CHAPITRE 1 Introduction aux matériaux de construction 1 DEFINITION GENERALE D’UN MATERIAU .................................................................................................. 2 2 PROPRIETES GENERALES DES MATERIAUX............................................................................................... 2 3 MATERIAUX DE CONSTRUCTION ................................................................................................................... 3 3.1 DEFINITION : ............................................................................................................................................................. 3 3.2 A CONNAITRE SUR UN MATERIAU DE CONSTRUCTION : ............................................................................................. 3 3.3 CLASSIFICATION DES MATERIAUX DE CONSTRUCTION PAR USAGE ........................................................................... 4 3.4 PROPRIETES A ETUDIER............................................................................................................................................. 4 3.4.1 les propriétés aux principaux efforts : ........................................................................................................... 4 3.4.2 les propriétés liées à la résistance aux agents de destruction : ..................................................................... 5 3.5 ORIGINES DES MATERIAUX DE CONSTRUCTION......................................................................................................... 5 4 UNITES DES GRANDEURS PHYSIQUES ......................................................................................................... 5 4.1 SYSTEME INTERNATIONAL D’UNITES ........................................................................................................................ 5 4.2 PREFIXES .................................................................................................................................................................. 5 4.3 UNITES DERIVEES UTILISEES EN MATERIAU .............................................................................................................. 6
Transcript
CHAPITRE 1
Introduction aux matériaux de construction
1 DEFINITION GENERALE D’UN MATERIAU.................................................................................................. 2
2 PROPRIETES GENERALES DES MATERIAUX............................................................................................... 2
3 MATERIAUX DE CONSTRUCTION ................................................................................................................... 3
3.1 DEFINITION : ............................................................................................................................................................. 3 3.2 A CONNAITRE SUR UN MATERIAU DE CONSTRUCTION :............................................................................................. 3 3.3 CLASSIFICATION DES MATERIAUX DE CONSTRUCTION PAR USAGE ........................................................................... 4 3.4 PROPRIETES A ETUDIER............................................................................................................................................. 4
3.4.1 les propriétés aux principaux efforts : ........................................................................................................... 4 3.4.2 les propriétés liées à la résistance aux agents de destruction : ..................................................................... 5
3.5 ORIGINES DES MATERIAUX DE CONSTRUCTION......................................................................................................... 5
4 UNITES DES GRANDEURS PHYSIQUES ......................................................................................................... 5
4.1 SYSTEME INTERNATIONAL D’UNITES ........................................................................................................................ 5 4.2 PREFIXES .................................................................................................................................................................. 5 4.3 UNITES DERIVEES UTILISEES EN MATERIAU .............................................................................................................. 6
Conservatoire National des Arts et Métiers Matériaux de construction - CCV015
1 DÉFINITION GÉNÉRALE D’UN MATÉRIAU De manière symbolique et résumée, un matériau est une matière dont on fait un matériel. De manière plus précise et plus complexe, un matériau est la forme marchande d’une matière choisie en raison de propriétés d’usage spécifiques et mise en œuvre par des techniques appropriés pour l’obtention d’un objet de géométrie donnée et à fonction prémédité.
2 PROPRIÉTÉS GÉNÉRALES DES MATÉRIAUX Les propriétés des matériaux ont essentiellement deux origines : • Leur composition chimique (natures des atomes qui les constituent) • Leur microstructure (organisation des atomes)
La première caractéristique de la matière est son état physique : • Solide • Liquide • Gaz Ces états physiques proviennent essentiellement des effets de la température sur la microstructure perceptibles à travers les variations de la viscosité (viscosité : résistance à l’écoulement) La température de la matière mesure essentiellement le degré d’agitation et de désordre (ou entropie) des atomes qui la constituent : • L’état gazeux (à température élevée) : état caractérisé par une distance importante entre atomes
disposées en désordre (aucun lien). Un gaz est compressible et très fluide. Sa viscosité est de l’ordre de 10−5 poiseuilles (PI). (Le poiseuille vaut 1 Pa.s)
• l’état liquide (à température plus basse) : les atomes sont alors en désordre mais à courte distance (liens faibles). Un liquide est donc un fluide peu compressible. Sa viscosité est de l’ordre de 10−3 ou 10−4 PI.
