassement du sol se traduisent généralement par des déformations importantes dans les superstructures.  Tour de Saint Martin Etampes - France France30 Tour de Pise Toscane - ItalieImmeubles penchés - Nantes - 6) La teneur en eau : Il est important de déterminer la teneur en eau réelle des matériaux au moment de lancer certains travaux. Exemple : avant de confectionner le béton, on détermine la teneur en eau du gravier et du sable à utiliser, afin de pouvoir en tenir compte dans la quantité d’eau de gâchage nécessaire (eau de gâchage = eau à additionner au gravier + sable + ciment pour avoir du béton). M Comment la calculer ? ω= C’est le rapport entre la masse de l’eau et la masse des particules solides. (%) w En général elle est notée ω et s’exprime en pourcentage (%), soit: Détermination : M h s  MM =− t (%) M s ω=w Gravier humide : h Mt Etuve à 105°C Gravier sec : MS M s M  s 31 7) Degré de Saturation Sr humide : 0 < Sr < 1 Il représente le pourcentage du volume des vides qui V sont remplis d’eau, soit : Sr = (%) ∙ Remarque : w Matériau sec : Sr = 0 ( Vw= 0 ) V v Matériau saturé : Sr = 1 ( Vv= ) ; tous les vides sont remplis d’eau Matériau ▪ Plus un matériau contient de l’eau, plus sa résistance mécanique diminue. ∙ Important : Compacité C Indice des vides Voi Terminologie : Imperméable Im Mécanique des sols Soi Français  Tassement Se Eau de gâchage Etuve Déformation D Sable Degré de saturation Teneur en eau W Gravier 32 Ciment Français Béton 8) La capacité d’absorption d’eau : C’est le pouvoir d’un matériau d’absorber et de retenir l’eau. Elle se caractérise par la quantité d’eau absorbée par un matériau sec entièrement immergé dans l’eau. Comment la déterminer ? La détermination de cette caractéristique consiste en des mesures d'absorption d'eau à la pression atmosphérique normale Le corps d’épreuve est posé dans un bac, on ajoute de l’eau jusqu’à l’Immersion complète. Le niveau d’eau est augmenté au fur et à mesure de manière à ce que l’air puisse s’échapper des pores.  On mesure ensuite l’accroissement de la masse du corps d’épreuve jusqu’à la saturation en eau de la matière. 33 Comment la calculer ? On distingue : 8.1) L’absorption massique am8.2) L’absorption volumique av C'est la quantité d’eau retenue par l’unité de masse C’est la masse d’eau retenue par l’unité de volume des grains solides d’un matériau saturé: apparent du matériau saturé: sat sat sat sat M t MM− MM− 3 g dm V M s w a t s = (/) w = (Sr = 100%)  (Sr = 100%) v s a== s V (%) M : masse du matériau à l’état t saturé m M t sat : masse du matériau à l’état saturé Mt sat Mt Ms: masse du matériau à l’état sec Vt: volume Ms: masse du matériau à l’état sec Exemple : total apparent am=3% signifie que chaque 100 g de 3 matière solide peut absorber 3g d’eau. Exemple : av= 150 g/dm signifie que chaque dm3 de matériau peut absorber 150g d’eau. Remarque ❑ Plus la porosité du matériau est importante, plus son absorption sera grande. ❑ L'absorption est toujours inférieure à la porosité du matériau, car une partie des pores est fermée, sans communication entre eux, ni avec le milieu ambiant, et donc inaccessible à l'eau. ❑ L’absorption massique pour des matériaux très poreux peut atteindre 100% (suite à l’absorption de l’eau, les matériaux très poreux peuvent doubler de poids, mais pas de volume). 34  Intérêt des connaitre l’absorption massique et volumique du matériau L'absorption est un indicateur de la porosité du matériau : plus la valeur est élevée, plus le matériau est capable d'absorber de l'eau, ce qui peut le rendre vulnérable aux cycles de gel/dégel et à la dégradation. Elle est importante dans le domaine de la construction pour évaluer la durabilité et la résistance des matériaux dans des environnements humides. Les propriétés des matériaux de construction changent suite à l’absorption d’eau, à savoir : ❑La masse volumique apparente augmente vu que les pores sont partiellement ou totalement remplis d’eau. ❑La conductivité thermique augmente avec l’humidité (l’eau conduit la chaleur plus que l’air). ❑La résistance mécanique diminue à l’état humide et surtout à l’état saturé. ❑ L’absorption d’eau La durabilité Remarque Conformément aux directives de la norme NBN B15-215, l’absorption massique du béton doit rester inférieure à 5,5% en moyenne (mesure de 3 éprouvettes) et ce afin d’améliorer sa durabilité. 