DÉPARTEMENT DES SCIENCES DE L’INGÉNIEUR UNIVERSITÉ TECHNIQUE DE CONSTRUCTIONS DE BUCAREST

M A T É R I A U X

DE

C O N S T R U C T I O N

- cours en 4 fascicules –

F A S C I C U L E 4 : MATÉRIAUX DE NATURE ORGANIQUE

XI. LIANTS HYDROCARBONÉS ET MATÉRIAUX À BASE DE BITUME XII. MATÉRIAUX DE CONSTRUCTION EN BOIS XIII. POLYMÈRES ET MATIÈRES PLASTIQUES XIV. MATÉRIAUX D’ISOLATION, PROTECTION ET FINITION Annexe : Compléments de matériaux

Rédigé par Prof. dr. ing. Ion ROBU Prof. dr. chim. Maria POPESCU

- 2007 -

AVANT PROPOS Le cours de Matériaux de Construction pour les étudiants du Département des Sciences de l’Ingénieur a été conçu en 4 fascicules. Le 4-ème fascicule est destiné principalement aux matériaux de nature organique et aux matériaux d’isolation, protection et finition ; il comprend les chapitres suivants :

XI. Liants hydrocarbonés et matériaux à base de bitume XII. Matériaux de construction en bois XIII. Polymères et matières plastiques XIV. Matériaux d’isolation, protection et finition.

De même, ce fascicule comprend une annexe de compléments de matériaux, qui concerne les modifications survenues après la parution des 3 premiers fascicules et liées à la classification des matériaux, aux notations spécifiques et à la détermination de certaines caractéristiques des matériaux, selon les normes européennes.

Le sous chapitre “Liants hydrocarbonés et matériaux à base de bitume” présente la classification et les propriétés des liants hydrocarbonés, la composition chimique et la structure physique des bitumes, les essais sur bitumes, émulsions et enrobés, les matériaux à base de bitume, les liants hydrocarbonés utilisés à froid.

Dans le sous-chapitre “Matériaux de construction en bois” sont présentées la composition et la structure du bois, les caractéristiques physico- mécaniques et chimiques du bois et les matériaux en bois utilisés dans le bâtiment.

Le sous chapitre “Polymères et matières plastiques” fait une différenciation entre polymères et matières plastiques et présente les principaux polymères obtenus par polymérisation et copolymérisation, par polyaddition et par polycondensation.

Les matériaux d’isolation, protection et finition concernent les matériaux thermo isolants, les matériaux phono isolants, les matériaux d’isolation hydrofuge et électrique, les matériaux de protection et finition (mastics, revêtements naturels et artificiels, vernis et peintures etc.).

Auteurs

TABLE DES MATIÈRES Avant – propos ............................................................................................................................3 Chapitre XI. LIANTS HYDROCARBONÉS ET MATÉRIAUX À BASE DE BITUME 7

XI.1. Propriétés. Classification ......................................................................................7 XI.2. Composition chimique et structure physique des liants hydrocarbonés ........ .......9 XI.3. Essais sur bitumes, émulsions et enrobés ............................................................12

XI.3.1. Essais sur bitumes .................................................................................12 XI.3.2. Essais sur émulsions bitumineuses........................................................14 XI.3.3. Essais sur enrobés bitumineux ..............................................................15

XI.4. Matériaux à base de liants hydrocarbonés ...........................................................15

Chapitre XII. MATÉRIAUX DE CONSTRUCTION EN BOIS ........................................21 XII.1. Généralités ..........................................................................................................21 XII.2. Structure et composition du bois .................................................................. .....21 XII.3. Caractéristiques physico-mécaniques du bois ....................................................22

XII.3.1. Humidité du bois..................................................................................22 XII.3.2. Densité .................................................................................................22 XII.3.3. Résistances mécaniques.......................................................................23 XII.3.4. Déformations de retrait et gonflement .................................................26 XII.3.5. Conductibilité thermique .....................................................................26

XII.4. Matériaux de construction en bois......................................................................27 XII.4.1. Matériaux qui conservent la structure initiale du bois .........................27 XII.4.2. Matériaux en bois à structure et composition modifiées .....................29

XII.5. Domaines d’utilisation du bois ...........................................................................30

Chapitre XIII. MATERIAUX A BASE DE POLYMERES ...............................................31 XIII.1. Généralités.........................................................................................................31 XIII.2. Classification.....................................................................................................31 XIII.3. Polymères obtenues par polymérisation et polyaddition...................................34 XIII.4. Polymères obtenus par polycondensation .........................................................38 XIII.5. Utilisation des polymères et des matières plastiques pour la construction ......44 XIII.6. Essais sur polymères et matières plastiques ......................................................45

Chapitre XIV. MATÉRIAUX D’ISOLATION, PROTECTION ET FINITION .............46 XIV.1. Matériaux d’isolation thermique .......................................................................46 XIV.2. Matériaux d’isolation acoustique ......................................................................47 XIV.3. Matériaux d’isolation hydrofuge et électrique ..................................................49 XIV.4. Matériaux de protection et finition....................................................................49 XIV.5. Essais sur peintures et vernis ............................................................................53

Annexe. Compléments de matériaux.....................................................................................54

Bibliographie ...........................................................................................................................61

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XI. LIANTS HYDROCARBONÉS ET MATÉRIAUX À BASE DE BITUME XI.1. Propriétés. Classification Les liants hydrocarbonés sont des liants organiques à base de bitumes, goudrons et brais; leur consistance peut être solide, semi solide ou liquide (à 18oC). Ces liants sont des ”produits noirs” qui présentent un certain nombre d’avantages, à savoir:

- adhésion et adhésivité (adhérence du liant en présence de l’eau) aux matériaux pierreux, propriétés qui leur permettent l’utilisation à la fabrication des enrobés bitumineux; - hydrophobie qui leur confère la qualité d’excellents matériaux hydro isolants; - variation de la viscosité suivant la température, ce qui permet la mise en oeuvre à chaud des bitumes semi solides ou solides et qui explique leur durcissement par refroidissement; - bonne résistance chimique sauf aux acides à caractère oxydant : HNO3concentré, H2SO4.

La viscosité des liants hydrocarbonés est influencée par la température : on dit que le liant a une susceptibilité thermique; cette viscosité est une fonction sensiblement exponentielle de la température et décroît quand la température croît.

L’augmentation de la fluidité des bitumes peut être réalisée par: chauffage, par ajouts de solvants liquides (bitume fluidifié par du pétrole lampant), par ajout d’huile ou de bitume plus mou (bitume fluxé) ou par chauffage et pulvérisation dans l’eau pour obtenir une émulsion.

Le phénomène de prise et de durcissement des liants hydrocarbonés se produit d’une manière analogue au durcissement d’un feuil de peinture, c’est –à –dire à la fois par évaporation des huiles fluidifiants, par oxydation à l’air et par polymérisation.

Les liants hydrocarbonés ont des points faibles que l’on s’efforce de diminuer (fluage, ramollissement à la chaleur, faibles résistances mécaniques, vieillissement dans le temps) ; le vieillissement des bitumes est moindre que celui des goudrons.

Selon leur provenance, les liants hydrocarbonés sont classés en deux groupes : naturels et artificiels ; les liants artificiels, suivant la composition, peuvent être purs ou composites (schéma de la fig.XI.1). Le bitume naturel est formé du pétrole, résultant de l’évacuation lente de celui-ci des fractions légères et moyennes, ainsi qu’à la suite des processus de polymérisation et d’oxydation. Il a été utilisé comme liant, par les Anciens, par exemple, pour liaisonner les briques (les briques de la Tour de Babel étaient hourdées au bitume). Le bitume en état pur n’est que rarement rencontré ; les principaux gisements sont situés en Palestine (Mer Morte, Judée) et en Amérique Centrale (Antilles, Trinidad, Venezuela, Cuba). Plus souvent on rencontre les roches imprégnées à bitume (calcaire, dolomite, grès, argiles). L’asphalte est une roche poreuse argilo-calcaire imprégnée d’environ 6 à 25 % de bitume pur. Les bitumes naturels peuvent être extraits des roches bitumineuses par cuisson dans les chaudières ou en les dissolvants dans les solvants organiques. L’extraction des bitumes des roches asphaltiques n’est rationnelle que dans le cas où sa teneur dans la roche n’est pas inférieure à 10 – 15 %. Les roches bitumineuses de calcaires et de dolomites, dont on n’avait pas extrait le bitume, sont utilisées en forme de poudre fine (poudre d’asphalte) pour la préparation des enrobés bitumineux (mortiers et bétons asphaltiques). Le bitume naturel est insoluble dans l’eau mais se dissout facilement en sulfure de carbone (CS2), chloroforme (CHCl3) et benzène (C6H6) et c’est avec difficulté qu’il se dissout dans l’essence. La structure et les propriétés physico - mécaniques et chimiques des bitumes naturels sont proches à celles des bitumes de pétrole.

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- Bitumes de lac I. Naturels - Bitumes de roche (asphalte) - Bitumes de charbon (schistes bitumineux)

Liants hydrocarbonés - Bitume de pétrole 1. Purs - Goudrons (de houille, de bois, de schiste) - Brais II. Artificiels - Bitume modifié : bitume + polymères

- Bitume fluxé : bitume + huile de houille - Bitume fluidifié : bitume + solvant - Emulsion de bitume, de bitume modifié ou de 2. Composites goudron - Goudron modifié : goudron + styrène - Bitume – goudron - Bitume – brai - Bitume fillerisé

Fig. XI. 1. Le bitume artificiel s’obtient par chauffage et distillation de pétrole brut (très peu paraffinique). Ce traitement comporte toujours une phase de distillation à la pression atmosphérique au cours de laquelle sont extraits successivement les essences, le pétrole lampant, le gasoil et le fuel oïl et les fluides de graissage (fig. XI. 2a). Suivant le procédé qui fait suite à cette distillation on obtient différents types de bitume routier (4 types) :

a) les bitumes de distillation obtenus après une deuxième distillation à pression réduite (sous vide) ; b) les bitumes reconstitués obtenus par mélange d’une partie du résidu de la distillation sous vide avec : - des produits résiduels du traitement d’une autre partie du résidu de distillation sous vide par des solvants qui ont permis d’obtenir différents lubrifiants ou - des produits résiduels provenant du désalphaltage de ce résidu de distillation sous vide (désalphaltage : précipitation au solvant séparant les asphaltènes et carbènes du reste ; c) les bitumes soufflés obtenus en faisant traverser le résidu de distillation sous vide, chauffé à environ 250oC par une masse d’air ; d) les bitumes soufflés et reconstitués obtenus en mélangeant une partie du résidu de distillation sous vide à une autre partie de résidu de distillation sous vide préalablement soufflé mais plus longuement que dans le cas des bitumes soufflés ordinaires et à différents produits provenant du raffinage pétrolier. Les bitumes sont plus adhérents que les goudrons et plus stables. Les goudrons, des liquides visqueux, noirs ou bruns, composés d’hydrocarbures et de leurs dérivés sulfureux, azoteux et d’oxygène, sont obtenus par la décomposition des matériaux organiques (houille, tourbe, bois etc.) à des hautes températures et sans accès d’air ; le procédé s’appelle distillation destructive sèche. Les goudrons de houille (30 – 50 kg / t de houille), qui sont les sous-produits des

processus de cokéfaction et de gazéification de la houille, ont plus d’importance pour la construction. Les bois résineux donnent le goudron végétal ou carbonyle, la distillation du hêtre donne la créosote et les schistes bitumineux fournissent le goudron de schiste.

Les propriétés du goudron peuvent être améliorées par ajout de 15 à 20 % de bitume. Le goudron est plus susceptible aux variations de température et vieillit plus vite que le bitume. Les goudrons ont une meilleure adhésivité que les bitumes.

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essences huile légère 220˚C 170˚C pétrole lampant huile moyenne 280˚C 230˚C gasoil et fuel oïl huile lourde 370˚C 270˚C fluides de graissage huile anthracénique 380˚C 320˚C

a. b. Fig. XI. 2.

Les brais s’obtiennent par la distillation des goudrons bruts sous forme d’un résidu noir

semi - solide ou solide. Par distillation des goudrons on obtient : l’huile légère, l’huile moyenne, l’huile lourde, l’huile anthracénique et le brai (fig. XI. 2b). Le brai est constitué d’huiles très lourdes, de résines colloïdales et de très fines particules de solide (carbone libre). Le brai fluidifié avec de l’huile d’anthracène donne des goudrons pour usage routier.

Les goudrons et les brais ont une composition chimique et des propriétés un peu différentes de celles des bitumes mais elles peuvent être corrigées par divers traitements ou par mélange avec du bitume.

XI.2.Composition chimique et structure physique des liants hydrocarbonés Il faut noter que les liants hydrocarbonés sont des corps d’une grande complexité chimique et qu’il est pratiquement impossible de déterminer avec précision la composition exacte de ces corps car les composants sont sensibles tant à la chaleur, si on veut les séparer par distillation, qu’à l’action des agents chimiques, si on veut les séparer par un procédé chimique. La composition initiale, avant traitement, des pétroles bruts et des houilles est extrêmement variable d’un point de production à un autre du fait des différences d’origine ou des différences d’extraction. De plus, les procédés de préparation des bitumes et des goudrons sont différents d’une usine à l’autre : le résultat est que les bitumes et goudrons commercialisés, malgré des appellations identiques, parce qu’ils ont certaines propriétés importantes communes, ont de grandes différences de composition chimique et des différences de comportement notables sur chantier. C’est pourquoi, il faut apprécier leurs qualités techniques par de nombreux essais empiriques pour les utiliser correctement. Les liants hydrocarbonés ont une composition chimique complexe, étant un mélange d’hydrocarbures acycliques et cycliques, saturés et non saturés, et leurs dérivés non métalliques avec le soufre, l’oxygène ou l’azote. Le bitume comprend surtout des hydrocarbures saturés, alors que le goudron contient surtout des hydrocarbures non saturés ; en outre, les séries d’hydrocarbures diffèrent.

BITUME DE PÉTROLE

PÉTROLE GOUDRONS

BRAI

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La complexité des substances chimiques se trouvant en bitumes rend difficile la séparation et la détermination des composants individuels afin d’établir leur influence sur les propriétés techniques ; c’est pourquoi la composition chimique des bitumes est appréciée par groupes de solubilité par l’intermédiaire des solvants volatils dans lesquels se dissolvent successivement. Ce sont les suivants : maltènes, asphaltènes, carbènes et carboïdes. Le tableau XI.1. indique comment effectuer grossièrement la séparation de ces groupes de substances et le rôle qu’ils jouent. Tab. XI.1. Solvants Maltènes Asphaltènes Carbènes Carboïdes Sulfure de carbone soluble insoluble Tétrachlorure de carbone soluble insoluble Ether de pétrole soluble insoluble

Propriétés Plasticité.

(hydrocarbures linéaires)

Stabilité. Adhérence

(hydrocarbures cycliques)

Fragilité. Anti émulsifiant -

Bitumes naturels 70 % 30 % 0,5 % Bitumes artificiels 60 - 80 % 20 - 40 % 1 - 2 %

Les maltènes résultent de l’association huile + résine dont les poids moléculaires sont de

1 000 à 2 000 pour les résines et de 500 à 900 pour les huiles. Les maltènes sont soluble dans l’éther de pétrole. Les huiles (appelées aussi pétrolènes),

de consistance fluide - visqueuse, sont des huiles paraffiniques associées à des huiles aromatiques ; elles comportent également des hétéro atomes et sont solubles dans l’éther de pétrole. Les résines sont nettement aromatiques, ne comportent pas de paraffine et ont une plus forte proportion d’hétéro atomes ; ces substances résineuses ont une consistance semi solide et sont solubles dans l’éther de pétrole, tétrachlorure de carbone, sulfure de carbone et benzène.

