cours materiau LP ecoconstruction
Les matériaux de construction sont les matériaux qui ont la propriété de résister contre des forces importantes: Pierres. Terres cuites. Bois. Béton. Métaux
MATERIAUX DE CONSTRUCTION 01
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Matériaux de Construction - Cours de Génie Civil
Matériaux de Construction 1 22/10/01 Objectifs du cours (hiver et été) • Comprendre la fonction des matériaux dans la construction; • comprendre les propriétés et sollicitations qui orientent le choix des matériaux de construction • comprendre les bases de la chimie de la physique et de la microstructure qui sont responsables
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Les métaux et leurs alliages ont toujours joué un rôle primordial dans le développement de nos sociétés et ont largement contribué à la résolution de problèmes incontournables Les matériaux solides sont repartis en groupes : les métaux les céramiques et les polymères
Qu'est-ce que le cours de matériaux de construction?
Téléchargez comme PDF, Le cours «Matériaux de construction» est une des disciplines essentielles dans le domaine du G é nie Civil et de la branche des ponts et chaussées. Ce cours s'adresse en priorité aux étudiants de génie civil et aux techniciens supérieurs travaillant dans le domaine de la construction.
Quels sont les matériaux de construction les plus utilisés?
Pour des raisons de coût, de maniabilité et de mise en oeuvre, les matériaux les plus utilisés jusqu’au diamètre 150 mm, sont le PVC et le PET (polyéthylène). Ces 2 matériaux n’ont pas les mêmes atouts et sont chacun adaptés à des situations précises.
Quel est le sommaire du cours matériaux de construction génie civil ?
Ci-après le sommaire du cours matériaux de construction génie civil ( à télécharger en pdf ) : 1. Généralités sur les matériaux de construction et leurs constituants; 2. Différents matériaux de construction et leurs propriétés; 3. Techniques de mesures des propriétés des matériaux de construction;
Quels sont les différents types de matériaux de construction utilisés en génie civil ?
Connaître les différentes propriétés des matériaux de construction (aacier, matériaux bitumineux et béton de ciment) couramment utilisés en génie civil. Apprendre les règles d'utilisation de ces différents matériaux. Bien connaître les problèmes les plus importants auxquels l'ingénieur civil peut être confronté en utilisant ces matériaux.
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Partie 1Introduction
3 Les grandes classes de matériaux
Classification des matériaux
• Nature des liaisons ?Trois grandes classes de matériaux solides : métaux, céramiques, polymères • Matériaux naturels • Matériaux composites1. Introduction
Elastomères
(caoutchouc, silicones..PolymèresThermoplastiques
(polystyrene,polyéthylène,PVCThermodurcissables
(résines)Mousses
(polystyrène expansé) Bois soieMatériaux
Naturels
coton, cuir papierMatrice céramiqueMatériauxComposites
Matrice métallique
matrice polymèreVerres
bétonsCéramiques,
verres céramiques techniques (alumine, diamant,..Porcelaine
Aciers
Aluminium
orMétaux et alliages
bronze fontes1. Introduction
Classification des matériaux de construction
Les matériaux de constructionsont les matériaux qui ont la propriété de résister contre des forces importantes:Pierres
Terres cuites
BoisBéton
Métaux, etc.
Les matériaux de protectionsont les matériaux qui ont la propriété d"enrober et protéger les matériaux de construction principaux:Enduits
Peintures
Bitumes, etc.
1. Introduction
Les caractéristiques des matériaux• Classement des propriétés des matériaux en 6 catégories
(en fonction des agents auxquels ils sont exposés) :Mécaniques Electriques
Thermiques Magnétiques
Optiques Chimiques
1. Introduction
• Autres propriétés :Qualitatives
Résistance aux agressions chimiques
Inflammabilité, résistance aux UV ...?