• l’état solide (à température encore plus basse) : les atomes sont alors ordonnés et à courte distance (liens faibles et forts). Un solide est très peu fluide et très peu compressible. Sa viscosité est de l’ordre de 1017 PI.
Remarques : • Les liens forts sont de 3 types : (i) liaison covalente, (ii) liaison ionique, (iii) liaison métallique. • Les liens faibles sont de plusieurs types : Van der Waals, liaisons hydrogènes.
(plus de détails dans le chapitre Composition Chimique des matériaux)
Variation de la viscosité d’un matériau en fonction de la température
Conservatoire National des Arts et Métiers Matériaux de construction - CCV015
La pression joue également un rôle dans les changements d’état de la matière :
• Une augmentation de la pression tend à élever les températures de changement d’état. • La pression stabilise les états condensés (solide, liquide) par rapport à l’état dispersé (gazeux).
3 MATÉRIAUX DE CONSTRUCTION
3.1 Définition : On désigne par matériaux de construction tous les corps solides ou liquides, naturels ou artificiels, susceptibles d’être utilisés sous une forme brute ou plus ou moins élaborée dans la réalisation des bâtiments et des ouvrages industriels ou de génie civil.
3.2 A connaitre sur un matériau de construction : • sa nature
– sa composition – son origine – ses propriétés mécaniques et physiques
• sa préparation – pour un matériau naturel : son extraction – pour un matériau artificiel : sa fabrication
• l’utilisation du matériau (son usage) – a qui sert ce matériau ? – comment il est mis en ouvre ?
Les trois états physiques de la matière et les transformations autour
Conservatoire National des Arts et Métiers Matériaux de construction - CCV015
3.5 Origines des matériaux de construction Les matériaux de construction proviennent directement ou indirectement des roches et du sol : – directement
• les pierres • les granulats
– Indirectement • après des traitements relativement simple : chaux, ciments, plâtres, produits céramiques, verres • après des traitements relativement complexes : métaux, plastiques
Il est nécessaire d’avoir quelques connaissance en : géologie, minéralogie, cristallographie, · · ·
La mission de l’ingénieur ou du technicien est de savoir tenir compte de toutes ces considérations pour
sélectionner dans l’immense gamme de produits actuellement disponibles et le plus adaptés aux conditions d’utilisation. Il doit prendre en compte aussi des considérations économiques, esthétiques et de confort (bruit
par exemple).
4 UNITÉS DES GRANDEURS PHYSIQUES
4.1 Système international d’unités Le système international d’unités (SI) existe depuis 1960 mais son héritage est beaucoup plus ancien. En 1790, un « Mémoire sur la nécessité et les moyens de rendre uniformes les mesures, dans tout le Royaume » est présenté à l’Assemblée nationale de la France. En 1799, en France pendant la révolution, est établi le Système métrique décimal. La Convention du mètre (en 1875) rendra ces unités de mesure universelles. Le SI est composé de 7 unités de base :
• Le mètre (m) ; • Le kilogramme (kg) ; • La seconde (s) ; • L’ampère (A) ; • Le kelvin (K) ; • La mole (mol) ; est l’unité de quantité de matière • La candela (cd) est l’unité de mesure de l’intensité lumineuse.
(voir http://www1.bipm.org/en/si/)
4.2 Préfixes À l’exception du kilogramme (basé sur un étalon de platine), toutes ces unités sont basées sur des propriétés naturelles. Le kilogramme a aussi la particularité d’être la seule unité de base à être précédé d’un préfixe. Les préfixes servent à former des multiples ou des sous-multiples des unités de base (à l’exception du kilogramme auquel on modifie ou retire le préfixe pour former un multiple ou sous-multiple).
Conservatoire National des Arts et Métiers Matériaux de construction - CCV015
4.3 Unités dérivées utilisées en matériau Les unités dérivées sont constituées à partir des unités de bases. Par exemple, vous savez tous que la masse ne représente pas le même poids sur la terre que sur la lune. Ce poids représente une force vers le sol. Dans le système international d’unités cette force est appelée newton qui équivaut à 1kg•m/s². Sur la Terre un kilogramme exerce une force de 9,8 N (9,806 65 exactement) sur le sol. Ci-dessous, une courte liste qui représente quelques unités dérivées
Grandeur Nom de l’unité Symbole Équivaut à
force newton N kg•m/s2
pression pascal Pa N/m2
travail joule J N•m
puissance watt W J/s Certaines unités dérivées que nous utilisons ne portent pas de noms. La masse volumique, qui peut être exprimée en gramme/cm³ ou en kilogramme/mètre³ en est un exemple.