Les asphaltènes sont des substances macromoléculaires à caractère rigide - cassant et à structure tridimensionnelle, qui au chauffage sont carbonisées sans fusion ; elles ont une couleur noire, solubles dans CCl4, CS2 et C6H6. Leur poids moléculaire est élevé (2 000 à 15 000). Elles sont constituées d’hydrocarbures cycliques aromatiques comportant en outre des hétéro atomes (S, N, O, Ni, Fe, V) des cycles thiophéniques (C4H4S) et pyridiniques (C5H5N).

Les carbènes (solubles dans CS2) et les carboïdes (insolubles dans tous les solvants) sont en faible pourcentage (< 1 %) et ont un poids moléculaire très élevé. On peut les considérer comme des asphaltènes riches en O et S très polymérisés.

Les propriétés des bitumes varient en fonction de la proportion de chaque groupe de solubilité. Pour les bitumes de Roumanie cette proportion est la suivante : 50-55 % d’huiles, 30-35 % de résines et 10 à 20 % d’asphaltènes.

Le fractionnement des bitumes caractérise la composition chimique par 4 fractions : hydrocarbures saturés, hydrocarbures naphtène - aromatiques (cycliques), hydrocarbures aromatiques - polaires (résines) et asphaltènes. La proportion des fractions est :

% F = A

B 100

où : A = Asat., Acycl., Arés., Aasph., quantité de chaque fraction, et B = quantité de bitume utilisé. Les bitumes et leurs asphaltènes contiennent des composés polaires, qui ont un comportement tensioactif cationique ou anionique. On considère les composés anioniques comme des acides carboxyliques et les composés cationiques comme des bases aminées. Les bitumes montrent vis-à-vis de phases aqueuses une tensioactivité qui dépend du pH. Le dope d’adhésivité est un tensioactif aminé à chaîne grasse, du type polyamide, amidoamine ou imidazoline.

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Structure physique des bitumes

Selon les conceptions actuelles, les bitumes sont considérés des systèmes colloïdaux de type sol (les bitumes fluides) ou de type gel (les bitumes semi solides).

Les micelles des sols de bitume sont formées au centre (noyau) par les asphaltènes (corps solide colloïdal) et à la périphérie par les résines adsorbées sur les asphaltènes; les huiles forment la phase liquide inter micellaire (le milieu de dispersion).

La stabilité cinétique des sols de bitume est due aux charges électriques uniformément distribuées des composés polaires à comportement tensioactif cationique ou anionique, se trouvant dans les maltènes (résines). Pour le cas des maltènes pauvres en ces composés polaires (acides naphténiques des bitumes ou les phénols des goudrons) au lieu des micelles à caractère lyophobe (fig. XI.3a) se forment des micelles à dispersoïde lyophile (fig. XI.3b) où la stabilité du système colloïdal est due à la formation autour des micelles, de couches de molécules du milieu de dispersion.

Fig. XI. 3.

Le passage du système sol en système gel est réalisé par l’évaporation du milieu de

dispersion ou par l’oxydation des huiles et résines en asphaltènes ; cette transformation est graduelle passant par une phase de transition sol - gel (fig. XI.4).

Fig. XI.4.

H+

H+

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Pour le système gel, par association micellaire, le milieu de dispersion, occupant l’espace libre entre les micelles, se transforme en phase dispersée. La transformation sol - gel est réversible sous l’influence des solvants et de la température (T), permettant l’utilisation et la mise en œuvre des liants hydrocarbonés. XI.3. Essais sur bitumes, émulsions et enrobés Ces essais ont le rôle de déterminer les caractéristiques des bitumes et des enrobés bitumineux et d’établir leur domaine d’utilisation. XI.3.1. Essais sur bitumes Sur les bitumes on effectue les essais suivants : le point de goutte, la “pseudo viscosité”, la profondeur de pénétration à 25°C, le point de ramollissement, le point de fragilité Fraass, la ductilité, la stabilité thermique, le point d’inflammabilité, le % de paraffine, la densité relative. Le point de goutte (θg) représente la température à laquelle le bitume se fluidifie, en laissant tomber une première goutte par un orifice normalisé de l’appareil Ubbelhode, fig. XI.5. Fig. XI.5. La “pseudo viscosité” c’est une viscosité type Engler spécifique pour les émulsions. On détermine le temps d’écoulement de 50 cm3 à 25°C et 40°C par des orifices calibrés : 4 mm pour goudrons et 10 mm pour bitumes et cut-backs.

Pour les bitumes très visqueux (brais ou bitumes non fluidifiés) où les essais d’écoulement sont difficiles ou impossibles à réaliser, on mesure la dureté grâce à un essai de pénétration à l’aiguille ou grâce à un essai de point de ramollissement. La pénétration standard d’un liant bitumineux se définit comme étant la pénétration à 25°C d’une aiguille normalisée chargée de 100 g et abandonnée durant 5 s : la pénétration s’évalue en dixième de millimètres. La mesure se fait avec un appareil appelé pénétromètre Dow, fig. XI.6. Fig. XI.6. La profondeur de pénétration (P) varie d’une manière exponentielle avec la température (fig. XI.7.) : lg P = A·T + C où A = tgα (fig. XI.8.)

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AIPIP

dTPd

=+−

=1020·

501lg → IP =

AA

·501·50020

+−

IP – indice de pénétrabilité ayant des valeurs de -8 à 3. IP ≈ 0 pour les bitumes routiers et

IP < 0 pour les bitumes susceptibles à la température.

Fig. XI.7. Fig. XI.8.

La pénétration Pt à T°C est reliée à la pénétration P25 à 25°C par une relation de la forme :

log PT = log P25 + K(T – 25)

Entre la résistance en compression d’un enrobé (fc) et la pénétration standard du bitume utilisé, on a une relation du type :

fc·P2/3 = K ou log fc + 2/3 log P = log K = A Le point de ramollissement (θram) peut être déterminé par plusieurs méthodes : point de ramollissement Kraemer et Sarnow, point de goutte de Ubbelhode, méthode Bille et Anneau (la plus utilisée, fig. XI.9.). Fig. XI.9. Le point de ramollissement Bille et Anneau (B.A.) marque, en première approximation, un stade de viscosité déterminée du liant. A la température caractérisant ce point de ramollissement, un bitume présente une pénétration élevée (il correspond en moyenne à une pénétration virtuelle de 900, valeur obtenue par extrapolation de la droite :

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log P = f (T). θram = θg + 10°C

Entre la résistance en compression d’un enrobé (fc) et le point de ramollissement B.A. du bitume on a une relation de la forme :

fc = λ·θµ µ a couramment une valeur autour de 2,64 et λ varie avec la composition, la compacité du béton bitumineux et prend des valeurs qui varient dans le même sens que la qualité des performances de l’enrobé. Le point de fragilité Fraass (fig. XI.10.) représente la température négative à laquelle une pellicule de bitume fissure sous une sollicitation de flexion. Fig. XI.10. La ductilité est définie par l’allongement, en cm, avant rupture à 25°C, déterminé par un ductilomètre, (fig. X1.11a), en utilisant une éprouvette en forme de ∞, (fig. X1.11b). La vitesse de traction : 5 cm/min. Valeurs : 25 - 100 cm.

Fig. XI.11. La stabilité thermique ou sensibilité au vieillissement est appréciée par le comportement du bitume soumis au chauffage pendant 5h à 163°C, dans une étuve, à base de la perte de masse et de la réduction de la pénétration standard. La stabilité à la chaleur est jugée aussi par le point d’éclair et le point de feu.

Le point d’inflammabilité est 250°C (pour les bitumes de pénétration 20-30 et 35-50) et 230°C (pour les bitumes de pénétration 50-70, 70-100, 180-220).

Le % de paraffine doit être de max. 4,5%. La densité relative à 25°C : 1 à 1,1.

XI.3.2. Essais sur émulsions bitumineuses Pour les émulsions on contrôle :

a) la composition par la teneur en eau et la teneur en liant ; b) la viscosité par le viscosimètre Engler (on mesure le temps d’écoulement de 100 cm3 à 20°C par un ajoutage de 2,8 mm) ; c) leur stabilité par le pH, la taille des globules de bitumes et l’indice de rupture. L’indice de rupture d’une émulsion est défini par la relation :

100·EPC =

où : P – poids de filler introduit pour obtenir la rupture complète et E – poids d’émulsion.

b a

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Suivant l’indice de rupture, il y a 4 types d’émulsions : à rupture rapide - R (C <80), à rupture semi rapide - M (80 < C <120), à rupture lente - L (C > 120) et sur stabilisées – S.

d) stabilité au stockage : on laisse, dans une éprouvette, reposer l’émulsion et puis on analyse la composition des parties supérieure et inférieure. XI.3.3. Essais sur enrobés bitumineux Sur les enrobés bitumineux on détermine : la masse volumique apparente, la masse volumique réelle, l’imbibition et le gonflement, la résistance à la compression, l’affaissement à la rupture, la teneur en liant et en eau, la compacité et le % de vides comblés par le bitume. La masse volumique apparente est déterminée sur éprouvettes cylindriques en fonction de masse et dimensions ou à l’aide de la balance hydrostatique sur éprouvettes paraffinées. La masse volumique réelle est déterminée par la méthode pycnométrique, en utilisant comme liquide le toluène. Le pourcentage d’imbibition se calcule suivant la relation :

I % = 100·0

0

mmmh −

où : m0 - masse de l’éprouvette avant l’immersion dans l’eau ; mh - masse de l’éprouvette après immersion.

Le gonflement volumétrique se calcule à partir de la formule :

G % = 100·0

0

VVVh −

où : V0 – volume de l’éprouvette avant immersion dans l’eau ; Vh - volume de l’éprouvette après immersion.

La résistance à la compression fc et le % d’affaissement à la rupture sont calculés à base des relations suivantes :

fc = SF (MPa) et A % = 100·

i

fi

HHH −

où : F – force de rupture en compression ; S – section comprimée ; Hi – hauteur initiale de l’éprouvette et Hf – hauteur à la rupture.

Pour mesurer la teneur en liant et en eau d’un béton bitumineux on utilise l’extracteur Shell – Kumagawa. Le bitume est extrait de l’enrobé par dissolution dans un solvant (toluène) et séparation par filtration à travers une cartouche filtrante (Durieux). Simultanément l’eau est entraînée par la vapeur de toluène (entraînement azéotropique) et séparation après condensation de la phase vapeur, par décantation dans un appareillage de type Dean – Stark des deux phases liquides non miscibles.

XI.4. Matériaux à base de liants hydrocarbonés

Ce sous-chapitre concerne : les différents types de liants purs et composites, les mastics bitumineux, les enrobés bitumineux, les liants hydrocarbonés utilisés à froid et les matériaux armés à base de bitume.

Les liants hydrocarbonés commercialisés en France sont les suivants : a) Bitumes purs : 5 catégories désignées par leur viscosité évaluée en pénétration (180-220, 70-100, 50-70, 35-50 et 20-30) ; b) Bitume fluidifié (bitume + pétrole lampant) : 5 catégories désignées par leur viscosité évaluée en “pseudo viscosité ” :

- à 25oC, orifice de 4 mm : 0 – 1 ; - à 25oC, orifice de 10 mm : 10 – 15, 150 – 250, 400 – 600 ; - à 40oC, orifice de 10 mm : 800 – 1400 ;

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c) Bitumes fluxés (bitume + huile de houille) : 4 catégories désignées par leur viscosité évaluée en “pseudo viscosité ” :

- à 25oC, orifice de 10 mm : 400- 600 ; - à 40oC, orifice de 10 mm : 800 – 1200, 1200 – 1600, 1600 – 2400 ;

d) Goudrons : 6 catégories désignées par leur viscosité évaluée en “pseudo viscosité ”: - à 25oC, orifice de 10 mm : 10 – 25, 35 – 100, 200 – 300 ; - à 40oC, orifice de 10 mm : 35 – 55, 80 – 140, 190 – 370 ;

e) Goudron modifié (goudron + styrène) : 1 catégorie désignée par sa viscosité évaluée en pénétration : 80 – 100 ; f) Bitume – goudron : 3 catégories en fonction de leur “pseudo viscosité ”: à 40oC, orifice de 10 mm ; 80 – 120, 120 – 200, 200 – 240 ; g) Bitume – brai : 2 catégories dont la viscosité est évaluée en pénétration : 60 – 70 et 40 – 50 ; h) Emulsions (anioniques –EA et cationiques – EC) en 4 classes suivant l’indice de rupture : R (rupture rapide), M (rupture semi rapide), L (rupture lente) et S (sur stabilisées). i) Bitumes modifiés = bitume + polymères (copolymères d’éthylène - vinyle acétate – EVA et copolymères de polystyrène et de polybutadiène – SBS). Les bitumes modifiés permettent en particulier : - d’éviter le ramollissement des matériaux bitumineux en période estivale chaude (maintien de rigidité) ; - d’éviter des dégradations des matériaux bitumineux par cassure due à la fragilité du bitume pur en période froide (maintien de l’élasticité) ; - d’augmenter notablement les plages de température correspondant à une consistance convenable des produits bitumineux (utilisation en région à la fois à été chaud et hiver froid) ; - de prolonger la durée d’utilisation des chaussées bitumineuses en luttant contre la fatigue du liant ; - de réduire éventuellement les épaisseurs des couches bitumineuses du corps des chaussées (résistance mécanique accrue, fatigue diminuée). Les mastics bitumineux sont des mélanges bien homogénéisés de liants bitumineux avec

diverses poudres minérales (filler à d < 80 µm) ; l’addition des fillers (calcaire broyé, diatomite, talc, fibres de bois …) a le rôle de réduire la consommation de bitume, d’améliorer sa résistance à la chaleur et de réduire sa fragilité aux basses températures. Les mastics sont utilisés à chaud ou à froid pour remplir les joints des routes en béton, des pistes d’envol, pour travaux d’isolation hydrofuge, contre les infiltrations etc. ; ils sont employés également comme liants pour la préparation des enrobés bitumineux. Les enrobés bitumineux (mortiers et bétons asphaltiques) sont des mélanges compacts et intimes de certains composants minéraux (pierraille ou gravier, sable et poudre minérale) avec des liants bitumineux ; ces mélanges portent également le nom de “ mixtures asphaltiques ”. Le mortier d’asphalte est constitué d’un liant asphaltique (bitume contenant des granulats minéraux fins ou filler) et de sable. Le sable employé dans les mortiers asphaltiques doit être propre et sec, comporter un volume de vides aussi réduit que possible et ne pas contenir de grains de plus de 6,3 mm grosseur. La quantité totale de bitume dans un mortier doit être de 9 à 10 % y compris le bitume contenu dans la poudre d’asphalte, quand on emploi une telle poudre. Après le durcissement qui résulte du refroidissement du bitume, le mortier d’asphalte doit être suffisamment compact, imperméable à l’eau et avoir une bonne résistance mécanique et une bonne résistance à la chaleur, pour ne pas ramollir sous l’effet des rayons solaires ou des températures maximales de service. On emploi largement dans le bâtiment les mortiers bitumineux comme étanchéité (appliqués sur les surfaces intéressées sous forme d’enduit) et pour sols en asphalte. Les mortiers de goudron sont moins utilisés parce - qu’ils durent moins longtemps.

