Mat ériaux de carrière et Mat ériaux de carrière et Univers it é Sult an Moulay Slimane Facult é des Sciences et T echniques Départ ement des S ciences de la T erre Laborat oire Géoressources et Environnement LST_Géoressources LST_Géoressources LS T_ Géomat i que LS T_ Géomat i que Prof. Barakat A .
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Depuis t oujours l 'Hom me ut i lise les m at ériaux nat urelsdu sous-s o l, les roches , pour ses indus t r ies et sescons t r uct ions .
1 . Int rod uct ion
, ,dat ent d 'environ 2 M a. Depuis, l'humanit é n 'a cess éd'ext ra ire les d ivers es mat ières minérales dont e lle abesoin pour vivre et s e développer.
Par déf init ion, on nomm e roche t out m at ér iau cons t it ut ifde l’écor ce t er res t re.
Une car r ière es t un endroit d'où s ont ext rait s desmat ér iaux de cons t ruct ion : p ierres, s able oud if f ér ent s m inér aux non m ét alliques oucar bonif ères (par oppos it ion aux mines ).
Le mo t vient du lat in quadr us, « car ré ».
Elles peuvent êt re à ciel ouver t ou s out er ra ines .
Est la mass e d’un corps par unit é de volume apparent , aprèspas s age à l’ét uve à 1 0 5 ±5 °C, not ée γap et exprimée en (g/ cm 3 ,kg/m 3 , T/ m 3 ) .
S a dét erm inat ion s e fait s elon la dimension et la disper s ion desma t ériaux de cons t ruc t ion :
3 . Propr iét és phys iques
La mas s e volumique appar ent e
, , ,…), on f a it des échant illons de f orme géomét r ique (cubique,cy lindr ique, ..).
c) Pour les mat ér iaux de const ruc t ion qui n ’ont pas de f ormegéomét r ique (f orm e de pat at e), on les enrobe de paraf f ine pour lespr ot éger de la pénét ra t ion de l’eau, ens uit e on les pès e dans l’eau.
M S : Masse sèche d ’échant illon (g)
M S +P: M ass e sèche d’échant i llon après avoir enrober une paraf f ine (g).
M (S+P)L: M as s e sèche d’échant il lon après avoir enrobé de par af f ine et pesé dansl’eau (g ).
gP: Mas se de la paraf f ine ayant enrobé l’échant illon.
C'est la mas s e d’un corps par unit é de volume abs olu de mat ièrepleine (pores à l 'int ér ieur des grains exclus), après pass age àl’ét uve à 1 0 5 °C, not ée γ et exprimée en (g/ cm 3 , kg/ m 3 ou T/ m 3 ) .
Les mat ér iaux poreux sont concas sés et broyés pour avoir desgra ins de t aille inf ér ieure à 0 ,2 mm , et ce af in d'éliminer les por eset vides.
Quand on connaît la mas s e volumique apparent e γap et la massespécif ique γ0 d’un mat ér iau, i l est f acile de calculer s a compacit éet poros it é.
Est la capac it é de conserver des mat ér iaux quand ils sont
imm ergés au sein de l’eau à T° de 2 0 ,5 °C et à la P at m .
L’eau pénèt re da ns les vides int ers t it iels du ma t ériau; do nc plus laporosit é est import ant e, plus l’absorpt ion d e l ’eau est grandema is res t e inf érieure à la por os it é.
On peut dét erm iner le degr é d’abso r pt ion de deux manièr es :
L’abs or pt ion de l’eau
a a s or p on c a c u e s u van a mas s e u vo um e appar end ’échant illon , not ée H v (%).
b) L’abs or pt ion calculée suivant la m as s e de l’échant illon, not éeHp (%).
G ab : e s t la m as s e a bs o r ba nt e.
G s : e s t la m a sse sè ch e d ’é ch ant illo n.
V 0 : e s t le vo lum e a pp ar ent d u m at ér ia u.
Un des plus import ant s f act eurs inf luençant la résist ance d esmat ériaux est le degré d e s at urat ion, parce que l’eau absor béedim inue la rés ist ance des m at ériaux.
Lors que t ous les vides d ’un cor ps s ont rem plis d’eau, le cor ps es tdit sat uré.
Le degré de s at urat ion est le rapport du volume de vide rempli
Degr é de S at urat ion (Teneur en eau)
eau au vo ume o a e v e.