Booléennes
Procédés de mise en oeuvre
Procédés d"assemblage
Formes disponibles
1. Introduction
Générales:
Densité, prix
Mécaniques:
Module d"Young, limite d"élasticité, résistance, déformation à la rupture, limite d"endurance, ténacité, dureté Vickers, capacité d"amortissementThermiques
Température de fusion, chaleur spécifique, conductivité thermique, coefficient de dilatation thermiqueElectriques
Résistivité
Optiques
Transparence
Résistance à l"environnement
Inflammabilité, solvants organiques, acides, bases, UV1. Introduction
•Dureté Mesurée en appuyant une bille ou un cône d"un matériau très dur (diamant, acier trempé) sur la surface du matériau •Limite d"endurance Sollicitation répétée pouvant entraîner l"apparition d"une fissure puis la rupture Amplitude de contrainte maximale pour laquelle la rupture ne se produit pas •Ténacité Mesurée en chargeant une éprouvette en présence d"une fissureDeux grandeurs : énergie de rupture G
1C et ténacité K 1C aYK C1 ps=1. Introduction
•Les modules d"élasticitéPentes des courbes contrainte - déformation
module d"Young E : comportement en traction et compression module de Coulomb G : comportement en cisaillement coefficient de Poisson n: opposé du rapport des déformations transversale et longitudinale FRque : matériaux homogènes isotropes
1(2 n+ =EG1. Introduction
a=4; S=25 cma=4; S=25 cm 22Ciment Ciment
MoitiMoiti
ééd"d"ééchantillon chantillon
de Mortier de Mortier a=12; b=12,3; h=14 a=12; b=12,3; h=14Brique Brique
ÉÉchantillons chantillons assemblassembl
éés s
a=10; 15; 20a=10; 15; 20h=40; 60; 80h=40; 60; 80a=2; h=3 a=2; h=3BBéétonton
Bois Bois
Prisme Prisme
d=15 ; h=30d=15 ; h=30d=h= 5; 7; 10; 15 d=h= 5; 7; 10; 15BBéétonton
MortierMortierRoche Roche naturelle naturelle
Cylindre Cylindre
15x15x1515x15x157,07x7,07x7,077,07x7,07x7,0710x10x1010x10x1015x15x1515x15x1520x20x20 20x20x20
BBéétonton
MortierMortierRoche Roche naturelle naturelle
Cube Cube
Dimension des Dimension des ééchantillons (cm) chantillons (cm)MatMat
éériaux riaux
testtestéés s
Formule de Formule de calcul calcul
SchSch
éémm
a aEchantillon Echantillon
d=15; l=30d=15; l=30d=16; l=32 d=16; l=32BBééton ton
Cylindrique Cylindrique
5x5x505x5x5010x10x8010x10x80dd00=1;=1;ll00=5; l=5; l
≥≥10 10BBéétonton
Armature Armature
CylindriqueCylindriquePrismatique Prismatique Essai de rEssai de r éésistance en traction pure sistance en traction pure15x15x6015x15x602x2x30 2x2x30
BBéétonton
Bois Bois
Prismatique Prismatique
4x4x164x4x1615x15x15 15x15x15
CimentCimentBrique Brique
Prismatique Prismatique Brique Brique Essai de traction par flexion Essai de traction par flexion Dimension des Dimension des ééchantillons (cm) chantillons (cm)MatMat
éériaux riaux
testtestéés s
Formule de Formule de calcul calcul
SchSch
ééma ma
Echantillon Echantillon
Métaux Polymères Céramiques Composites
PEEK PP PTFEWC ( carbure de tungstène)
Alumine
Verre de silice
CFRP(carbone)
GFRP(verre)
module de Young, GPa AcierCuivrePlombZinc
Aluminum
Exemple de carte de sélection
(1 seule propriété)1. Introduction
•Coefficient de dilatation thermique Caractérise la dilatation d"un matériau lors d"une variation de température Un seul coefficient pour les matériaux isotropes •Températures caractéristiques Température de transition vitreuse : transition entre le solide et le liquide visqueux pour les matériaux non cristallins Température de fusion, température de service maximale •Conductivité thermique Vitesse à laquelle la chaleur de propage en régime permanent à travers un solideFlux thermique :
avec lconductivité thermique, f flux de chaleur, x distance entre les surfaces où sont mesurées les températures xTT dxdT 21l=l=f
1. Introduction