17

Les bétons hydrocarbonés ou bitumineux diffèrent des bétons hydrauliques de ciment par leur sensibilité aux variations de température, alors que les bétons hydrauliques sont surtout sensibles aux variations d’hygrométrie. Les bétons bitumineux doivent avoir autour des granules inertes, des pellicules d’enrobage de liant suffisamment minces (5 à 8 µm) pour que la résistance visqueuse soit élevée sans être excessive sous l’influence des charges extérieures ; il y a donc un dosage maximal en liant beaucoup plus strict que pour les bétons hydrauliques. Le pourcentage pondéral de liant bitumineux à utiliser est de l’ordre de 6 à 8 %, pour des teneurs pondérales en filler de 6 à 7 %. La teneur en liant (par rapport au granulat) est calculée à partir du module de richesse K, de la surface spécifique conventionnelle Σ et d’un coefficient α correcteur de la masse volumique des granulats ρr (en g/cm3), à l’aide de la relation suivante :

Teneur en liant = K.α. Σ avec 100 Σ = 0,25 G + 2,3 S + 12 s + 135 f

où : G - proportion pondérale des éléments supérieurs à 6,3mm ; S - proportion pondérale des éléments compris entre 6,3 et 0,315mm ; s - proportion pondérale des éléments compris entre 0,315 et 0,08mm et f - proportion pondérale des éléments inférieurs à 0,08mm. α = 2,65/ρr ; K = 3,3 pour BBSG 0/14, K = 3,5 pour BBSG 0/10 et K = 3,7 pour BBS 0/10 (BBSG = béton bitumineux semi grenu et BBS = béton bitumineux souple). Les coefficients 0,25 ; 2,3 ; 12 et 135 représentent les valeurs moyennes des surfaces spécifiques (en m2/kg) des granulats élémentaires considérés. La résistance à la compression à sec des bétons bitumineux est de 4 – 7 MPa. Le rapport fc après immersion/fc à sec ≥ 0,75. Le pourcentage de vides à respecter est de 5-6 à 9-10 % pour BBSG 0/10 (sur chantier : 4 à 9 %) et 5-6 à 8-10 % pour BBSG 0/14 (sur chantier : 4 à 8 %). La température optimale de répandage est : 130 – 150oC (pour bitume 70-100), 135 – 155oC (pour bitume 50-70) et 140 – 160oC (pour bitume 35-50). Pour les bétons bitumineux il n’y a pas une courbe granulométrique type applicable automatiquement pour obtenir un béton parfaitement dosé. Dans les granulométries courantes de ces bétons, que nous donnons à titre d’exemple, on note en moyenne : - 50 % de gros gravillons 6,3/20 ou 6,3/14 ou 10 mm ; - 30 % de gros sable 0,315/6,3mm ; - 13 % de sable fin 0,08/0,315 mm ;

- 7 % de filler comprenant en général 5 % de filler quelconque, calcaire le plus souvent, et 2 % de chaux, celle-ci favorisant l’adhérence du liant en présence de l’eau (l’adhésivité).

D’après le mode d’emploi, les bétons bitumineux et goudronneux se divisent en bétons mis en place à chaud et bétons mis en place à froid. Pour les premiers, les granulats chauffés à 170-190oC sont mélangés avec bitume fondu ; le mélange préparé en usine est transporté dans les camions à benne basculante et près de l’endroit de mise en place on le charge dans l’asphalte – “spreader” qui le répartit d’une couche d’épaisseur égale sur une fondation préparée d’avance. Le mélange ainsi réparti est ensuite compacté par un rouleau compresseur, dont la masse varie de 5 à 14 t, ou par des rouleaux vibrateurs motorisés d’une masse de 0,5 à 4,5 t. Pour les enrobés à froid, les matériaux composants vont directement du stock au doseur puis au malaxeur. Les bétons bitumineux sont employés surtout pour les revêtements routiers. Le béton goudronneux est utilisé pour la construction des routes de troisième catégorie et pour les travaux de réparations. Les bétons bitumineux cloutés (BBC) sont utilisés pour la couche de roulement. La matrice est un béton bitumineux 0/10 riche en sable. “Les clous” sont des granulats à granulométrie très serrée 10/14 ; 14/16 ou 12/14, répandus à raison de 4,5-5 L/m2, pré enrobés à

18

raison de 0,5 – 1 % de bitume chaud et dur (35-50 ou 50-70). Ce revêtement est antidérapant mais bruyant. Liants hydrocarbonés utilisés à froid Par l’utilisation à froid des liants hydrocarbonés on élimine certains inconvénients de l’utilisation à chaud, à savoir : consommation d’énergie et combustible, vieillissement partiel par perte de substances volatiles (huiles), polymérisation et oxydation, toxicité plus accentuée. A froid, les liants hydrocarbonés sont utilisés sous forme de solutions, émulsions et suspensions bitumineuses. Les solutions bitumineuses ou “cut-backs” sont des bitumes fluxés ou fluidifiés obtenues par dissolution des liants bitumineux de consistance semi - solide ou solide dans divers solvants organiques volatils ; elles sont appliquées sur un support sec (mais sont souvent “ dopées” afin d’améliorer l’adhésivité). Pour les préparer on incorpore au bitume un diluant qui le rend fluide à la température ambiante et qui s’évapore ensuite plus ou moins rapidement suivant sa nature (kérosène, white spirite, pétrole lampant, huile de goudron etc.) ; on utilise : 60-80 % bitume et 20-40 % diluant. Emulsions de bitume. Un autre moyen d’utiliser le bitume à basse température est de le mettre en suspension, c’est-à-dire de l’émulsionner. On appelle émulsions les systèmes dispersés composés de deux liquides qui ne mêlent pas et dont l’un se trouve dans l’autre en état finement broyé (dispersé) ; un tel système comprend : milieu dispersif et phase dispersée qui est répartie dans le premier. Les émulsions bitumineuses se sont développées en France depuis 1955 et sont très utilisées en technique routière (en 1972, on a utilisé pour usage routier 1 million de tonnes d’émulsions). Le bitume se présente sous forme de globules sphériques de 2 à 20 µm de diamètre dispersés dans l’eau ; ils sont enrobés d’un film protecteur mince d’émulsifiant empêchant leur soudure par coalescence. Lors du répandage de l’émulsion, l’eau s’évapore, l’émulsion se rompt et il se forme un film continu par rassemblement des globules de bitume.

Fig. XI. 12.

Suivant la composition et le mécanisme de stabilisation, les émulsions de bitume sont classées en 2 groupes (fig. XI.12) : basiques ou anioniques (EA) et acides ou cationiques (EC). Suivant l’indice de rupture, il existe 4 classes : R (rupture rapide), M (rupture semi rapide), L (rupture lente) et S (sur stabilisées) et suivant le pourcentage en bitume, plus de 20 différentes catégories. Par exemple, EAR50 signifie : émulsion anionique, à rupture rapide, comportant 50 % de bitume.

19

La stabilisation des émulsions de bitume/eau est due à l’émulsifiant par hydrophilisation du bitume. L’émulsifiant (ou agent émulsif) pour les émulsions basiques est un savon alcalin, RCOO- Na+, sel d’acide gras faible avec une base forte, ionisé dans l’eau ; les globules de bitumes sont tous chargés négativement, ils se repoussent les uns les autres en rendant l’émulsion stable. Ces globules de bitume adhèrent bien aux roches basiques comme calcaire, basalte etc. Pour les émulsions acides, l’émulsifiant est un savon cationique, R−NH3

+Cl-, sel d’amine avec un acide fort, ionisé dans l’eau. La chaîne organique R a une grande affinité pour le bitume ; les ions R−NH3

+ sont adsorbés par les globules de bitumes auxquels ils forment une enveloppe chargée positivement. Dans ce cas l’adhérence est meilleure sur roches acides : quartz, sable siliceux etc. L’émulsifiant a un second rôle de renforcer l’adhérence bitume - granulat en présence de l’eau (d’améliorer l’adhésivité). On emploi surtout des émulsions cationiques qui contiennent le plus souvent de 60 à 70 % de bitume. Les plus grosses unités de production fabriquent environ 50 000 tonnes d’émulsion /an. Les formulations des émulsions diffèrent suivant leur utilisation, la technique de répandage, le matériel utilisé et les conditions climatiques. Elles se distinguent les unes des autres par : viscosité, homogénéité, teneur en eau, granulométrie, stabilité (au stockage ou vis à vis des granulats utilisés), pH, vitesse de rupture, adhésivité. Les émulsions bitumineuses sont applicables sur des surfaces humides et très adhérentes aux supports poreux. Pour préparer une émulsion, on met dans l’eau à l’état d’extrême dispersion sous forme de globules, du bitume mou ou du brai de pétrole pur, grâce à un émulsifiant et à un stabilisant (gomme ou résine). Le pourcentage de bitume varie entre 50 et 70 % du poids total et celui de l’émulsifiant et du stabilisant varie entre 0,5 et 1,5 %. Les émulsions bitumineuses sont fabriquées dans des usines spécialisées à une température voisine de 80oC. Il existe aussi des émulsions de goudron et de goudron - bitume, mais elles sont difficiles à réaliser, car la densité de ces corps est nettement différente de celle de l’eau (ρbitume naturel = 1,3 – 1,4 g/cm3, ρbitume artificiel = 0,95 – 1,05 g/cm3 et ρgoudrons = 1,12 – 1,26 g/cm3).

Les émulsions de bitume sont surtout utilisées : - comme enduit de cure superficiel (pulvérisation à raison de 800 g/m2 par ex. pour la protection des sols -ciment) ; - comme enduit d’usure ou de roulement grâce à un sablage ou à un gravillonnage après répandage de l’émulsion. Il existe plusieurs techniques : enduit monocouche, bicouche, monocouche à double gravillonnage ; - pour effectuer des réparations ; - pour stabiliser des sols ; - pour la fabrication des graves - bitume (couches de base et de fondation des assises routières).

Les suspensions bitumineuses ou pâtes de bitume, considérées comme émulsions grossières, sont préparées du bitume, de l’eau et des émulsifiants solides. On utilise en qualité de ces derniers, les poudres minérales, inorganiques très dispersées, contenant les particules actives colloïdales de dimensions inférieures à 50 µm que l’on ajoute dans l’eau lorsqu’on fabrique les pâtes. La chaux, l’argile et le tripoli broyés sont employés comme émulsifiants. Les pâtes résistant le mieux à l’eau sont celles préparées avec les agents émulsifs à la chaux. Compositions utilisées en France :

- bitume : 45-50 % ; eau : 47-38 % et chaux vive : 8 à 12 % ; - bitume : 40- 45 % ; eau : 50-40 % et chaux éteinte : 10-15 % ; - bitume : 50-55 % ; eau : 42-35 % et argile de haute plasticité : 8-10 % ; - bitume : 45-50 % ; eau : 45-38 % et argile plastique : 10-12 % ; - bitume : 50-55 % ; eau : 40-30 % et tripoli broyé 10 – 15 %.

20

En Roumanie, le “subif” (suspension de bitume fillerisé) contient : bitume 42 ± 3 %, eau 39 ± 4 % et pâte de chaux 19 ± 1 %.

Matériaux armés à base de bitume

Les matériaux de renforcement sont des rouleaux en carton toile, feutre, tissu. Ils sont imprégnés avec du bitume et saupoudrés avec des matériaux granulaires comme sable ou cendres volantes. Le schéma technologique est présenté sur la fig. XI.13.

Fig. XI.13. Ces matériaux peuvent être obtenu en deux variantes : matériaux imprégnés (fig. XI.13.a) ou imprégnés et recouverts de bitume (fig. XI.13.b). 1- matériau d’imprégnation ; 2 – rouleaux d’entraînement; 3 – bain d’imprégnation avec du bitume dont la température de ramollissement = 50°C ; 4 – rouleaux d’imprégnation ; 5 – chambre de chauffage pour l’uniformisation de l’imprégnation ; 6 – coupe des matériaux imprégnés ;7- bain de recouvrement avec du bitume dont la température de ramollissement = 90°C ; 8 – coupe des matériaux imprégnés et recouverts. Pour éviter le collage, ces matériaux sont saupoudrés avec des matériaux granulaires comme le sable, les cendres volantes etc.

1 2 3 4 5 6 7 8

a b

21

XII. MATÉRIAUX DE CONSTRUCTION EN BOIS XII.1. Généralités

Le bois est un matériau naturel d’origine végétale utilisé par l’homme depuis toujours, non seulement pour le chauffage, pour la confection des meubles, mais surtout pour la construction (nos ancêtres construisaient des maisons en bois sur pilotis).

Le bois est un matériau organique à structure fibreuse, hétérogène, anisotrope provenant de la découpe des troncs d’arbre abattus, ébranchés, écorsés (grumes); il est extrait de deux grands groupes d’arbres:

- les résineux (ou conifères) ; il en existe environ 400 espèces dont les feuilles sont des aiguilles et les fruits des cônes. Exemples: le pin, le sapin, le mélèze et l’épicéa ; - les feuillus ; il en existe plusieurs milliers d’espèces dont les feuilles et les fruits présentent une très grande variété de formes. Exemples: le chêne, le frêne, l’érable, hêtre, le châtaignier, le tilleul, l’acacia, l’orme.

Les bois de construction présentent un certain nombre d’avantages ainsi que quelques inconvénients. Le bois est un matériau léger, facile à transporter, à usiner et qui présente un bon rapport résistance/masse volumique (indice de qualité constructive). Par contre, le bois est hygroscopique, anisotrope, putrescible, combustible et inflammable; il existe cependant des traitements adaptés et il convient de respecter certains principes pour son utilisation.

XII.2. Structure et composition du bois

Du fait de l’hétérogénéité du bois, on distingue le sens axial, radial et tangentiel, les propriétés du bois étant différentes suivant le sens utilisé (anisotropie du bois). La structure est caractérisée par la macrostructure et la microstructure; la macrostructure est examinée en section transversale.

En examinant la coupe transversale d’une grume (fig. XII.1.), on observe, en partant de l’extérieur vers l’intérieur, des cercles à peu près concentriques délimitant des zones d’accroissement successif et l’on peut distinguer:

- l’écorce qui protège le bois et qui est plus ou moins rugueuse; - le liber et l’aubier (ces couches sont les parties vivantes où circule la sève; par le liber circule la sève descendante ou élaborée et par l’aubier la sève ascendante ou brute); on distingue dans ces parties le bois de printemps (bois initial) poreux, tendre et clair et le bois d’été (bois final) dur et plus foncé. Les couches annuelles sont plus ou moins larges et l’accroissement plus ou moins rapide ;

Fig. XII.1.

22

- le cœur ou duramen (bois presque parfait) où la sève ne circule plus; - le centre (premières années de croissance) avec ou sans möelle.

La möelle et les pousses de la première année de croissance forment le tube de möelle; cette partie du tronc est la plus faible, elle résiste mal à la putréfaction.

En ce qui concerne la microstructure, en examinant le bois avec le microscope, on peut voir qu’il est composé d’un grand nombre de cellules mortes et vivantes, de formes et dimensions différentes. Une cellule est composée de l’enveloppe, du protoplasme, de la sève et du noyau.

Composition chimique du bois : C ~ 50%; O ~ 42-43%; H ~ 6 %; N~0,5%, d’autres éléments ~ 1%. Ces éléments sont liés sous forme de cellulose, hémicellulose, lignine dont les proportions sont présentées dans le tab. XII.1.

Les substances organiques représentent environ 97- 99 % de la masse du bois à l’état sec ; le bois contient aussi des composés inorganiques sous forme de sels des métaux alcalins. Tab. XII.1.