I l joue un grand rôle dans les phénomènes de dest ruct ion desmat ér iaux poreux par le gel. En se t ransf ormant en gel, l ’eauaugm ent e de 9 %en volume environ.
La s at urat ion dans les échant illons de mat ér iaux es t réalisée parl’immers ion des échant illons dans l’eau bouillant e e t à las at urat ion en pr ess ion d’air .
Pour dét er miner le d egré d e s at urat ion en pr ess ion d’air, on a ladém ar che s uivant e:
- Immerger les échant illons d ans l‘eau.
- Donner la pr ess ion de bas e de 2 0 mm Hg jusqu’au mo ment oùon peut éliminer t out es les bulles d ’air.
- Ensuit e on f ait baiss er la pres s ion de bas e de 2 0 mm H g. Àce moment là, presque t out le vide est rempli d’eau et parcons équent on dit que les échant i llons s ont s at urés .
,7 6 0 m mH g = 1 .0 at m = 1 0 1 .3 kPa = 1 0 1 3 mb ar
Le degr é de sat urat ion peut s e calculer par la f or mule s uivant e:
B H : d e gr é d e s a t ur a t io n ( %)
G s at : m as se d’échant illon au m om ent de sa t u rat io n.
Est une des propr iét és essent ie lles pour des mat ér iaux decons t r uct ion. Selon la carac t éris at ion des déf or mat ions, on lesdivise en t rois sor t es:
1 ) Déf or ma t ion élas t ique,
2 Déf ormat ion las t i ue
4 . Propr iét és m écaniques
3 ) Déf or mat ion vis queus e.
La rés ist ance:
Est la capacit é des mat ér iaux cont re les act ions des f orcesext ernes ( les charges ) ét ant déf inie en cont raint e maximale
Lors que l’on ef f ect ue un ess ai de mise en charge et s i , aprèsdécharge le cor ps reprend les mêmes f ormes qu’il avait avantl’es s ai et qu’il ne res t e aucune déf or ma t ion rés iduelle, on dit que lecor ps a un com port ement parf ait ement élas t ique
Impos s ible d’imaginer une sociét é mo der ne avec s es act ivit és deconst ruct ion, de bât iment s pour l ’habit at , l ’indust r ie ou less er vic es public s , d e génie c ivil, d e t r avaux public s etd’aménagement de l ’environnement s ans le recours aux mat ériauxde cons t ruct ion et aux gra nulat s.
Les gr anulat s r eprés ent ent quant it at ivement la plus impor t ant e
’ ’
5 . Granulat s
.
Trouver des gis ement s et produire des granulat s s ’avère d oncêt re un impéra t if de développement de la s ociét é.
Les granula t s sont ut ilisés pour la réalisa t ion des : f i lt r es sanit a ires , f ilt r es , d rains , bét ons , rembla is rout iers , …
Les deux principales ut ilis at ions des granulat s s ont les bét ons etla v iabilit é , à savoir des couches de roulement des rout es etaut orout es, des aér oport s et des voies de chemin de fer.
Le bét on est aujourd ’hui le pr oduit indust r iel le plus ut ilis é dans lemo nde. Il peut êt re mis en œuvre :
so it so us f o r m e liq uid e, le B ét o n Pr êt à l’Em plo i ( B PE) ,d i rect ement sur les chant iers, dans des cof f rages où il f a it saprise,
s oit sous f orme d e produit s préf abriqués en bét on, t els que despar paings, des t uyaux, des po ut relles, des p lanchers , des c loisons ,
Prélèvement en labor at oire (échant illonnage en labor at oire) :
Le pass age d e l'échant illon t ot al prélevé s ur le t as à l'échant illonréduit , néces s aire à l 'ess ai, peut s e f aire par quart age ou à l 'aided'un échant illonneur.
L'échant illon doit êt re s éché à l'ét uve à 1 0 5 º C s 'il es t exempt deminéraux argileux, ce qui est rar e, ou à 6 0 º C dans le cas cont raire.
Prélèvement en labor at oire (échant illonnage en labor at oire) :
Echant illonneur :
Perm et de divis er f acilement en deux part ies repr ésent at ives lat ot alit é d'un échant illon init ial, chaque mo it ié ét ant recueillie dansun bac de manière sépa rée.
La répét it ion de cet t e opérat ion perm et d'obt enir l 'échant i llonnéces s aire, apr ès 3 ou 4 opérat ions ident iques .