•Diffusivité thermique Donne le flux thermique dans le cas d"un régime transitoire Exprimée en fonction des autres caractéristiques •Usure, oxydation, corrosion usure volumétrique : rapport du volume de matière arraché et de la surface de contact corrosion plus difficile à quantifier →seulement qualitatif données pour des couples de matériaux ou en fonction des milieux pCarl1. Introduction
4 Approche comparative des matériaux
difficileFacileMoyenneFacileFacilité d"assemblage
Facile (grde diffusion)Moyenne dépendant de la formeTrès facileDifficile (technique)Facile
Facilité de mise en forme
Faible / très faibleBonne / très bonne
Conduction de l"électricité
FaibleFaible / très faibleMoyenne / faibleBonne / très bonneConduction de la chaleur
MoyenneMoyenneBonne / très bonneMoyenne / mauvaiseTenue aux agressions
chimiques MoyennesMoyennes / faiblesHautes / très hautesMoyenne / hautesTempérature d"utilisation
Très tenacePeu tenaces mais grande énergie absorbéeTrès fragileTrès tenaceTolérance aux défauts et
aux chocs ElevéeMoyenne / faibleTrès élevée (compression)ElevéeRésistance Mécanique
ElevéMoyen / faibleTrès élevéElevé
Module d"Elasticité
Faible (grde diffusion)ElevéFaible / élevéElevé (techniques)Faible / élevé Prix Moyenne / faibleFaible / très faibleMoyenneMoyenne / élevée1ère
étape : comparaison qualitative
1. Introduction
Données numériques : fourchettes de valeurExemple: aciers module de Young entre 190 et 210 GPa limite d"élasticité entre 250 et 2000 MPa alliages d"aluminium module de Young entre 70 et 80 GPa limite d"élasticité entre 100 et 650 MPa ?On peut tirer des conclusions sur les modules, mais pas sur les limites d"élasticité1. Introduction
Quelles sont les structures des matériaux ?Quels modèles appliquer ?Ex: explication de la loi d"Young s=Ee
A- Modèle mécanique
Partie 2
Mise en évidence de la relation
structure / propriétésModèle électrostatique
+-DAU a= mrDBU=2. Structure / propriétés
Modèle électrostatique
drdUF=2. Structure / propriétés
Modèle électrostatique - explication de la dilatation thermiquePotentiel réel
anharmonique Approximation harmonique du poteniel2. Structure / propriétés
Modèle électrostatique - explication de la dilatation thermiquePotentiel réel
anharmonique Approximation harmonique du poteniel a0" a 0 a00" donc dilatation du matériau2. Structure / propriétés
Les différentes liaisons
- Liaison covalente - Liaison ionique - Liaison métallique - Liaison mixtes- Liaison de faible intensitéOn a établi, rapidement, des relations entre certaines propriétés des matériaux (E, a)
et l"énergie de liaison. D"autres propriétés dépendent aussi du type de liaison établie entre les atomes ou les molécules. Ex : fragilité : matériaux covalents et ioniques ductilité : conséquence directe de la liaison métallique.2. Structure / propriétés
La liaison covalente
2. Structure / propriétés
La liaison covalente
Elle est formée par le partage d"électrons entre les atomes, ce qui signifie que ceux-ci ne gagnent ni ne perdent des électrons. Il en existe deux types:La liaison covalente non polaire
relie deux atomes dont l"attirance des électronsde la part des 2 atomes est égale.C"est ce type de liaison qui relie
les atomes dans les molécules d"hydrogène(H2), d"oxygène (O2) et d"azote(N2)2. Structure / propriétés
La liaison covalente
La liaison covalente polaire implique une attirance inégale des électrons entre des atomes. Ceci peut être dû à une différence de grosseurdes deux atomes comme dans le cas d"une molécule d"eau par exemple. Les électron passent alors plus de temps autourdu noyau de l"atome qui les attire le plus. Ceci entraînel"apparition de charges partiellesau niveau des atomes.Exemple : molécule d"eau
2. Structure / propriétés