Teneur en substances organiques (%) Substance organique Bois résineux Bois feuillus Cellulose (C6H10O5)n 48 - 56 46 – 48 Lignine (C14H24O10)n 26 - 30 19 - 28 Hémicellulose

a) pentoses (C5H8O4)n b) hexoses (C6H8O4)n

23 – 26 10 – 12

13

26 – 35 23 – 29

3 - 6

XII.3. Caractéristiques physico-mécaniques du bois

Le bois de construction est tiré du tronc des arbres de deux espèces de bois : bois feuillus et bois résineux. Les caractéristiques physico – mécaniques dépendent du type de l’espèce de bois. Ces caractéristiques concernent : l’humidité, la densité, les résistances mécaniques, les déformations, la conductibilité thermique.

XII.3.1 Humidité du bois (H) L’humidité s’exprime par l’humidité absolue Ha ou par l’humidité relative Hr définies à base des relations :

100·1

12

mmm

H a−

= et 100·2

12

mmm

H r−

=

où : m2 - masse du matériau humide et m1 – masse du matériau à l’état sec.

Exemples : pour l’épicéa Ha = 80 - 99 % et Hr = 44 – 50 %; pour le pin Ha = 80 – 90 % et Hr = 44 – 47 %. L’humidité relative du bois à l’état sec est de l’ordre 12 – 15 %. L’eau se trouve dans le bois sous trois formes : eau libre, eau d’hygroscopicité (25 – 40 %) et eau liée chimiquement (1%). L’eau d’hygroscopicité influence les caractéristiques physico – mécaniques. XII.3.2. Densité

La densité absolue est d’environ 1,54 g/cm3. La densité apparente dépend de structure et humidité (tab. XII.2). Selon la densité apparente, les résineux sont légers (épicéa, sapin - ρa = 400 – 500 kg/m3), mi-lourds (pin, mélèze - ρa = 500 – 600 kg/m3) et lourds (pitchpin, if, laricio de Corse - ρa = 600 – 700 kg/m3). Les feuillus sont classés en 4 groupes :

23

tendres (peuplier, tilleul bouleau saule - ρa = 400 – 500 kg/m3), mi-durs (chêne, hêtre, érable, acajou - ρa = 500 – 700 kg/m3), durs (chêne dur, charme, fruitiers - ρa = 600 – 800 kg/m3) et très durs (exotiques, bois de fer, teck, gaïac, ébène - ρa > 800 kg/m3 jusqu’à 1 270 kg/m3).

Tab. XII.2

Espèce/ humidité Bois vert Bois à Hr=15% Bois sec sapin 1 000 450 450 hêtre 1 010 750 690 tilleul 740 460 490

XII.3.3. Résistances mécaniques

A cause de l’anisotropie, les résistances mécaniques du bois sont déterminées en deux variantes : au long des fibres (II) et à travers les fibres (⊥). Les résistances mécaniques aux sollicitations statiques sont déterminées sur éprouvettes normalisées spécifiques et les valeurs conventionnelles correspondent à l’humidité relative de 15 %. Ces valeurs concernent : la résistance à la traction, la résistance à la compression, la résistance à la flexion, la résistance au cisaillement et la résistance au fendage.

a) Résistance à la traction

La résistance à la traction au log des fibres est la plus grande résistance du bois (ft II = 80 –190 MPa) et l’anisotropie la plus évidente parce que ft ⊥ = (1/15…..1/35) ft II. La forme des éprouvettes spécifiques pour les deux essais (II et ⊥) est présentée sur la fig. XII. 2 a et b.

a.

Fig. XII.2. Dans le tab. XII.3. sont présentées les valeurs des résistances à la traction pour quelques bois résineux et feuillus.

100 30 90 30 100 20

20

20 4

10

Arupture20x20mm

20 2 13 2 13 10

b

24

Tab. XII.3. Résistance à la traction axiale (MPa) Type d’arbre ft II ft ⊥

Sapin Epicéa Pin Chêne Hêtre Frêne Tilleul

84 90 105 90 135 104 85

2 2,7 3,0 4,0 7,0 7,3 12,5

b) Résistance à la compression

La résistance à la compression dépend de la direction de détermination (tab. XII.4.)

mais l’anisotropie est moins forte qu’à la traction : fc ⊥ = (1/5…1/10) · fc II. Tab. XII.4.

Résistance à la compression (MPa) Type d’arbre Densité apparente à Hr = 15 % (kg/m3) fc II fc ⊥

Sapin Epicéa Pin Chêne Hêtre Frêne Acacia Tilleul

450 480 520 740 750 760 750 460

40 43 46 54

52,5 48 59 44

4,2 5,8 7,7 10,5 9,0 10,5 13 -

Les éprouvettes nécessaires pour l’essai à la compression (II et ⊥) sont présentées sur la fig. XII.3.a, b:

Fig.XII.3. Entre ft II et fc II il y a la relation suivante : ft II = (1,5…2) · fc II Cette relation s’explique par l’action des fibres pendant les deux sollicitations (traction et compression) au long des fibres ; pendant la compression, il y a un décollage des fibres et pendant la traction a lieu un rapprochement des fibres qui augmente la cohésion par les frottements intérieures. Sur le diagramme caractéristique σ - ε (fig. XII.4) pour les deux types de sollicitations, on observe que pour produire une déformation égale à la limite de rupture il est nécessaire une force double à la sollicitation de traction par rapport à la sollicitation de compression.

a

20 m

m

20 16

b

25

Fig.XII.4 Fig.XII.5.

Pour expliquer les différences entre fc II et fc ⊥ on utilise la courbe caractéristique σ - ε (fig. XII.5) d’où il résulte que les déformations limite de rupture dans le cas de fc ⊥ sont atteintes à des valeurs réduites de l’effort σ.

Résistances de calcul pour les bois résineux : fc II =8 MPa et fc ⊥ =2 MPa pour les bois feuillus : fc II =12 MPa ; fc ⊥ =4 MPa;

c) Résistance à la flexion

La structure fibreuse du bois assure un bon comportement à la flexion ; c’est pourquoi, le bois est utilisé comme matériau de résistance sous forme de poutres.

ff ⊥= 37,5 – 77,5 MPa (flexion 3 points) ff ⊥= 50 - 100 MPa (flexion 4 points) ff ⊥= 1,5 fc II pour les bois résineux et ff ⊥= 2 · fc II pour les bois feuillus.

d) Résistance au cisaillement

fcis II = 6,5 – 14,5 MPa fcis ⊥ = (3 - 4) fcis II

e) Résistance au fendage ffend II < 5 MPa Les résistances mécaniques du bois dépendent de l’humidité du bois (fig. XII.6) ;

c’est pourquoi, les valeurs conventionnelles des résistances mécaniques correspondent au bois séché à l’air libre (Hr = 15 %).

La corrélation entre les valeurs des résistances conventionnelles et celles déterminées sur bois d’humidités variables différentes de 15 % est faite à base de relations empiriques comme celle – ci :

f15 = f Hr [1 + k (Hr – 15)] où: k = 0,05 pour fc II ; 0,015 pour ft II et 0,04 pour ff. f15 = résistance correspondante à l’humidité relative du bois de 15%; f Hr = résistance correspondante à l’humidité relative réelle du bois.

0 4 1 2 3 5

f cII

f tII f,

MPa

ε, %

50

100

0 1

ε, %

f c ,M

Pa

f cII

10

20

30

40

2 3 4 5

f c⊥

26

Fig.XII.6

Les résistances mécaniques du bois sont aussi fortement influencées par les défauts qui peuvent être de croissance, de l’action agressive des agents physiques extérieurs et de l’action des microorganismes. Les nœuds influencent notamment fc II et ff.

XII.3.4. Déformations de retrait et gonflement

Ces déformations sont dues à la variation de l’humidité. Le retrait et le gonflement sont réversibles au – dessous 110°C.

Fig. XII.7 Un faible retrait est caractéristique pour le noyau et le peuplier, un retrait moyen pour

les résineux et un grand retrait pour le chêne et le frêne. Les valeurs du retrait et du gonflement dépendent de la direction de détermination (fig. XII.7).

XII.3.5. Conductibilité thermique

10

20 40 60 80

Hr, %

∆l, %

Tangentielle

Radiale

Axiale

8

6

4

2

0

20

40

60

80

100

20 40 60 80

Hr, %

f c ,M

Pa

27

La conductibilité thermique varie suivant la direction de détermination; les valeurs de celle - ci confirment les bonnes propriétés d’isolation thermique du bois : λII = 1,8 · λ⊥ ; λ⊥ = 0,17 - 0,32 W/m·K. Nota : La dilatation thermique du bois est appréciée par αax.= 0,05·10-4K-1 et αrad. et tg.= 0,50·10-4K-1(le coefficient de dilatation volumétrique est voisin de 10-4K-1). La conductibilité électrique est exprimée par σ = 22 000 MΩ·cm à 7% Hr et σ = 500 Ω·cm pour 25% Hr (elle est supérieure, dans la direction axiale, du double au quadruple de celles concernant les autres directions). XII.4. Matériaux de construction en bois

En fonction du degré d’usinage et de transformation, les matériaux de construction en bois sont classés en deux groupes:

- matériaux qui conservent la structure initiale du bois ; - produits à structure et à composition modifiées par rapport au matériau de base, à la

suite des traitements physico - mécaniques et chimiques. XII.4.1. Matériaux qui conservent la structure initiale du bois Cette catégorie de matériaux comprend :

- les matériaux bruts ; - les semi-fabriqués ou produits semi – finis ; - les produits finis.

a) Les matériaux bruts s’obtiennent par des opérations simples comme découpe aux

extrémités des troncs d’arbres abattus ébranchés, écorcés, etc.; ils sont connus sous le nom de matériaux en bois ronds comprenant:

- les bois en grume caractérisés par l ≥ 2,5 m et d > 18 cm, utilisés pour constructions hydrauliques, ponts, poteaux etc. ; - “billes” (d = 12 - 16 cm et l > 6m), rondins (d = 8 - 11 cm et l > 3m) et perches (d = 4 - 7cm et l = 2 - 6m) ; - bois rond de mine d = 18 cm et l = 1 – 5 m. b) Les semi-fabriqués en bois s’obtiennent du bois rond (grumes) par dégauchissage

et sciage. Dans cette catégorie sont inclus: - bois dégauchi obtenu par dégrossissage (ou équarrissage) sous forme de poutres, poutrelles, chevrons, pannes pour les éléments et les structures de résistance en bois résineux; - bois scié ou bois de charpente obtenu par sciage longitudinal du tronc de l’arbre (ou de grume à scier) comprenant: les planches (épaisseur < 100 mm et le rapport de la largeur à l’épaisseur > 2), les bastings (épaisseur < 100 mm et le rapport de la largeur à l’épaisseur < 2), les madriers (de grosses planches) dont l’épaisseur et la largeur sont supérieurs à 100 mm et les poutres de longueur et sections variables. Cette catégorie comprend aussi : les lambourdes, les voliges, les tasseaux, les liteaux, les plateaux, les plots etc. ; - traverses en chemin de fer en bois feuillus; - placage ou bois déroulé (fig. XII.8.a b), sous forme de feuilles planes, obtenu de bois en grume de classe sélectionnée; les placages sont classés en trois catégories selon l’épaisseur (e) :

- placages de face, e = 0,6 – 1 mm, pour meuble;

28

- placages de base, e = 0,8 – 4 mm, utilisés comme support pour les placages de face et pour la fabrication des panneaux à âme lattée et des plaques cellulaires; - placages techniques, e < 6mm, pour la fabrication des contreplaqués et des bois stratifié ; - contreplaqué (fig. XII.9), panneaux à plis, en nombre impair disposés à fils croisés à 900 (4 - 25 mm), confectionné en collant entre elles les couches fines du bois (les placages déroulés). Dans la construction on utilise le contreplaqué de trois espèces: collé, bakélisé et décoratif; l’épaisseur des contreplaqués est de 1,5 à 16 mm. Pour intérieur on utilise les colles urée – formol et pour le contreplaqué extérieur les colles phénoliques (pour résister à l’eau) ;

Fig.XII.8

Fig.XII.9 Fig.XII.10

- panneaux à âme lattée (ou panneaux de lattés ), utilisés pour travaux de menuiserie, meuble, etc.; ils comprennent une partie centrale ou âme composée de lattes de bois, collées côte à côte et revêtue des deux côtés par un mince contreplaqué de 2,5 mm épaisseur, dont le fil est parallèle à la petite dimension du panneau (fig. XII.10).

c) Produits finis en bois Ces produits ont un degré d’usinage avancé, étant mis en œuvre sans modifications dimensionnelles. Comme produits finis on utilise:

- plaques cellulaires, composées d’un cadre rigide en bois, ayant à l’intérieur des cellules en placage (fig. XII.11); elles sont utilisées pour cloisons, portes, mobilier, etc.; - matériaux de toitures comprenant les bardeaux, les plaques et les tuiles en bois. Ces matériaux sont fabriqués en pin, sapin, épicéa, tremble; leurs dimensions sont normalisées et variable d’un pays à l’autre; - matériaux pour planchers : planches de parquet (fig. XII.12), planches pour planchers en madriers (fig. XII.13), parquet et pavés en bois. Le parquet est fabriqué surtout en chêne et hêtre, en deux variantes (fig. XII.14. a, b) suivant la modalité d’assemblage; le parquet lamellaire (fig. XII.15) est en plein extension ;

29

- éléments de menuiserie : éléments de portes, de fenêtres, cloisons et panneaux pour les maisons d’habitations et les portes des bâtiments industriels. Ces éléments de menuiserie sont fabriqués en bois résineux, feuillus ou en produits en bois à structure et composition modifiées ; - plaques isolantes en liège.

Fig.XII.11 Fig.XII.12 et Fig.XII.13

a. b. Fig. XII. 14. a, b Fig. XII.15

XII. 4.2. Matériaux en bois à structure et composition modifiées

L’industrie moderne produit actuellement une grande variété de matériaux en bois à

structure et composition modifiées simultanément (bois amélioré). La modification de la structure est réalisée par pressage à chaud et la composition par imprégnation avec des résines synthétiques (le plus souvent des résines thermodurcissables).

Ces traitements permettent d’obtenir des qualités isolantes et des qualités de dureté que ne possède pas le bois naturel.

Ces matériaux sont fabriqués sous forme de plaques et panneaux à base du bois imprégnés ou densifiés à partir de sciures, copeaux, fibres ou feuilles de bois; ils ont divers noms commerciaux.

1. Panneaux de particules de bois aggloméré ou bois reconstitué (en roumain PAL) La fabrication est à base de copeaux, fibres ou de particules agglomérées au moyen

de résines synthétiques thermodurcissables (uréo - formol); ils sont comprimés ou non, selon leur destination. Suivant la densité apparente ils peuvent être :

- légers (ρa < 450 kg/m3) ; - semi - lourds (ρa = 450 - 750 kg/m3) ; - lourds (ρa > 750 kg/m3). Utilisations : substituant du bois massif et des panneaux à âme lattée. 2. Plaques en fibres de bois (en roumain : PFL) ; selon la densité apparente elles

peuvent être: - poreuses (ρa < 450 kg/m3); - dures (ρa =800 - 900 kg/m3) ; - extra dures (ρa > 900 kg/m3).

Utilisations : isolations thermiques et phoniques des planchers, clôtures intérieures non portantes, substituant de contreplaqué et de panneaux à âme lattée.

30

3. Bois stratifié densifié sous forme des feuilles de placages montées en contreplaqué imprégné avec des résines phénol - formaldéhydes et pressage à 100 - 150 bar et 150 0C.