Préfixe Symbole multiplier par Ou
méga M 1 000 000 106
kilo k 1 000 103
Hecto h 100 102
déca da 10 101
déci d 0,1 10-1
centi c 0,01 10-2
milli m 0,001 10-3
micro µ 0,000 001 10-6
nano n 0,000 000 001 10-9
CHAPITRE 2
Composition chimique des matériaux
1 CLASSIFICATION DES ELEMENTS CHIMIQUES......................................................................................... 2 1.1 LE MODELE ATOMIQUE ........................................................................................................................................ 2
1.1.1 Le noyau atomique ......................................................................................................................................... 2 1.1.2 Le nuage électronique .................................................................................................................................... 2
1.2 SYMBOLE CHIMIQUE DE L’ATOME........................................................................................................................ 2 1.3 TABLEAU DE CLASSIFICATION PERIODIQUE DES ELEMENTS CHIMIQUES OU TABLEAU DE MENDELEÏEV .............. 3 2 LIAISONS CHIMIQUES ....................................................................................................................................... 3 2.1 DEFINITION D’UNE LIAISON CHIMIQUE SELON LEWIS .......................................................................................... 3 2.2 LIAISONS FORTES : ............................................................................................................................................... 4
1.1 Le modèle atomique L’atome est constitué de deux parties distinctes et indissociables : • le noyau : est la partie massive de l’atome et porte une charge électrique positive • le nuage électronique : n’a pratiquement pas de masse et porte une charge électrique négative qui
compense exactement la charge du noyau de tell façon que l’ensemble noyau + nuage électronique sont électriquement neutre. C’est le nuage électronique qui est responsable de toutes les possibilités de liaisons avec les autres atomes pour constituer la matière.
1.1.1 Le noyau atomique
Le noyau atomique est constitué de deux types de particules : le proton et le neutron. Ces deux particules ont la même masse. Le proton porte une charge positive et le neutron est électriquement neutre
On désigne par : – Z : le nombre de protons, – N : le nombre de neutrons, – A : le nombre de masse
A=Z+N
1.1.2 Le nuage électronique
Le nuage électronique se compose uniquement d’électrons dont les caractéristiques sont les suivantes : masse de l’électron : me = 9.1091.10−31 Kg charge de l’électron : qe = -1.60219.10−19 C
La masse de l’électron est négligeable vis-à-vis de sa contribution à la masse de l’atome. Le nombre d’électrons dans l’atome doit être identique à celui des protons : Z désigne donc le nombre d’électrons dans l’atome.
1.2 Symbole chimique de l’atome
Un atome dont le symbole chimique X sera représenté par la nomenclature suivante :
Exemple : possède 8 protons et 8 électrons et 17-8=9 neutrons. – Lorsque le numéro atomique Z est identique entre deux atomes, on dit que ce sont des isotopes (la même
place),
Structure d’un atome : noyau et nuage électronique
Conservatoire National des Arts et Métiers Matériaux de construction - CCV015
– Lorsque le nombre de masse A est identique entre deux atomes, on dit que ce sont des isobares (la même masse),
– * signifie que cet élément est radioactif ( ).
1.3 Tableau de classification périodique des éléments chimiques ou tableau de Mendeleïev – Rôles :
o répartition des électrons autour de noyau, o énergie de liaison de ces électrons avec le noyau.
– Dans cette théorie, l’électron est décrit par son énergie de liaison avec le noyau. L’énergie de liaison est aussi l’énergie qu’il faut dépenser pour arracher l’électron de l’atome. Ainsi, à chaque niveau du nuage électronique on trouve un nombre limité d’électrons, c’est le niveau d’énergie.
– Les lignes (ou périodes) du tableau de Mendeleïev sont les niveaux successifs des couches électroniques. – Les colonnes (ou groupes) sont les nombres d’électrons dans la couche externe. – Les propriétés chimiques d’un élément proviennent essentiellement de ses électrons et en particulier de
ceux de la couche externe appelés électrons de valence. Ces propriétés sont liées au groupe auquel ils appartiennent (colonne du tableau).