Elle est s oit nat urelle, s oit ar t if icielle. La for me nat urelle es t engénéral roulée. Ces granula t s proviennent des mers , dunes,r iv ières,carr ières,…
La f orme ar t if ic ie lle est iss ue du concass age de roches dures(roches mères).
b) La m as s e volumique réelleEst la mas s e d'un mèt re cube de ce mat ériau déduct ion f ait e desvides ent re part icules, et non ceux com pr is dans les par t icules.
Volume hachuré = Volume réelle (apparent )
La d ensit é réelle est le rappor t de la mas s e réelle d'une unit é devolume d u mat ériau à T° donnée à la m as s e d'un égal volume d'eaudis t illée à la mêm e T°.
c) La m as s e volumique appar ent eEst la mas s e d’un corps par unit é de volume t ot al y com pr is lesvides ent re les gr ains et le cons t it uant (volume appar ent ).
Volume hachuré = Volume du r éci ient
La d ensit é apparent e à l 'ét at com pact é ou non com pact é es t lerappor t de la masse apparent e du mat ér iau à T° donnée à lama s s e d’un égal volume d’eau à même T°.
La m as s e volumique apparent e d'un gra nulat dépend de la f or me etde la gr anulomét r ie des gra ins ainsi que le degr é de compac t age etd'humidit é.
La valeur appar ent e est ut i lisée dans les dos ages en volume d esdif f érent es compos ant es du bét on. Cet t e mét hode t out efoisprés ent e des r isques à cause du f oisonnement (gonf lement ).
Les granulat s employés p our le bét on doivent êt re propr es , car lesimpuret és per t urbent l 'hydrat at ion du ciment et ent ra înent desad hérences ent re les granulat s et la pât e.
La pr opr et é dés igne:
- t eneur en fines argileuses ou aut res part icules adhérent es à la
,qu'elles laiss ent lors qu'on f ro t t e les granulat s ent re les mains .
- impuret és s uscept ibles de nuire à la qualit é du bét on, parm iles quelles on peut cit er les s cor ies , le charbon, les part icules debois , les f euil les mor t es et les f ragm ent s de racine.
Dans le cas d es s ables, le degré de propret é est f ourni par ess aiappelé "équivalent de s able pist on PS" (nor me P 1 8 -5 9 7 ).
Ce der nier co ns ist e à sépar er le s able des pa r t icules t rès f ines quirem ont ent par f loculat ion à la par t ie supér ieure de l'épro uvet t e oùl'on a ef f ect ué le lavage.
L'ess ai est f ait uniquement s ur la fr act ion de sable 0 / 2 mm . Lavaleur de PS d oit s elon les cas êt re s upér ieure à 6 0 ou 6 5 .
On agit e une cer t aine quant it é de s able dans une solut ion lavant e(disponible dans le commerce) puis on laisse reposer pendant uncer t ain t emps .
Théor iquement les limit es ext rêm es des valeur s PS (E.S ) s era ient :
- pour s able pur (pas d e f loculat ) h1 =h2 E.S = 1 0 0
- pour argile pur e (pas d e dépôt de sable) h1 = 0 E.S = 0
Le gravier es t com posé major it airement de part icules graveleuses
mais i l est rar ement exempt d'élément s f ins.S uivant s on ut ilisat ion, une t ro p gr ande q uant it é d'élément s f insdans le gra vier ent raîne des cons équences néf as t es s ur le bét on ;par exemple (chut e des caract ér is t iques mécaniques, grandsris ques de f iss urat ion).
L'essa i de propre t é du grav ier met en év idence la présence' .
La norm e f ixe la valeur 2 % qui est le seuil de pr opr et é accept abledu gravier, donc p = 2 %
Le pourc ent age d’imp uret é es t :
où P1 le poids ini t ial sec du mat ér iau et P2 s on poids s ec aprèslavage au t am is 0 ,5 mm
La f o r m e es t d é! nie par le coef f ic ient d 'aplat iss ement A d 'unensem ble de gra nulat s qui est le pourc ent age d’élément s t els queG/ E > 1 ,5 8 .
Elle est mes urée par un double t amisage s ur des t amis à maillescar rées qui t r ient s uivant la gros s eur, et s ur des cr ibles à barr espar allèles qui t rient s uivant l’épaiss eur.