4. Bois imprégné densifié (lignostone) à base de bois tendre imprégné et pressé (réduction de volume de 20 - 50%).

Les deux dernières catégories présentent les caractéristiques suivantes : fc = 150 - 160 MPa, ft = 240 - 250 MPa, ff = 250 - 280 MPa et HB = 150 - 180 MPa.

XII.5. Domaines d’utilisation du bois

En conclusion, les utilisations du bois sont encore très nombreuses dans les travaux du bâtiment et dans les travaux publics, principalement dans les domaines suivants :

- charpente : couverture, ossature du bâtiment ; - menuiserie intérieure et extérieure ;

- parquets, planches ; - coffrages (contreplaqué, madriers) ; - échafaudages ; - traverses de chemin de fer ; - étais, poteaux, pieux ; - panneaux décoratifs, lambris, revêtements muraux, plafonds.

31

XIII. POLYMÈRES ET MATIÈRES PLASTIQUES XIII.1. Généralités Les polymères sont des substances polymoléculaires de nature organique, inorganique ou mixte, obtenues par répétition multiple de groupes structuraux, dérivés des substances simples, appelées “monomères”. Les matières plastiques sont des matériaux composites à base de polymères où les polymères jouent le rôle de liant. Elles contiennent en plus :

- des charges sous forme de poudres, fibres, tissus en coton ou en verre ; - plastifiants (phtalate de dibutyle, stéarate d’aluminium, etc.) ; - stabilisateurs (stéarate de Ca ou Zn, phtalate de Pb, silicate de Pb) ; - antioxydants (oligomères, acides gras, paraffine simple ou chlorurée) ; - colorants (organiques ou minéraux) ; - catalyseurs et durcisseurs ; - agents porophores (NH4HCO3, butane, pentane) ; - solvants et diluants ; - matériaux de graissage - acide oléique, stéarine. Les polymères et les matières plastiques représentent un domaine en plein

développement, étant utilisés dans tous les secteurs d’activité ; dans le bâtiment ils peuvent remplacer plupart des matériaux classique (liants céramique, verre, métal, bois, bitume, peintures et vernis).

Avantages : - bonnes propriétés physico-mécaniques et chimiques ; - propriétés d’isolation : thermique, phonique, hydrofuge et électrique ; - propriétés adhésives ; - coloration facile et résistante ; - usinage facile par coulage, pressage, extrusion. Inconvénients (défauts) : - faible stabilité thermique (70 - 200°C) ; - faible dureté (< 35 daN/mm2) ; - coefficients de dilatation thermique élevés : α = (25 - 120) 10-6 K-1 - fluage élevé ; - vieillissement sous action de la température, de la lumière, de l’oxygène, etc.

XIII.2. Classification A. Les polymères peuvent être classés suivant plusieurs critères, à savoir :

a) selon le degré de polymérisation (n): - oligomères, à faible degré de polymérisation ; - polymères inférieurs ; - polymères supérieurs (lorsque µ > 10 000 g/mole, ces polymères s’appellent

macromoléculaires. Les propriétés des polymères sont dépendantes de n (fig. XIII.1).

32

monomère

polymèrenµµ

=

où µ est la masse molaire.

b) selon le degré d’ordre : - à structure cristalline ; - à structure vitreuse ;

c) selon la forme géométrique de la macromolécule : - polymères à structure linéaire (monodimensionnelle) ; cette catégorie

comprend les élastomères et les superélastomères, caractérisés par grandes déformations de type élastique (prédominantes) :

- polymères à structure plane (bidimensionnelle), où les macromolécules sont ramifiées, spécifiquement pour les plastomères, caractérisées par grandes déformations de type plastique (prédominantes) ;

- polymères à structure spatiale (tridimensionnelle) ; cette catégorie comprend les polymères rigides caractérisés par grande résistances mécaniques et faibles déformations élastiques.

d) selon la provenance : - polymères naturels (caoutchouc, résines, etc.) ;

- polymères artificiels (dérivés de produits naturels - cellulose, protéines) ; - de synthèse (de polymérisation ou copolymérisation, de polyaddition et de polycondensation).

B. Les matières plastiques sont classées, comme suit :

a) selon leur structure : homogènes et hétérogènes ; b) selon les propriétés physico-mécaniques :

- à comportement plastique, qui peuvent être dures (E > 103 MPa), semidures (E > 4·102 MPa) et molles (E < 20 MPa) ; - à comportement élastique, E < 20 MPa.

c) selon le comportement thermique : - matériaux thermoplastiques ; - matériaux thermoréactifs on thermodurcissables.

Fig. XIII.1.

no

polym. sup. O

lygo

mèr

es (l

iqui

des)

polym.

inf.

ft

no n

33

Une matière thermoplastique est une matière qui se ramollit lorsqu’on chauffe au-dessus d’une certaine température, mais qui, au-dessous redevient solide, cette matière conservera donc toujours, d’une façon réversible, sa thermoplasticité initiale.

Une matière plastique thermodurcissable est une résine qui, sous l’action de la chaleur, commence par se ramollir, si elle n’est pas déjà sous forme molle, puis se durcit progressivement pour atteindre, à un certain moment, un état solide qu’elle conservera définitivement sous forme irréversible. Les propriétés des polymères et des matières plastiques sont fonction de la température (fig. XIII.2).

0

10

20

30

40

50

0 100 200 300 400 500 600 700

ε, %

σ, M

Pa

Les déformations des polymères sont soit élastiques très importantes (caoutchouc, par exemple), soit élastiques très basses (polystyrène rigide, par exemple), soit très plastiques importantes (polyéthylène plastifié), figure XIII.3.

T (°C)

f t, M

Pa

100

80

60

40

20

-40 0 40 80 120

PCV plastifié

PCV dur

Fig. XIII.2.

Polystyrène rigide

Caoutchouc

Polyéthylène plastifié

Fig. XIII.3.

34

XIII.3. Polymères obtenues par polymérisation et polyaddition La polymérisation en chaîne représente le groupement chimique de plusieurs molécules dites “monomères” qui s’assemblent, grâce à l’ouverture de la double liaison, de manière à former une molécule unique, sans élimination d’eau ou de toute autre substance (µpolymère =Σ µmonomère). Dans une polymérisation en chaîne, l’édification d’une macromolécule, qui contient de l’ordre de 1 000 à 10 000 unités constitutives, se déroule dans un laps de temps extrêmement court (de ~ 10-1 à 10 s). Si les monomères sont différents le processus s’appelle copolymérisation. Les matériaux organiques obtenus par polymérisation en chaîne des monomères vinyliques constituent de loin le groupe le plus important de polymères puisqu’ils représentent 85 % du tonnage des polymères fabriqués. Les polymères vinyliques constituent 94 % des thermoplastiques, étant les polymères d’usage courant. Exemples :

a) Polyéthylène obtenue par la polymérisation de l’éthylène en deux variantes technologiques (basse et haute pression) :

n (H2C=CH2)→ n [-H2C - CH2-]→(-H2C - CH2-)n L’éthylène est un gaz se liquéfiant vers -104°C.

Pour la basse pression (1,5 bar et 60°C) on utilise de catalyseurs Ziegler-Natta (AlR3 + TiCl4) et pour la haute pression les conditions sont les suivantes : p = 2 500 bar, t = 180°C et la présence de l’oxygène. Propriétés : ρ = 0,92 – 0,94 g/cm3, ft = 10 - 25 MPa, εr = 50 – 500 %, α = (12 - 15)·10-3 K-1, stabilité thermique 105°C, résistance à la compression par choc 50 - 100 kJ/cm3, est soudable et insoluble dans les solvants. Utilisation : feuilles imperméables, tubes flexibles, pellicules anticorrosives et comme matériaux d’isolation thermique, hydrofuge ou électrique.

Il y a une variété nouvelle de polyéthylène, de très haute densité, caractérisée par un très faible coefficient de frottement, utilisée pour patinoires d’été, pistes artificielle de ski et implants chirurgicales.

b) Polypropylène obtenu par la polymérisation du propylène (gaz de craquage du pétrole) :

3CH

CH2

H C

n3

CH

=C2

nH CH

Le propylène est un gaz se liquéfiant à - 48oC. Propriétés : ft=30 - 35 MPa, température de ramollissement = 170°C, est soudable

et insoluble dans les solvants. Utilisations : conduites d’eau chaude ou d’autres liquides chauds, éléments

profilés et plaques.

35

c) Polyisobutylène à base d’isobutylène :

n

H C2

CH33CH

=C2

nH

CH3

C

CH3

C

Ce polymère a un aspect de caoutchouc étant utilisé comme matériau hydroisolant

en mélange avec du noir de fumée ou de bitume. Suivant la masse molaire il peut être dur (µ = 100 000 - 500 000 g/mole) ou fluide visqueux (µ < 50 000 g/mole).

d) Polystyrène est obtenu par la polymérisation du styrène (vinylbenzène) :

56C H

CHnH2C=

6C H

5

CH2

H C

n

Le styrène est un liquide qui bout à 145oC. Plus de la moitié de styrène est utilisé

à la fabrication du polystyrène, duquel on fabrique des emballages et des éléments du conditionnement des aliments (les pots, les barquettes de produits frais, etc.), les boîtiers des disques compacts, etc.

Le polystyrène expansé, blanc, léger, opaque sert comme isolant thermique dans le domaine de la construction (surtout polystyrène expansé extrudé) et aussi comme amortisseur de chocs pour le transport des appareils électroniques.

15 % du styrène est employé pour fabriquer des caoutchoucs de synthèse: - ABS (Acrylonitrile Butadiène Styrène, copolymérisation de 3 monomères); - SBR (de l’anglais Styrène Butadiène Rubber, copolymérisation de 2 monomères). Ce polymère donc peut être compact ou expansé. Le polystyrène compact est

transparent étant utilisé comme verre organique pour les hauts bâtiments ; il est un diélectrique remarquable. Stabilité thermique : 70 - 800C ; µ = 250 000 - 106 g/mole ; ρ = 1,06 g/cm3 ; ff = 85 MPa ; K= 15 - 20 daN·cm/cm2 ; coulage à 180 - 230°C. Le polystyrène expansé (styropore) est utilisé comme matériaux thermoisolant (λ ≤ 0,041 W/m·K). Ce polymère est soluble dans le toluène.

e) Polychlorure de vinyle (PCV) obtenu par la polymérisation du chlorure de vinyle, qui est un gaz qui se liquéfie à - 13,40C ; d’une production mondiale ≈ 17 mil. tonnes/1990. Ce polymère est le plus utilisé dans domaine du bâtiment.

ClCl

CHnH2C= CH

2H C

n

36

Il est utilisé soit nonplastifié, dur (en roumain - rovidur), soit plastifié (en roumain - rovinilin), soit expansé (en roumain - vinipor). PCV dur : fc= 30 - 100 MPa, K = 100 daN·cm/cm2, stabilité thermique Martens - 65oC.

Le chlorure de vinyle est un gaz qui se liquéfie à -13,4°C ; production mondiale ≈ 17 mil. tonnes /1990. Ce polymère est soluble dans les cétones.

f) Polychlorure de vinylidène à base de chlorure de vinylidène : Cl

n

H C2

=C2

nH

Cl Cl

C

Cl

C

Il est similaire au PCV mais plus stable du point de vue thermique étant utilisé

pour les conduites d’eau chaude. g) Acétate de polyvinyle ayant comme monomère l’acétate de vinyle, en roumain :

PAV (polyacétate de vinyle).

C H CHnH2C=

2H C

nOOC-CH3 OOC-CH3 L’émulsion de ce polymère (“aracet” en roumain) est utilisée comme adhésif,

plastifiant pour mortiers et bétons, retardateur de prise pour les plâtres, etc. h) Polyméthacrylate de méthyle (PMAM)

H2

C = CH COOH acide acrylique

COOH=C2

H C

CH3

3CH

CH2C =

COO CH

CH

3

H2C C

3

COO CH3 n

Le méthacrylate de méthyle (MAM) est un liquide á la température ordinaire, qui

bout au voisinage de 100°C. Le PMAM est un verre organique (en roumain plexiglas ou stiplex) et un bon

diélectrique. Transparence 90 - 93 %, pour la lumière solaire, et 70 %, pour les rayons ultraviolets. ρ = 1,18 g/cm3, fc = 120 - 160 MPa, ft = 80 MPa, K = 15 – 20 kJ/m2, stabilité thermique 80 - 100°C

n _ _

acide méthacrylique

37

i) Polyalcool vinylique obtenu par la polymérisation de l’alcool vinylique :

nH2C CH

OH

CH

OH

= H2

C

n

Il est utilisé comme imperméabilisant pour mortiers et bétons et comme liant dans

le domaine de la céramique piézoélectrique. j) Polytétrafluoréthylène (PTFE) obtenu par polymérisation de la

tétrafluoréthylène : nF2C= CF2 → (-F2C - CF2-)n

PTFE a une résistance thermique élevée (~3000C) et absorption d’eau nulle ; est

utilisable de -1000C à + 2500C ; ce polymère a une stabilité chimique exceptionnelle. k) Caoutchouc naturel est du point de vue chimique polyisoprène : (C5H8)n ; l’isoprène est 2-méthylebutadiène :

2H

CH

2

CH

2CH CH CH

3 3

n

n = =C C C CH = 2CH

Les propriétés physico-mécaniques du caoutchouc naturel sont améliorées par vulcanisation au soufre. Le caoutchouc vulcanisé, avec 30 - 32% soufre, s’appelle ébonite (matériau rigide et diélectrique). La noire de fumée augmente la résistance à l’usure. En 1990, la consommation mondiale de caoutchouc était de 15 mil. tonnes (5 mil. tonnes du caoutchouc naturel et 10 mil. tonnes à base d’élastomères de synthèse).

l) Caoutchoucs de synthèse (artificiels) sont destinés à remplacer le caoutchouc naturel.

l.1) Caoutchouc polybutadiènique est obtenu par la polymérisation du butadiène, en présence du sodium.

n(H2C=CH-CH=CH2) (-H2C-CH=CH-CH2-)n

Le butadiène est un gaz se liquéfiant à – 4,40C ; il doit être stocké à froid ou

stabilisé, pour éviter sa polymérisation. l.2) Caoutchouc butadiène - styrénique, produit de copolymérisation entre

butadiène et styrène:

CH CH CH CHCH CH2 2

6 5

= = ==

H

H H HH H2 22 2C CC C

C

+ CHC

C H6 5x y n

x = 60 - 84 % et y = 40 - 16 %

Na

38

Ce caoutchouc résiste aux huiles et a un comportement élastique à des faibles tensions.

l.3) Polychloroprène, ou chlore - caoutchouc, obtenu par la polymérisation du chloroprène :

n CH2=CH C

Cl

=CH2 CH2 CH=CH CH2

Cln

Ce caoutchouc est résistant au vieillissement ; il est utilisé pour articles techniques

et pour adhésifs (type prenadez). l.4) Caoutchouc nitrile - polyacrylique est un copolymère butadiène -

acrylonitrile (ou cyanure de vinyle):

CH +C 22H = CHCH =

CN2

CH=

N

H C 2CH2

CHCH CH

C

C

=2

CH= H

n

Ce caoutchouc atténue les bruits (dans les caoutchoucs la vitesse de propagation des sons est faible : 10 - 15 % de celle de propagation dans l’air).

l.5). Acrylonitrile Butadiène Styrène (ABS)

C H 56

CH= CH2CHCH 2CH CHH2 2C CH

CNn

Polymères obtenus par polyaddition La polyaddition est un cas particulier de polymérisation (l’ouverture des doubles

liaisons est accompagnée d’une addition de H). Exemples typique: l’obtention des résines d’uréthanes á base de diisocyanates et bialcools :

O = C=N-R-N=C=O + HO-R’- OH → (- OC – NH – R – NH – COO - R’- O -) n Les résines d’uréthanes sont utilisées comme adhésifs et sous forme expansée

comme mousses rigides ou élastiques (éponges), ρ = 20 - 150 kg/m3, stables à l’eau et très bonnes thermo isolantes.