– Une unité commode pour mesurer les énergies de liaison par atome est l’électron volt (eV) : 1eV= 1,60217646.10-19 joule.
2 LIAISONS CHIMIQUES
2.1 Définition d’une liaison chimique selon Lewis Une liaison chimique résulte de la formation ou de l’échange d’un doublet d’électron. Exemple : La molécule d’hydrogène H2 :
Tableau de Mendeleïev
Conservatoire National des Arts et Métiers Matériaux de construction - CCV015
2.2 Liaisons fortes : a) Liaison covalente b) Liaison ionique c) Liaison métallique
2.2.1 Liaison covalente
Elle est assurée par la mise en commun de deux électrons pour compléter la couche externe de chaque atome. Une liaison covalente est le partage des électrons célibataires entre les atomes. Par exemple, l’oxygène possède deux électrons célibataires alors que l’hydrogène en possède un seul. Cela explique pourquoi la composition de l’eau est bien H2O. Exemple : La molécule de dichlore cl2 :
2.2.2 Liaison ionique
Définition de l’ion : Un ion est un atome ou groupement d’atomes qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. Les ions que l’on rencontre souvent dans la vie courante sont les suivants : Na+, H+, cl−, Ca++, OH−, Mg++,...Ces ions existent parce que l’atome est mis en situation de capter ou de perdre un ou plusieurs électrons. La liaison ionique est assurée par le transfert d’un électron d’un atome à un autre (pus simplement une liaison ionique est causée par un atome qui vole pour lui l’électron d’un autre type d’atome!!). Elle apparait entre un atome d’un métal et un atome d’un non-métal. Après leur liaison, les deux atomes deviennent des ions chargés électriquement. Exemple : Le chlorure de sodium Nacl
2.2.3 Liaison métallique
Elle est assurée par la mise en commun d’électrons célibataires de la couche périphérique. Le gaz constitué par ces électrons libres et délocalisés assure la cohésion de l’ensemble des cations résultants. Les électrons de la liaison métallique sont mobiles et disponibles pour assurer la circulation éventuelle d’un courant électrique. C’est évidemment la liaison chimique utilisée par tous les métaux. Cela explique pourquoi les métaux sont conducteurs. Cela explique aussi pourquoi les métaux sont opaques et brillants.
Conservatoire National des Arts et Métiers Matériaux de construction - CCV015
2.3 Liaisons faibles ou liaisons secondaire Ce sont des simples attractions électrostatiques entre charges électriques de signes opposés. Exemple :
– liaisons de Van der Waals – liaisons hydrogènes entre molécules d’eau H2O
Les liens faibles sont trop complexes pour être vulgarisé dans le cadre de ce cours.
3 DISPOSITION DES ATOMES Quel que soit le type de liaison, les molécules ou atomes peuvent être disposés d’une façon amorphe ou d’une façon cristalline :
Une disposition amorphe est une disposition aléatoire Une disposition cristalline est une disposition ordonnée.
Il existe 7 systèmes cristallins de base : – cubique ; – quadratique ; – orthorhombique ; – monoclinique ; – triclinique ; – rhomboédrique ; – hexagonal.
Exemples de liaisons dans le tableau de Mendeleïev
Conservatoire National des Arts et Métiers Matériaux de construction - CCV015
Pour en savoir plus sur les systèmes cristallins, vous pouvez consulter le site de l’International Union of Crystallography. À notre niveau, il n’est pas nécessaire de faire une distinction entre les systèmes cristallins. Ce qui est utile c’est de faire la distinction entre un solide amorphe et un solide cristallin. Plus tard, cela nous permettra de comprendre pourquoi certaines matières plastiques sont transparentes et d’autres translucides, pourquoi les métaux sont constitués de « grains » et comment ces grains influencent les propriétés physiques.
Métaux (Matériau dont les éléments
principaux sont liés ensemble par
des liaisons métalliques.)
Matières organiques (Matériau dont le carbone (ou le silicium) est l’élément de base
servant (par des liens covalents) à attacher d’autres sortes d’atomes ensemble pour former de grosses
![Normes Et Usages Relatifs Aux Obligations Et Autres Instruments de Taux - Volume a Chapitre 1[1]](https://static.documents.pub/doc/80x56/55721423497959fc0b93dbbf/normes-et-usages-relatifs-aux-obligations-et-autres-instruments-de-taux-volume.jpg)