Dans certains cas, deux atomes exercent des attractions tellement inégales sur les électrons périphériques que l"atome le plus électronégatif arrache complètement un électron à l"autre atome. Un atome chargé (ou une molécule chargée) s"appelle un ion. Le terme ion s"emploie également pour désigner des molécules covalentes entières qui porte une charge électrique, comme par exemple: Cl -, Na +. Lorsque la charge est positive l"ion s"appelle cation. Lorsque la charge et négative, l"ion se nomme anion. En raison de leurs charges opposées, les cations et les anions s"attirent l"un l"autre dans ce qui s"appelle une liaison ionique. Les composés ioniques portent le nom de sel. Les sels ne possèdent pas tous un nombre égal de cations et d"anions.La liaison ionique
La liaison métallique
électronNa
2. Structure / propriétés
Les liaisons de faibles intensité
-Dipôles - liaisons hydrogènes, Van der Walls2. Structure / propriétés
Plan3.1 Ensemble d"atomes : ordre et désordre
3.1.1 Liquide ou solide amorphe
3.1.2 Solide cristallin
3.2 Notions de cristallographie
3.2.1 Systèmes et réseaux cristallins
3.2.2 Repérage des directions et des plans
3.2.3 Densité de noeuds et compacité
3.3 Défauts cristallins
3.3.1 à 3.3.4 Défauts sans, à une, deux et trois dimensions
Partie 3
Architecture
atomique3. Architecture atomique
3.1 Ensemble d"atomes : ordre et désordreComment,dans 1 cm
3de solide, disposer 10
24atomes ?
En désordre : solides amorphes
- plastiques - céramiques - verresEn ordre : solides cristallins
- métaux - céramiques - plastiques en partie} en partie3. Architecture atomique
3.1 Ensemble d"atomes: ordre et désordre
L "architecture atomique, c"est la disposition
des atomes dans l"espace et les relations géométriques qui en découlent.En ce sens, les gaz représentent le
désordre completpuisque la position d"un atome par rapport à un autre est tout à fait arbitraire. En mouvement continuel.À l"opposé, les solides cristallins
démontrent un ordre parfait puisque la position d"un atome par rapport à un autre est bien définie.3. Architecture atomique
Les atomes ne sont pas en contact et occupent tout l"espace disponible (compressible)*PV = nRT*
Les atomes sont toujours en mouvement (aucun ordre)Les gazAtomes sont en contact (incompressible)*
Ordre à courte distance *
Arrangement irrégulier
(au hasard) dans l"espace*Conséquence?isotropie
-les propriétés des corps isotropes sont les mêmes quelque soit la direction selon laquelle on les mesure.3. Architecture atomique
3.1 Ensemble d"atomes : ordre et désordre
3.1.1 Liquide ou solide amorphe
Les groupe d"atomes sont toujours en mouvement*
Viscosité du liquide dépend, entre autre, de la taille et de la forme des groupe d"atomes * sable vs gravier passant dans un entonnoir3. Architecture atomique
3.1.1 Liquide
3. Architecture atomique
Symétrie*
Ordre à longue distance*
Arrangement régulier
dans l"espace*Conséquence?anisotropie
- ex.: la biréfringence de la calcite (2 indices de réfraction différents, dépendant de la direction de mesure)3.1 Ensemble d"atomes : ordre et désordre
3.1.2 Solide cristallin
3. Architecture atomique
3.1 Ensemble d"atomes : ordre et désordre*
Exemple de la silice (SiO
2) (a) tétraèdre de base (b) état amorphe (vitreux) (c) état cristallin3. Architecture atomique
3.1 Ensemble d"atomes : ordre et désordre*
Quand on refroidi un liquide, le mouvement des
atomes est suffisant pour que chacun se positionne dans le système cristallin. En devenant cristallin, la plupart des liquides diminue de volume (compacité optimale) Exception : la glace*Toutefois, si on refroidi rapidement (trempe), on
" fige » les atomes en place...3. Architecture atomique
3.1 L"état amorphe*
Les matériaux amorphes présentent des propriétés différentes des matériaux cristallins.*Ils peuvent être plus réactifs :
- structure instable (figée à des conditions de température + élevée) - structure plus " ouverte » laissant passer leséléments étrangers
- Isotropie des matériaux amorphes3. Architecture atomique
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