XIII.4. Polymères obtenus par polycondensation

La polycondensation a lieu entre deux monomères à double fonction (NH2,

COOH, OH), par l’élimination d’une molécule simple type : H2O, CO2, H2S, NH3, HCl. Le résultat fait que µ polymère < Σ µ monomère. En polycondensation, tous les groupes fonctionnels restent actifs et la croissance d’une macromolécule s’étend sur toute la durée de la réaction, c’est-à-dire en général sur une période de plusieurs heures, bien que la taille des molécules de polycondensats soit, à peu d’exception près, nettement plus petite (~ 200 à 300 unités structurales par macromolécule).

_

3 monomères copolymérisation

39

La réaction de polycondensation peut être stoppée à un stade intermédiaire et ce n’est qu’au cours de la mise en œuvre que s’achèvera le phénomène pour obtenir le produit fini souhaité.

Les polycondensats, qui possèdent, en général, des propriétés thermomécaniques et une résistance chimique nettement supérieure à celles des polymères vinyliques, constituent la majorité des polymères d’ingénierie (applications spécifiques de haute technologie).

Les principaux polymères obtenus par polycondensation sont les suivants: phénoplastes, aminoplastes, résines polyamides, résines polyesters, résines époxydes, silicones et résines alkydes.

a) Phénoplastes produits de polycondensation des phénols (ou crésols, résorcine) et aldéhydes (surtout CH2O - formol). Ex. les résines phénol - formol résultant du phénol et du formol:

H 2

OH

CHCH2+ +

OOH

H

OH

n

Suivant le degré de polycondensation et les conditions d’élaboration les

phénoplastes peuvent présenter : - structures linéaires (novolaques liquides), par condensation en milieu acide ;

- structures bidimensionnelles (résols), obtenues de celles linéaires avec hexaméthylène tétramine ; - structures tridimensionnelles, par chauffage des résols avec beaucoup de CH2O (résites ou bakélites). Les phénoplastes lamellaires (planes) sont utilisés comme résines d’imprégnation pour les matériaux composites à base de bois, fibres de verre, coton, etc. Les bakélites sont caractérisées par : fc = 200 MPa, ft = 50 MPa, ff = 80 MPa,

εr <1%, (rigides et diélectriques). b) Aminoplastes obtenues par la polycondensation des amines avec formol. Dans ce groupe sont inclues: - résines uréo - formol:

n

CHnNN COHH

HH 2 2

2

+ +

On

HH

HH

N NC

O

NH NHCO CH

- résines mélamine – formol:

C3N6H6 + CH2O → résine

_

2n

40

- résines aniline - formol :

C6H5 - NH2+ CH2O → résine L’urée ou carbamide est le diamide de H2CO3, c’est à dire CO(NH2)2.

Les résines uréo-formol sont utilisées comme produits d’imprégnation pour les panneaux en bois modifié. Les résines d’aniline peuvent être monodimensionnelle (utilisé comme vernis, adhésifs et électroisolants) ou tridimensionnelle (verre carbamide), les résines expansées ont le nom “d’ampora”. Les résines mélamine –formol sont utilisées pour l’obtention des produits pressés non inflammables. Toujours dans cette catégorie sont inclus les polymères furfurol – acétone sous forme de produits fluide visqueux, qui avec diverses charges forment un “béton organique” aux propriétés spéciales :

CH =C

CH= CHO + H3C C CH3

_ _CHO

O

c) Polyamides obtenus par polycondensation des diamines et des acides organiques bibasiques ; les polyamides sont des macromolécules filiformes utilisées comme fibres synthétiques. Par exemple le nylon 6,6 est obtenu du diaminohexan (hexaméthylène diamine) et d’acide adipique :

+COOH42

CHHOOC+

H

H

N62

CHN

H

H

O2

H-2nH

H

N62

CHN

H

H

COn

42CHCONH62

CHNH

Exemples de nom commerciaux : Nylon – SUA, Relon – Roumanie, Capron – Russie, Perlon - Allemagne. Pour les matériaux composites on utilise, comme agents de

résine

acétone furfurol

Mélamine (C3N6H6)

41

renfort, les fibres d’aramide (kevlar) dont les caractéristiques sont présentées dans le tab. XIII.1.

Tab. XIII.1. Caractéristique Kevlar 29 Kevlar 49 Module Young (GPa) ft (MPa) εr (%) Masse volumique (kg/m3) Température max. d’utilisation (oC) Température de dégradation (oC)

60 2 700 4,5

1 450 200 400

130 3 600

2 1 450 200 425

d) Polyesters obtenus de dialcools et d’acides polycarboxiliques ; ils peuvent être

saturés, à comportement thermoplastique ou insaturés - thermoréactifs. Ex. polyester saturé à base d’un biacide (acide adipique) et un dialcool (éthylène glycol) :

HOOC – (CH2)4-COOH + HO-CH2-CH2–OH → [-OOC–(CH2)4-COO–(CH2)2-O-]n

Les polyesters insaturés contiennent des doubles liaisons. Ex. polyester obtenu à base d’acide maléique et d’éthylène glycol.) :

HOOC – CH=CH-COOH + HO – CH2-CH2-OH→ (-OOC-CH=CH-COO-(CH2)2-O-)n Les polyesters sont utilisés comme fibres synthétiques, pour matériaux composites armés aux fibres en verre, comme liants organiques pour bétons (fc = 150 MPa, ft = 40 MPa, ff = 70 MPa). Les résines “alkydes” sont des résines polyesters modifiées par des chaînes d’acides gras. Elles sont obtenues par une réaction d’estérification entre un diacide (acide phtalique, par ex.) et des triglycérides des acides gras, préalablement hydrolysés par la glycérine (d’où le nom de glycérophtaliques ou glyptals). Elles sont utilisées exclusivement dans le domaine des peintures et vernis.

2 + 3COOHCOOH

CH2 OH

CH OH

CH2 OH

CH2 OH

CH OH

CH2 OH OOCCH2

OHCH

OHCH2

C6H4COOH

+

OOCCH2

OHCH

CH2

C6H4 COOH

OOC C6H4 COOH

+

glycérine acide phtalique

42

Il y a ensuite réaction d’addition entre les molécules de mono glycéride et les molécules de diglycéride.

Les polycarbonates (PC) sont des polyesters de l’acide carbonique, résultant de l’action de cet acide sur des composés dihydroxyles, dans lesquels les groupes hydroxyles sont directement rattachés à un noyau aromatique comme, par exemple, dans les bis phénol A (4 hydroxy phényl-2-2 propane):

HO C OH

CH3

CH3

La formule du polymère est

C O

CH3

CH3

C

O

O

n avec µ = 20 000 – 50 000 g/mole.

Les PC réunissent les bonnes propriétés des métaux légers, du verre et des matières plastiques, telles que la résistance au choc, transparence, résistance à la flexion, stabilité dimensionnelle, tenue thermique, bonnes propriétés diélectriques, bonne résistance chimique. Le polycarbonate expansé est une “mousse structurale”, qui diffère essentiellement des mousse classiques (ρa < 0,1 g/cm3), par sa densité apparente (ρa = 0,6 – 0,9 g/cm3) et ses domaines d’application. ff = 70 MPa (6,4 mm épaisseur) Et = 2 000 MPa, K = 40 kJ/m2 ; il peut remplacer le béton ou les métaux.

e) Résines époxydes résultent de l’action de l’épichlorhydrine du glycol sur les polyalcools. La résine époxyde, la plus courante, est obtenue par réaction de l’épichlorhydrine du glycol sur le bis –phénol A :

H2C CH CH2Cl

O+

CH3

OHCHO

2

lessire desonde

2

La condensation se poursuivant, un des groupes époxyH2C CH

O pourra se

transformer en CH2 CH

OH On a donc, dans la macromolécule, d’abord des groupes

2

O C O

CH3O

H2C CH CH2 CH2 CH CH2O

+ 2NaCl + 2H2O

lessive de soude

43

époxyH2C CH

O , fortement réactifs, et d’autre part des groupes –OH, donnant le pouvoir adhésif. Les produits obtenus sont liquides (plus ou moins visqueux) ou solides (suivant la proportion relative des constituants et le degré de polycondensation).

Le polymère a une structure linéaire ; pour obtenir la structure réticulée (caractère de thermodurcissabilitè) il faudra faire intervenir des durcisseurs. Comme durcisseurs on utilise : anhydrides phtalique, maléique, etc., (à partir de 80 0C), amines (durcissement à température ambiante) et autres substances (SnCl4, BF3, résines phénoliques). On utilise aussi : diluants, plastifiants, charges (jusqu’à 300 %).

Les amines s’attaquent directement aux groupes époxydes :

R1NH2 +

O

H2C CH R R1 N CH2 CH

OHR

Hreaction primaire

H2C CH

O

reaction secondaireROH

CHCH2

CH2 CH R

R1 N+ R

OH

R1 N H2C CH R

H

OH R1 – radical amine (aliphatique ou aromatique) et R – reste bisphénol. Les fonctions hydroxyles ainsi crées réagiront sur les fonctions époxydes et ainsi

de suite. La transformation du réseau linéaire en réseau tridimensionnel se fait sans

dégagement de produits volatils, ni ouverture de doubles liaisons. Donc, la réaction est une polyaddition, plutôt qu’une polycondensation.

Caractéristiques : retrait volumique < 2,5%, ρ = 1,2 g/cm3 (sans ajouts) et 2 g/cm3 (avec ajouts), fc = 120 MPa, ft = 65 - 80 MPa, ff = 90 - 120 MPa, absorption d’eau = 0,1 - 0,14%, faible tenue à : l’acétone, acétate d’éthyle, solvants chlorés. Utilisations dans le bâtiment : pour réparations et consolidations des constructions en béton ou béton armé, protection anticorrosives, adhésifs liants pour les stratifiés, à base de fibres de verre, revêtement du sol sans joints, etc.

f) Silicones, polymères mixtes contenant dans leur chaîne principale des liaisons -Si-O-Si-, où les valences libres de silicium sont satisfaites par des radicaux organiques. Les silicones résultent de la polycondensation des dérivés alkylés et hydroxy alkylés de l’acide silicique :

Si

R

R

O O

R

R

Si Si

R

R

O O

R

R

Si

n Les silicones sont caractérisées par stabilité thermique (250 - 6000C), hydrophobie

et propriétés diélectriques. Ils sont utilisés sous forme d’huiles, vaselines, graisses, émulsions, gels, adhésifs, mastics, caoutchouc (à grande stabilité thermique et propriétés élastiques).

réaction primaire

réaction secondaire

44

XIII.5. Utilisation des polymères et des matières plastiques pour la construction

L’état actuel de la présence des principaux polymères dans le bâtiment est montré

sur la fig. XIII.4.

Fig. XIII. 4.

Les principales utilisations sont les suivantes : - matériaux pour carrelage (linoléum, tapis en caoutchouc, carrelage en PCV ou époxy, etc.) ; - matériaux de couverture (plaque ondulées en polyester armé de fibres de verre, plaques rigides en PCV, feuilles ondulées transparentes en plexiglas et même en polyester armé (dômes, coupoles, lanterneaux), rouleaux ; - parois extérieures (structures sandwich) ; - parois lumineuses ; - matériaux de revêtement intérieur pour protéger et décorer (papier peint, feuilles, plaques, etc.) ; - matériaux et éléments d’installations : tubes et conduites de distribution d’eau froide et chaude, évacuation des eaux usées, conduites de ventilation, d’aération et de conditionnement d’air, tubes utilisés en électricité, comme gaines (en PCV ou plastique plastifié), prises et interrupteurs, etc. ; - matériaux d’étanchéité pour terrasse, cuvelage, enduits ; - matériaux hydroisolants ; - adhésives, vernis et peintures ; - autres applications: appareils sanitaires, menuiserie extérieure, plastifiants pour mortiers et bétons, colles pour bétons, contreplaqué, équipements chantier: casques, tabliers, gants, masques antipoussières, habits imperméables, protecteurs transparents pour scies circulaires, seaux, coffrages, bâches de ravalement, matériaux d’isolation thermique et phonique.

45

XIII.6. Essais sur polymères et matières plastiques

Selon leur nature, les essais sur polymères et matières plastiques peuvent être classés en deux groupes :

- essais physico - mécaniques et - essais thermiques. Ces essais sont présentés en détail dans le cahier de travaux pratiques de

matériaux de construction et concernent : - détermination de la résistance à la compression ; - détermination de la résistance à la traction et des déformations

correspondantes (élastiques, plastiques et totales) ; - détermination de la résistance à la flexion statique et dynamique à l’aide de

l’appareil Dynstadt ; - détermination de la dureté type Brinell ; - détermination de la stabilité thermique par la méthode Martens ; - détermination de la résistance à l’incandescence.

46

XIV. MATÉRIAUX D’ISOLATION, PROTECTION ET FINITION Ces matériaux sont destinés à assurer le confort thermique, acoustique et esthétique, la durabilité et l’économie des bâtiments. La catégorie des matériaux d’isolation, suivant leur fonction, comprend : les matériaux d’isolation thermique (thermo isolants) ou calorifuges, les matériaux d’isolation acoustique ou phono isolants, les matériaux d’isolation hydrofuge ou hydro isolants et les matériaux d’isolation électrique ou électro isolants. XIV.1. Matériaux d’isolation thermique Les matériaux thermo isolants assurent le confort thermique des bâtiments, étant destinés à la protection contre le froid ou la chaleur (ils évitent les déperditions de chaleur et les sur chauffages). Ce sont des matériaux poreux caractérisés par : ρa < 700 kg/m3 et λ < 0,2 W/m·K. Tab.XIV.1.

Matériau ρa (kg/m3) λ (W/m·K) Argent Cuivre Aluminium Duralumin Zinc Laiton Fer Acier Fonte Plomb Verre minéral Granite et basalte Pierre calcaire Bétons lourds Mortiers d’enduits et de joints Bétons légers Bétons cellulaires autoclavés (b.c.a.) Eau Maçonnerie en briques pleines Maçonnerie en b.c.a. Caoutchouc synthétique Polyéthylènes Polyamides Polyesters Plexiglas Polystyrène expansé Polychlorures de vinyle Bois feuillus Bois résineux Panneau particules pressées à plat Panneau fibre de bois„dur” Liège expansé Liège comprimé Laine de roche Laine de verre Plastiques poreux (poroplastes) Air Eau

- 8 930 2 700 2 800 7 130 8 400 7 870 7 780 7 500

11 340 2 500

2 500 – 3 000 1 470 – 2 580 2 200 – 2 400 1 800 – 2 100 1 000 – 2 200

375 – 825 1 000

- -

1 300 – 1 500 900 – 1 000

1 000 – 1 150 1 400 – 1 700 1 200 – 1 300

15 - 20 1 300 – 1 400

450 – 750 300 - 550 360 – 750

850 – 1 000 150 – 250

500 18 – 180 7 - 130 10 - 60 1,293 1 000

480 405 202 160 112 110 72 58 56 35 9

3,5 0,95 – 2,2 1,16 – 1.56

1,15 0,35 – 1,05 0,16 – 0,33

0,58 0,80

0,29 – 0,32 0,40 0,40 0,40 0,40 0,20 0,041 0,20

0,15 – 0,23 0,12 – 0,15 0,10 – 0,17

0,20 0,048 0,10

0,038 – 0,047 0,035 – 0,056 0,030 – 0,058

0,026 0,59

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En employant dans la construction les matériaux calorifuges on peut réduire sensiblement les pertes de la chaleur dans le milieu ambiant à travers les éléments de clôture et diminuer ainsi la dépense de combustible; ces matériaux sont indispensables pour l’isolation thermique des conduites et équipements et aussi des surfaces des installations frigorifiques.