35 9) Le coefficient de Ramollissement: C’est le rapport de la résistance à la compression d’un matériau saturé d’eau Rsat à sa résistance à la compression à l’état sec Rsec. Il permet de connaître la diminution de la résistance de matériaux en présence d’eau. R Rsec: Résistance a la compression du matériau a l’état sec [N/m2] K ram = sat Rsec Rsat : Résistance a la compression du matériau à l’état saturé d’eau [N/m2] Comment déterminer la résistance R ? Par un essai de compression au laboratoire section transversale S = a.b b a =  2 avec : [N/m ] : effort de compression maximal sous lequel se produit la rupture du matériau, valeur déterminée au laboratoire [Newton]. S : Surface de la section transversale de l’échantillon, calculée à partir des dimensions de celui-ci [m2] On obtient Si matériau sec Rsec On obtient Si matériau saturé Rsat36 Le coefficient de Ramollissement (suite): La valeur du coefficient de ramollissement permet d’apprécier la résistance à l’eau des matériaux de construction. En général, les matériaux de construction dont le coefficient de ramollissement est supérieur ou égal à 0.8 sont considérés comme résistants à l’eau. Ils peuvent être utilisés dans les régions humides. ▪ Si Kram≥ 0.80 , le matériau peut être utilisé dans les régions humides.  ▪ Si Kram< 0.80 , le matériau ne peut pas être utilisé dans les régions humides. Explication : R sat K sat sat ram ≥ ⇒ ≥ ⇒ ≥ ⇒ ≥ 0,8 0,8 R 0,8R R 80%R sec sec R sec Ce qui veut dire que la résistance à l’état saturé doit représenter au moins 80% de la résistance initiale du matériau. En d’autres termes, la résistance du matériau saturé ne doit pas chuter de plus de 20%. Remarque : Kram varie entre 0 et 1 Il tend vers zéro dans le cas des matériaux ayant une capacité d’absorption d’eau élevée comme les argiles crues. Il tend vers 1 pour les matériaux de faible capacité d’absorption et les matériaux non poreux (les verres et les métaux). 10) Le coefficient de résistance au gel : Parmi les actions susceptibles de provoquer des dégradations aux ouvrages ou aux revêtements en béton, le gel peut constituer un facteur particulièrement actif, surtout lorsque les cycles de gel et de dégel s’alternent rapidement. Le risque de désordres est d’autant plus élevé que le degré de saturation en eau du béton est important. C’est le cas notamment des parties d’ouvrages non protégées des intempéries. 38 Le coefficient de résistance au gel : Les matériaux poreux sont sensibles au gel car l’eau contenue dans les pores augmente de volume lors de sa transformation en glace. La plus grande augmentation de volume de l’eau a lieu au moment de sa transformation en glace. Cette augmentation de volume est de l’ordre de 9%. Suite à cet accroissement de volume important, les parois des pores sont sollicitées par de grandes contraintes (pression de cristallisation de la glace qui peut atteindre 200MPa), ce qui provoque la destruction du matériau. Définition : Le coefficient de résistance au gel est le pouvoir d’un matériau saturé d’eau à supporter la congélation et le dégel alternatifs sans aucun signe de destruction ni pertes de résistance mécanique. R Rsat : Résistance a la compression du matériau saturé d’eau [N/m2] rg K =Rrg : résistance à la compression du matériau après essai de gel dégel [N/m2]. rg R sat 39  Le coefficient de résistance au gel : Comment le déterminer ? Eprouvette de béton saturée d’eau Armoire pour cycles de gel/dégel (- 20°C / +20°C) Essai de compression Remarque : Essai de compression sur La température de l’armoire est de (-20°C On obtient matériau saturé Rsat Essai de matériau ayant subit des cycles gel/dégel On obtient compression sur Rrg /+20°C) car l’eau se trouvant dans les capillaires du matériau ne peut geler qu’à une40 température égale ou inférieure à -10°C. Rsat : Résistance a la compression du R matériau saturé d’eau [N/m2] rg Le coefficient de résistance au gel : (suite) K =Rrg : résistance à la compression du matériau après essai de gel dégel [N/m2].  rg R sat ▪ Si Krg≥ 0.75 , le matériau résiste au gel ▪ Si Krg< 0.75 , le matériau ne résiste pas au gel Remarque : Les matériau compacts (non poreux) sont résistants au gel. Les matériaux poreux qui ont une porosité fermée sont résistants au gel. Le phénomène de gel est dangereux dans le cas des matériaux ayant des pores de petites dimensions, car ces derniers se saturent plus facilement. Les gros pores ne se saturent habituellement pas et ne causent pas de contraintes (pressions) dans le matériau. 41 Terminologie : Français English Absorption massique Mass absorption Corps d’épreuve Test specimen Immersion Immersion Accroissement Increment Absorption volumique Volumetric absorption Coefficient de ramollissement Softening coefficient Compression Compression Coefficient de résistance au gel Freeze-thaw resistance coefficient Phénomène de gel Freezing phenomenon Dégel Thawing Intempéries Weathering Eprouvette de béton Concrete specimen 42