On peut dét er miner auss i:
La f or me des granulat s inf luence:
- la f acilit é de mise en oeuvre et le com pact age du bét on,
- la compac it é du mélange, donc le volume des vides à r emplirpar la pât e de ciment ,
La f or me es t d'aut ant meilleure qu'elle es t pr oche d'une s phère oud'un cube.
Les analys es granulomét riques appor t eront quelques élément s derépo nses à ces condit ions .
La condit ion essent ielle pour obt enir le moins de vides possibles
(m eilleur e com pacit é) dans un mélange de sable et gra villon es t de:3 5 % de sable de 0 / 5 et 6 5 % de gra villons 5 / 2 0 .
Lors que ces mat ér iaux f ont défaut localement , il est poss ib led’ut il is er d es r oches érupt ives ou sédiment aires t rans f or mées engranulat par concassage.Calcaires durs,sil ico-calcaires.
L’analys e gra nulom ét rique perm et de dét er miner la pr opor t ion desdif f érent s cons t it uant s s olides d’un granulat en f onct ion de leurgro s s eur à l’aide de t amis .
L'essai consist e à c lass er les d if f érent s gra ins const it uantl'échant illon en ut ilisa nt une sér ie de t amis, emboît és les uns s urles aut r es , d ont les d im ens ions d es ouver t ur es s ontdécro iss ant es du haut ver s le bas.
Le refus es t le mat ér iau ret enu par un t amis d onné,
Le t amis as ou le pass ant est le mat ér iau qui pass e à t ravers les
Les pourc ent ages ains i obt enus s ont exprimés s ous f orm e d’unecourbe granulomét r ique. Ainsi en fonct ion de la dimension desgrains, on dist ingue :
La f o rm e d es cour bes gr anulom ét r iques appor t e lesrens eignement s s uivant s:
- Les lim it es d et D du granulat en ques t ion;- La proport ion d'élément s f ins; par exemple les t rois sablessont des s ables 0 / 5 mm mais les propor t ions de grains f ins(<0 ,5 mm par exem ple ) s ont pour chacun d'eux: 2 5 %, 4 5 % et6 0 %;
- La cont inuit é ou la d iscont inuit é de la granular i t é ; parexemple, la courbe du gravier 5 / 3 1 ,5 présent e un palier
'quest ion ne cont ient pas de grains compr is ent re 1 0 et 2 0mm.
A not er :
1 . Dans le cas d’un bét on ou d’un mor t ier, le % des f ines dans less ables do it êt re inf ér ieur à 1 0 %.
2 . Dans le cas d’un bét on dont le gravier doit êt re 5 / 2 5 , il f autéliminer t ous les élément s s upérieur s à 2 5 mm et inf érieurs à5 mm par t amis age.
Les sables doivent présent er une granulomét r ie t elle que lesélément s f ins ne s oient ni en excès , ni en t rop f aible pr opor t ion.
Si il y a t rop de grains f ins, i l sera nécess aire d 'augment er ledos age en eau du bét on t andis que si le s able es t t rop gros , laplast icit é du mélange s era insuf f isant e et rendr a la mis e en placedif f ic ile . Le caract ère p lus ou moins f in d 'un s able peut êt requant ifié par le calcul du mod ule de f iness e (MF).
Le mod ule de fines s e d’un granulat es t égal au 1 / 1 0 0 de la s om medes ref us, exprimés en pourcent age s ur les dif f érent s t amis d e las érie s uivant e : 0 ,1 6 – 0 ,3 1 5 – 0 ,6 3 – 1 ,2 5 – 2 ,5 et 5 mm
Les granulat s courant s sont ceux d e mas s e volumique ∈ [ 2 ; 3t / m 3 ] .
Ce s ont généralement les Bas alt es, Quart zit es, Grès , Por phyr e,Diorit e, granit es , S chis t es.
,mat ér iaux nat ur els alluvionnair es : s ables et gra viers .
Cependant , lors que ces m at ériaux f ont déf aut localement , i l estposs ib le d ’ut iliser des roches érupt ives ou séd iment a irest ransf orm ées en granulat par concas sage. Calcaires durs , si lico-calcaires.