Les mécanismes de propagation de la chaleur et les facteurs qui influencent la capacité d’isolement thermique des matériaux ont été présentés dans le fascicule 1 du cours.

L’influence de la composition et de la structure des matériaux sur la conductibilité thermique est mise en évidence dans le tab. XIV.1.

Si l’on compare la conductibilité thermique des matériaux de même composition mais de porosités différentes, on peut voir que le coefficient de conductibilité thermique est presque proportionnel à la masse volumique (ρa), c’est-à-dire à la teneur en substance solide.

La capacité d’isolement thermique d’un matériau dépend non seulement du degré de porosité mais aussi du type des pores, de leur répartition, de leur grandeur et du fait qu’ils sont ouverts ou fermés.

Du point de vue d’isolement thermique, les meilleurs sont les matériaux qui contiennent, toutes les autres conditions, égales d’ailleurs, un plus grand nombre de pores menus et fermés, remplis d’air. Etant immobile, l’air a un très petit coefficient de conductibilité thermique (λ = 0,026 W/m·K).

La structure d’un matériau à gros pores allongés détermine l’apparition des flux d’air de convection, ce qui augmente le transfert de chaleur à travers le matériau. Plus le volume d’air est petit plus sa mobilité est moindre et plus les qualités isolantes sont meilleurs.

Comme l’eau est plus conductrice que l’air (tab. XIV.1) les matériaux humides sont moins thermoisolants que les matériaux secs.

Suivant leur nature, les matériaux thermo isolants sont classés en 3 groupes : matériaux inorganiques ou minéraux, matériaux organiques et matériaux mixtes. La première catégorie comprend :

- bétons très légers, type b.c.a. (béton cellulaire autoclavé); - produits céramiques creux et poreux; - laine de roche et laine de verre ; - verre écumeux (ou cellulaire); - matériaux granulaires légers; - feuilles d’aluminium; - éléments de construction en plâtre. Dans la catégorie des matériaux organiques sont inclus: - panneaux de fibres de bois; - plaques de tourbe; - matériaux calorifuges en liège; - matériaux thermo isolants à base de polymères; - feutre de construction à base de déchets de laine et fourrures; - carton gaufré. Le dernier groupe (matériaux mixtes) comprend : - panneaux en fibrollithe (à base de déchets en bois broyés, pailles ou tige de

roseaux hachés, liées par une pâte de ciment); - matériaux composites à base de granulats minéraux légers et liants organiques; - bétons de ciment aux granulats végétaux.

XIV.2. Matériaux d’isolation acoustique Ces matériaux ont le rôle de s’opposer à la propagation des sons, des bruits et des vibrations.

48

Le son est une sensation auditive produite par une variation rapide de la pression de l’air. Il a deux caractéristiques:

a) sa fréquence, mesurée en hertz (Hz), qui permet de distinguer: - les graves (20 à 400 Hz); - les medium (400 à 1 600 Hz); - les aigus (1 600 à 20 000 Hz). b) sa pression acoustique, mesurée en pascals (Pa). Le niveau sonore est défini par le

rapport de la pression acoustique à une pression de référence, qui correspond au seuil minimum audible par l’oreille humaine; il se mesure en décibel (dB). L’indice d’affaiblissement acoustique “R” caractérise la qualité d’une barrière acoustique; plus R est grand, plus la paroi est isolante. Quand on émet un bruit dans un local, l’énergie acoustique est transmise dans le local voisin par 3 chemins différents: transmission directe, transmission latérale et transmission parasite (qui accompagne la transmission directe). Types de bruits : bruits aériens, bruits d’impact et bruits d’équipements. Le décibel type A, ou dB (A), est l’unité utilisée pour caractériser les niveaux de bruits dans les bâtiments d’habitation. Contrairement au dB, unité physique, le dB (A) est une unité dite physiologique parce qu’il corrige les niveaux sonores en fonction de la sensibilité différente de l’oreille aux sons aigus et aux sons graves (tab. XIV.2.) Tab. XIV.2.

Fréquence 125 250 500 1 000 2 000 4 000

Niveau sonore en dB 60 66 78 75 72 70

Niveau sonore en dB (A) 40 58 75 75 73 71 La vitesse de propagation du son (vs) dépend de la nature du matériau selon le tab. XIV.3. Tab. XIV.3.

Matériau air eau Acier

ou verre

Pierre (grès)

Maçonnerie en brique Bois Liège Caoutchouc

vs (m/s) 340 1 450 5 500 2 300 3 500 1 100 -4 000 500 50

Suivant le mécanisme d’affaiblissement acoustique, les matériaux d’isolation phonique sont classés en 2 groupes:

- matériaux réfléchissants ; - matériaux absorbants. Les matériaux réfléchissants sont caractérisés par un grand pouvoir réflecteur. Le

degré de réflexion acoustique d’un matériau est défini, selon les notations de la fig. XIV. 1, par la relation :

αr = énergie réfléchie / énergie incidente ; Er / Ei → 1 Comme matériaux réfléchissants on utilise : béton à surface lisse (talochée), verre et

pierre à surface lisse. Les matériaux absorbants sont des matériaux poreux, à pores ouverts

(affaiblissement des sons et bruits par réflexions répétés). Dans leur cas, le degré d’absorption acoustique est défini par la relation :

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αa = énergie absorbée/ énergie incidente ; Ea / Ei → 1.

αa = 0, aucune énergie absorbée et αa = 1, toute énergie absorbée.

Comme matériaux phono absorbants on utilise : - enduits phono absorbants à base de granulats légers; - briques creuses, dont les trous sont remplis de laine minérale; - plaques en fibres de bois; - produits à base de fibres minérales (laine de verre et laine de roche) : feutres,

plaques semi rigides et rigides, matelas etc. ; - bétons aux granulats végétaux; - produits à base de liège; - peluches (à grand pouvoir absorbant, qui élimine les effets d’écho).

XIV.3. Matériaux d’isolation hydrofuge et électrique Les matériaux d’isolation hydrofuge ont été présentés dans les chapitres précédents.

Ils sont des matériaux à base de bitume (excellent matériau hydrophobe) et des matériaux à base de polymères. Les matériaux d’isolation électrique sont des matériaux en verre, en céramique et en matières plastiques. Les isolateurs électriques ont la résistivité ρ = 1012 – 1022 Ω·m et la conductivité électrique σ < 10-10 Ω-1·cm-1 ; le PTFE est caractérisé par σ = 10-18 Ω-1·cm-1. Les semi-conducteurs à 0 K deviennent isolateurs. XIV.4. Matériaux de protection et finition

Les matériaux de protection et finition sont destinés à assurer la résistance, la

durabilité et l’esthétique de la construction. Dans cette catégorie sont inclus: - matériaux de revêtement naturels (plaques de revêtement en granit, marbre,

travertin); - matériaux de revêtement artificiels (faïence, céramique décorative, matières

plastiques, papier peint, matériaux en bois); - enduits décoratifs à base de plâtre, ciments blancs et colorés etc. ; - peintures et vernis. Les peintures et les vernis sont matériaux de protection et finition, en général, sous

forme liquide, ayant le rôle d’imperméabiliser et de protéger contre la corrosion les matériaux de résistance comme bois, métaux, bétons, pierres, etc.

50

L’industrie de la peinture a connu, ces dernières décennies, un développement important; la gamme des peintures est de plus en plus vaste et les produits de plus en plus performants (moins polluants, hydrodiluables, en poudre, réticulables, sous l’influence de la lumière ultraviolette ou par bombardement électronique etc.).

Une peinture est une préparation fluide qui peut s’étaler en couches minces sur différents supports pour former, par évaporation d’un solvant, un film ou feuil adhérant, résistant, opaque, blanc ou coloré. Les peintures en poudre répondent à cette définition car leur granulométrie est suffisamment fine pour s’écouler au même titre qu’un liquide.

Un vernis diffère d’une peinture du fait de la transparence de son film, qui ne masque pas le support, mais qui peut cependant être coloré avec un colorant soluble dans le milieu et non un pigment.

Une laque est une peinture spéciale qui conduit à un film dont l’indice de réfraction est tel que le pouvoir réflecteur est important; elle donne un revêtement par évaporation d’un solvant tandis qu’un émail correspond à la formation d’un feuil par réaction physique ou chimique, généralement sous l’influence de la température.

Les principaux constituants des peintures, vernis, laques et émaux sont les suivants : substances filmogènes, pigments et colorants, plastifiants, siccatifs, solvants, diluants et charges ; on a aussi dans la composition des additifs: antioxydants, ignifuges, antistatiques, matissants, anticorrosifs, etc.

a) Substances filmogènes (liant) Le composant essentiel d’une peinture ou d’un vernis est la substance filmogène qui

joue aussi le rôle de liant des autres substances de la formulation (les pigments, les charges et les additifs). Comme liant on utilise diverses résines, qui confèrent certaines caractéristiques spécifiques aux peintures, qui portent généralement leur nom, et les huiles siccatives.

Les résines peuvent être naturels (obtenus à partir de polysaccharides, d’huiles grasses ou de produits bitumeux), naturels modifiés, dits artificiels (dérivant de la cellulose, du caoutchouc ou des huiles grasses) ou de synthèse (résultant de la polymérisation de composés vinyliques ou acryliques, de la polycondensation comme polyesters, aminoplastes, phénoplastes, silicones ou des polyadditions conduisant à des époxydes ou à des polyuréthanes). Leur comportement peut être thermoplastique ou thermodurcissable; dans le premier cas, les films obtenus restent sensibles aux solvants de la résine et dans le deuxième cas les feuils obtenus sont non fusibles et insolubles. Les résines contiennent des produits volatils (solvants ou diluants) qui interviennent dans les processus de séchage - durcissement qui peuvent être physiques ou physico-chimiques. Les huiles siccatives sont des huiles ; qui durcissent par polymérisation/oxydation comme, par exemple, l’huile de : lin, chènevis, tung, etc. Le degré de siccativité d’une huile est fonction du taux des doubles liaisons, exprimé par l’indice d’iode (g d’iode additionné par 100 g d’huile). Particulièrement, les peintures résistantes aux températures élevées, ont comme liant le silicate de sodium.

b) Pigments et colorants

Le pigment est un corps pulvérulent blanc ou coloré, naturel ou artificiel, minéral ou organique, insoluble dans le milieu de dispersion, dans lequel il reste en suspension colloïdale, en lui communiquant sa couleur et son opacité. Le colorant est soluble dans le milieu de dispersion. L’aptitude à masquer le support (pouvoir couvrant) est due à la diffusion de la lumière visible liée à la différence d’indice de réfraction entre celui du pigment, supérieur ou

51

égal à 2 et celui du liant, voisin de 1,5; elle est due aussi à une granulométrie élémentaire faible et définie, l’importance des phénomènes de diffusion et d’absorption étant proportionnelle au nombre d’interfaces rencontrées par la lumière; si la taille des particules est inférieure au quart de la longueur d’onde moyenne de la lumière, les phénomènes de diffusion ne se produiront plus et les pigments deviennent transparents. Les pigments se trouvent dans la composition d’un taux compris entre 20 et 70 % et sont très finement moulus ; c’est-à-dire d’une surface spécifique ≈ 100 m2/g et d’un diamètre ≈ 0,1 µm. Certains pigments ont aussi une fonction d’inhibition de la corrosion.

Les principaux facteurs de corrosion sont : l’oxygène, l’eau, les impuretés présentes dans l’air ou dans les solutions, qui jouent le rôle d’électrolytes favorisant la corrosion électrochimique. La protection peut être physique, anodique, cathodique ou passivant. Les pigments à base de plomb ou chrome (très efficaces) sont toxiques et seront abandonnés à l’avenir. c) Plastifiants Ils ont le rôle de conserver, pendant une longue durée, la plasticité du film, parce qu’une évaporation brutale des solvants conduit à la microfissuration du film. En conséquence, on utilise comme plastifiants des substances peu volatiles : térébenthine, camphre, huile de ricin, dioctyl phtalate (DOP), dibutyl phtalate (DBP), etc. d) Siccatifs Les naphtènates de Co et Mn sont des substances solubles dans les huiles siccatives, qui servent à accélérer le séchage et le durcissement du film à l’huile siccatives.

e) Solvants Les solvants (bouquet de solvants) sont des liquides qui servent à porter le system filmogène à la consistance du travail. Le bouquet des solvants est bien choisi pour faire dissoudre certains constituants du système et pour assurer une évaporation non brutale des solvants, qui évite ainsi les tensions dans le film. L’eau sert du solvant pour les peintures – émulsions aqueuses à base d’acétate de polyvinyle, par exemple ; sont utilisés en tant que solvants : toluène, n-butanol, acétate d’éthyle, acétate de butyle, cétones, térébenthine, etc. f) Diluants Les diluants sont destinés à diluer les peintures épaisses ou les peintures sèches minérales. Contrairement aux solvants, les diluants contiennent la substance filmogène en quantité appropriée pour assurer un revêtement de haute qualité. g) Charges Elles sont ajoutées dans la composition pour réduire la dépense du pigment et pour communiquer au film des propriétés spéciales telles qu’une résistance élevée, une stabilité importante aux acides, au feu, etc.

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Types de peintures et de vernis Suivant la composition (AFNOR – T 30003), il y a les catégories suivantes :

- peintures à l’huile; - peintures à l’eau; - vernis à l’huile, avec résines naturelles ou artificielles; - vernis aux résines, sans huile; - vernis cellulosiques; - vernis au bitume, au goudron, au latex etc.; - vernis naturels (laques du Japon); - peintures émulsions; - mastics. Les peintures, les plus utilisées, sont les peintures à l’huile et les peintures à l’eau.

Peintures à l’huile

Une peinture simple est formée de 4 éléments : huile, pigment, siccatif et diluant. L’huile est généralement de l’huile de lin crue ou cuite. Parfois, on utilise également de l’huile de pavot additionnée d’un siccatif. L’huile sert de véhicule au pigment.

Le pigment constitue le fond de la peinture et lui donne sa couleur. Les pigments utilisés sont généralement un oxyde ou un sel métallique délayé ou broyé dans l’huile de lin. Les plus connus parmi les pigments sont : le blanc de zinc (ZnO), le minium rouge (Pb3O4), l’oxyde de fer (Fe2O3), l’oxyde de titan (TiO2), certains aluminates et silicates, etc.

Les siccatifs sont des produits qui accélèrent le durcissement ; les siccatifs utilisés sont constitués par:

- de l’huile de lin mélangée avec, un cinquième de son poids, de peroxyde de manganèse, pour les peintures claires;

- de l’huile de lin mélangée avec, un huitième de son poids, de litharge, très fine, pour les peintures foncées.

Le diluant est, en général, de l’essence de térébenthine ou le mélange des solvants. L’essence sert à fluidifier la peinture et à faciliter son application.

On y ajoute des gommes et des résines pour rendre la peinture plus adhérente et certains additifs pour la rendre thixotropique (à l’état du gel pour le transport / le stockage et à l’état du sol pour l’application).

La composition des peintures à l’huile est liée à la nature du matériau à peindre et aux qualités de protection ou de décoration à obtenir. C’est pourquoi les peintures à l’huile utilisées en bâtiment se divisent en 2 catégories: peintures qualité “intérieur ” et peintures qualité “ extérieur ”.

Pour la première catégorie le pourcentage d’huile sera de l’ordre 20 à 25 % qui assurent des peintures brillantes. Les peintures mates devront contenir moins d’huile ou charge comme le talc, le kaolin, la silice. Les pigments pourront être de qualité ordinaire ou plus complexes. Exemples : blanc de zinc (ZnO), lithopone (ZnS et BaSO4); charges en faible pourcentage : carbonate de chaux, sulfate de baryum.

Les peintures qualité “ extérieur ” doivent à la fois résister aux agents de corrosion et avoir un rôle décoratif. Elles ne devront contenir que des pigments “nobles ” purs ou ne contenant qu’un faible pourcentage de charges. Ces peintures doivent être brillantes et être préparées exclusivement à l’huile de lin cuite, qui résiste mieux aux agents de corrosion que l’huile crue; la proportion à adopter est de l’ordre de 30 à 35 %. Les pigments foncés sont, en général, moins résistants à l’extérieur que les pigments blancs.

Les peintures à l’huile sont incompatibles avec tous les matériaux (supports) alcalins; il faut donc absolument éviter de peindre à l’huile sur chaux et ciment ou isoler le support

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par une peinture spéciale, ou bien de traiter par lessivage acide, qui neutralise les constituants alcalins.

Peintures à l’eau Ce sont des peintures dont le liant est constitué essentiellement par une colle, un

mélange de colloïdes, soit déjà dispersés dans l’eau, soit présentés en poudre pour être délayés dans l’eau. Les principales catégories sont des peintures : à la colle, à la chaux, à la caséine, aux silicates organiques ou alcalins, au ciment, au polyacétate de vinyle, etc.

Ces peintures sont en général des produits qui présentent des feuils rigides de faible résistance aux intempéries; elles ne doivent pas être appliquées sur des matériaux soumis à des variations de volume importantes. Les peintures à l’eau donnent de bons résultats sur plâtre, sur ciment, sur agglomérés divers; il ne faut pas les utiliser dans des locaux soumis à des buées, car elles s’écaillent et tombent.

Certaines peintures (à la caséine, les badigeons à la chaux suiffée, les peintures aux silicates alcalins et au ciment) donnent de bons résultats, même appliquées à l’extérieur; certaines peuvent être améliorées par adjonction d’huile (peinture émulsion).

Un vernis se compose d’une matière résineuse, naturelle ou synthétique, plus ou moins plastifié par des solvants. Les vernis peuvent être transparents, incolores ou teintés.

Suivant la composition, on utilise : vernis à l’huile, vernis aux résines, vernis aux résines sans huile, vernis cellulosiques, vernis au bitume ou au goudron.

Un système filmogène riche en pigments s’appelle peinture de fond, qui fait la liaison entre le support et la peinture ; particulièrement, pour le pigment métallique, la peinture de fond assure la protection contre la corrosion et s’appelle peinture de fond réactive. Un système filmogène riche en charges s’appelle mastic, avec lequel on rende une surface accidentée du support dans une surface lisse. Dans la fig. XIV. 2. est présenté un exemple d’application des couches filmogènes sur un support à surface accidenté.

Fig. XIV. 2. XIV.5. Essais sur peintures et vernis Les essais sur peintures et vernis sont présentés en détail dans le cahier de travaux pratiques de matériaux de construction. Ces essais concernent :

- détermination de la couleur des films par rapport à l’étalon de couleur ; - détermination de la densité à l’aide d’un pycnomètre métallique ; - détermination du temps d’écoulement ; - détermination du pouvoir couvrant ; - détermination du séchage de la pellicule (du feuil) ; - détermination de l’épaisseur du feuil (film) à l’aide d’un dispositif calibré ou par

la méthode destructive et la méthode non destructive ; - détermination de l’adhérence du film au support ; - détermination de la flexibilité du film.

Vernis

Support

Peinture de fond

Mastic Peinture

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Annexe. Compléments de matériaux

Cette annexe comprend quelques modifications concernant la classification, les notations et les déterminations de certaines caractéristiques des matériaux par rapport à celles présentées dans les chapitres précédents. Chap. I. Propriétés générales des matériaux et méthodes d’essai Classification des matériaux La science des matériaux classe les matériaux connus jusqu’à présent en trois grandes catégories (selon la nature des liaisons chimiques), fig. A. I.1: - matériaux céramiques à liaisons ioniques et ion covalentes ; - matériaux métalliques (métaux et alliages métalliques) à liaisons métalliques ; - polymères organiques à liaisons covalentes

Fig. A. I.1.

Les résistances mécaniques aux sollicitations statiques seront notées par “f”, à savoir : - résistance à la compression, fc ; - résistance à la traction, ft ; - résistance à la flexion, ff ; - résistance au cisaillement, fcis ; - résistance au fendage, ffend ; - résistance à la traction par flexion, ftf ; - résistance à la traction par fendage, ftfend.

55

Chap. III. Granulats pour mortiers et bétons

Selon SR EN 933 – 3/1997 et SR EN 933 – 4/1999 la forme des grains sera appréciée par le coefficient d’aplatissement et le coefficient de forme.

Mesure du coefficient d’aplatissement (A) Dans la normalisation européenne la notion de coefficient volumétrique moyen a été

remplacée par le coefficient d’aplatissement. Les granulats trop plats ne permettent pas de faire des bétons compacts et par ailleurs en technique routière, ils sont inutilisables car ils conduisent à des couches de roulement trop glissantes.

Le coefficient d’aplatissement d’un ensemble de granulats (gravillon) est le pourcentage pondéral des éléments tels que :

EG > 1,58 (différence de 2 modules)

où G – grosseur et E –épaisseur. L’essai consiste à effectuer un double tamisage :

- le tamisage classique sur une colonne de tamis à mailles carrées pour séparer l’échantillonnage en classes granulaires élémentaires d/D avec D = 1,25 d ;

- le tamisage des différentes classes granulaires élémentaires prises séparément sur des

grilles à fentes parallèles d’écartement E = 58,1d = 0,63 d =

2D

Tab. A.III.1. Détermination du coefficient d’aplatissement

Tamisage sur tamis Tamisage sur grille Classes granulaires

d/D (mm) Mgi Ecartement des grilles E (mm) Passant Mei (g) Ai = 100·

gi

ei

MM

63/80 40 50/63 31,5 40/50 25

31,5/40 20 25/31,5 16 20/25 12,5 16/20 10

12,5/16 8 10/12,5 6,3

8/10 5 6,3/8 4 5/6,3 3,15 4/5 2,5

M = ∑ giM = ∑ eiM =

A = ∑

∑i

gi

i

ei

M

M

1

1 ·100 =

56

Le coefficient d’aplatissement de chaque classe granulaire élémentaire correspond au passant du tamisage sur la grille à fente d’écartement 0,63 d exprimé en % (dernière colonne du tab. A. III 1.):

Ai = gi

ei

MM

· 100

Mgi : masse de la classe granulaire élémentaire d/D ; Mei : masse passant à travers le tamis à fentes d’écartement E. Le coefficient d’aplatissement du gravillon est la somme pondérée des coefficients d’aplatissement des différentes classes granulaires classes granulaires élémentaires, soit :

A = 100·100··100·MM

MM

MM

MM ei

gi

ei

gi

gi

gi

ei ∑∑∑

∑∑ ==

Pour un béton hydraulique on doit avoir A ≤ 30 % et en technique routière 20 à 30 % suivant le trafic de la route.

Le coefficient de forme (SI) représente la proportion, en % massiques, des grains non cubiques (caractérisés par L/E > 3, L –longueur, E – épaisseur), étant calculé à base des relations :

SI = 100·1

2

MM pour D ≤ 2d et SI = 100·

1

2

∑∑

i

i

MM

pour D > 2d où :

M1 – masse de l’échantillon, en g ; M2 – masse des grains non cubiques, en g ;∑ iM1 -

somme des masses des fractions utilisées, en g ; ∑ iM 2 - somme des masses des grains non cubiques de chaque fraction essayée, en g. Pour cette détermination sont nécessaires les tamis suivants : 4 ; 5,6 ; 8 ; 11,2 ; 16 ; 22,4 ; 31,5 ; 63. Pour l’utilisation des granulats en bétons, les courbes granulométriques auront les coordonnées suivantes (ex. fig. A. III.1.) : tamisats (vol. %) – dimension de la maille du tamis (mm).

Fig. A. III.1

57

Chap. VI. Mortiers aux liants minéraux

1. Classes de mortiers de maçonnerie (tab. A.VI.1.) : Tab. A.VI.1.

Classe M1 M 2,5 M 5 M 10 M 15 M 20 M d fc (N/mm2) 1 2,5 5 10 15 20 d

d – résistance à la compression déclarée par le producteur et > 25 N/mm2

2. Classification des caractéristiques des mortiers d’enduit durcis (tab. A.VI.2.) :

Tab. A.VI.2. Caractéristique Classe Valeurs

Résistance à la compression à 28 jours

CS I CS II CS III CS IV

0,4 à 2,5 N/mm2 1,5 à 5,0 N/mm2 3,5 à 7,5 N/mm2 ≥ 6 N/mm2

Absorption d’eau par capillarité W 0 W 1 W 2

Non – specifies c ≤ 0,40 kg/m2min0,5 c ≤ 0,20 kg/m2min0,5

Conductivité thermique T 1 T 2

≤ 0,1 W/m·K ≤ 0,2 W/m·K

Chap. VII. Bétons de ciment

Selon SR EN 206/2006, dans le tab.A.VII.1.sont présentées les classes de résistance à

la compression pour bétons de densité apparente normale (≈ 2400 kg/m3) et bétons lourds : Tab. A.VII.1.

Classe de résistance à la compression

Résistance caractéristique min. sur cylindres (N/mm2)

Résistance caractéristique min. sur cubes (N/mm2)

C8/10 8 10 C12/15 12 15 C16/20 16 20 C20/25 20 25 C25/30 25 30 C30/37 30 37 C35/45 35 45 C40/50 40 50 C45/55 45 55 C50/60 50 60 C55/67 55 67 C60/75 60 75 C70/85 70 85 C80/95 80 95 C90/105 90 105 C100/115 100 115

58

Classes de résistance pour bétons légers (tab. A. VII. 2) Tab. A.VII.2

Classe de résistance à la compression

Résistance caractéristique min. sur cylindres (N/mm2)

Résistance caractéristique min. sur cubes (N/mm2)

LC8/9 8 9 LC12/13 12 13 LC16/18 16 18 LC20/22 20 22 LC25/28 25 28 LC30/33 30 33 LC35/38 35 38 LC40/44 40 44 LC45/50 45 50 LC50/55 50 55 LC55/60 55 60 LC60/66 60 66 LC70/77 70 77 LC80/88 80 88

Classes de densité apparente (ou masse volumique) des bétons légers (tab. A.VII.3.) Tab. A.VII.3. Classes de densité apparente

D 1,0 D 1,2 D 1,4 D 1,6 D 1,8 D 2,0

Intervalle de densité apparente, kg/m3

≥ 800 et ≤ 1 000

> 1 000 et ≤ 1 200

> 1 200 et ≤ 1 400

> 1 400 et ≤ 1 600

> 1 600 et ≤ 1 800

>1 800 et ≤ 2 000

Pour les bétons de densité apparente normale, dans le tab. A.VII.4. sont présentées les

valeurs de trois caractéristiques essentielles selon la classe de résistance du béton, allant de C20 à C50 :

- fck est la résistance caractéristique à la compression sur cylindre, mesurée à 28 jours ; - fctm est la résistance moyenne à la traction, à la même période ; - Ecm est le module sécant d’élasticité ; vu le comportement non linéaire “contrainte –

déformation” du béton, y compris pour de faibles niveaux de contrainte, Ecm doit être interprété comme un module sécant moyen pour des contraintes de courte durée.

Tab. A. VII. 4.

Classe de résistance C20/25 C25/30 C30/37 C35/45 C40/50 C45/55 C50/60

fck (N/mm2) 20 25 30 35 40 45 50 fctm(N/mm2) 2,2 2,6 2,9 3,2 3,5 3,8 4,1 Ecm(N/mm2) 29 30,5 32 33,5 35 36 37

Le coefficient de dilatation thermique du béton est quasiment identique à celui de

l’acier de construction, à savoir : α = 10-5K-1 ; pour un béton léger, ce serait plutôt α = 0,7·10 5K-1.

59

Chap. IX. Matériaux métalliques La désignation des aciers de construction selon NF EN 100027-1 (tab. A. IX.1.)

Tab. A. IX.1. Lettre Chiffre Symbole 1 Symbole 2

exemple S 355 J, K, L M, N, Q, G

Cette désignation comprend : - une lettre : S (steel) ; - un chiffre : valeur minimale de la limite d’écoulement, en N/mm2 (fig. A. IX.1) pour la gamme d’épaisseur la plus faible. Dans le domaine de construction métallique on utilise 3 nuances : S 235 ; S 275 et S 355 ; pour aciers spéciaux alliés (à haute résistance), il y a S 420 et S 460 ; - symbole 1 : énergie de rupture en Joules pour une température d’essai définie par un système de lettres et de chiffres déterminés (tab. A. IX.1.et tab. A. IX.2.) ; - symbole 2 : modalité de traitement de l’acier (tab. A. IX.1.) ; M – thermomécanique, N – normalisé ou par laminage normalisant, Q – trempé et revenu, G – autres caractéristiques suivies.

Tab. A. IX. 2. °C 20 0 -20 -30 -40 -50 -60

27 Joules JR J0 J2 J3 J4 J5 J6 40 Joules KR K0 K2 K3 K4 K5 K6 60 Joules LR L0 L 2 L3 L4 L5 L6

Fig. A. IX.1. Sur la courbe caractéristique d’un acier doux on peut définir 3 limites d’élasticité :

- limite d’élasticité proportionnelle σp (σ10); - limite d’élasticité σe (σ001); - limite d’écoulement σec (σ02).

σmax

σec(σ02) σe(σ001) σp(σ10)

ε, %

σ, N/mm2

60

Dans les calculs on prend en compte les valeurs de propriétés suivantes : E = 210 000 N/mm2 ; ν = 0,3 ; α = 12·10-6K-1 ; ρ = 7850 kg/m3 et G = E/2(1+ ν). Pour certains aciers, la qualité est exprimée par la valeur moyenne minimale de la striction sur 3 essais : Z15 ; Z25 et Z35 (minimum individuel : 10 ; 15 et 25 %). Comme aciers inoxydables, on distingue 3 types d’aciers : les aciers inoxydables au chrome, les aciers inoxydables au chrome et au nickel et les aciers inoxydables au chrome, au nickel et au molybdène à plusieurs types de structures : ferritique, martensitique, austénitique ou austénitoferritique. Les deux dernières structures présentent de bonnes caractéristiques de ductilité et d’aptitude au soudage. Exemple de codification : X5CrNi18-10 signifie 0,05 %C, 18 % Cr et 10 % Ni (X – acier contenant un élément d’alliage de teneur > 5 %).

Il y a 7 classes : S 220…..S 480. La norme européenne EN 10080-3 définit trois nuances d’acier d’armature, à savoir S220, S400 et S500, les nombres désignant la valeur de la limite d’écoulement caractéristique spécifiée fsk (en N/mm2). La nuance S220 concerne les ronds lisses laminés à chaud, alors que les nuances S400 et S500 concernent les barres et fils à verrous (y compris les treillis soudés) conférant une haute adhérence.

61

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