Ess ent iellement employés pour la conf ect ion des bét ons lourd sut ilisés pour la const ruct ion d ’ouvrages nécess it ant unepr ot ect ion cont re les r ayonnement s pr oduit s
Exemple des r éact eur s at omiques :
la prot ect ion est d’aut ant plus ef f icace que l’épais s eur es t plus
gr ande et la dens it é du bét on plus élevée. On ut ilis e en par t iculier :
- La bar yt ine, s a dens it é abs olue es t 4 ,2 à 4 ,7
- La magnét it e, s a dens it é abs olue es t 4 ,5 à 5 ,1
- Les r iblons , la dens it é abs olue es t celle du f er :7 ,6 à 7 ,8
- La gr enaille d’une dens it é abs olue de: 7 ,6 à 7 ,8
Ut ilisés pour la confec t ion de bét ons légers . Ces bét onspr ésent ent en général des r és ist ances d’aut ant plus f aibles qu’ilss ont plus légers , mais cet t e der nière qualit é peut , dans cer t ainscas , êt re par t iculièrement int éressant e (pré fabr icat ion,isolat ions, gain de poids sur fondat ions dif f ic i les ou onéreuses,et c.).
.
Exemple :
A rgile expansée, S chist es expans és , Pier re ponce, Pouzzolane.
Les gra nulat s t rès dur s
Quar t z, cor indon, car bor undum, paillet t es de f ont e, et c., sont
incorporés au bét on pour ant i-usure (sols indust r iels parexemple).
Les car act ér ist iques mécaniques des granulat s sont dét er minées
par des ess ais t ent ant de reproduire cert aines s oll ic i t at ionspropres à des usages s pécif iques des granulat s, par exemple ledegr é d'usure pour les granulat s ut ilisés pour les bét ons rout iers
a) Ess ai M icro Deval
C'es t un ess ai dont le pr incipe est de reprod uire, dans un cylindreen rot at ion, des phénomènes d'usure. Les m odalit és d e cet ess ai
' -
b) Ess ai Los Angeles
Le pr inc ipe es t la d ét er m inat ion d e la r és is t ance à laf r agm ent a t ion pa r c hoc s et à l'us ur e par f r o t t em ent sréc iproques . Il f ait l 'objet de la nor me NF P 1 8 -5 7 3
L’es s ai cons is t e à mes urer la quant it é d’élément s inf ér ieurs à 1 ,6
mm produit s en s oumet t ant le mat ér iau aux c hocs de boulet snor ma lis és dans la ma chine LOS A NGELES.
Si M est la mass e du mat ér iau soumis à l ’ess ai, m la mas s e desélément s in fér ieurs à 1 ,6 mm produit s au cours de l’essai , lecoef f icient s ’expr ime par la quant it é s ans dimens ion :
Dans la prat ique le coef f icient est bon lors que le rés ult at obt enues t infér ieur à 3 5 .
L’ext ract ion s ’ef f ect ue dans des carr ières qui ut ilisent des
t echniques dif f érent es s elon qu’i l s ’agit de m at ériaux meubles det ype sables et gravier s nat urels ou de roches mas s ives, exploit ésà sec ou en m ilieu hydr aulique.
Aujourd’hui aucune exploit at ion de carr ière ne se conçoit pluss a ns un pr ojet pr éa lable et pr éc is d e r éam énagem ent(acc om pagné d’un f inancement ada pt é).
Dans t ous les cas la product ion de granulat s passe par c inq
ét apes pr incipales de pr od uct ion :• l’opérat ion de découver t e ou décapage des n iveaux nonexplo it ables et le s t ockage des bonnes t er res et desma t ériaux st ér iles en vue du réam énagement ,
• l’ext ract ion par une t echnique ou une aut re selon la nat ure dugisem ent ,
•le t rans f ert vers les cent res d e t rait ement ,
• les dif f érent es opérat ions de t rai t ement pour obt enir despr od uit s f inis , pr êt s à la livrais on chez les client s,
• et la remise en ét at du sit e de la carr ière au fur et à mesureet en f in d’exploit at ion.
Consist e à ret i rer les t errains si t ués au-dess us des niveaux à
exploit er ( t er re végét ale, roches alt érées , niveaux s t ériles ).Les mat ér iaux de découvert e sont st ockés de cot é en vue duréaménagement de la car r ière.
Ils peuvent parf ois êt re dis pos és en t as lat éraux permet t ant def a ir e un éc ran vis uel et s o nor e ent r e la c ar r ièr e et s onenvir onnement ext ér ieur .
La pr ise en compt e de la quant it é des t err ains à déco uvrir imp or t eda ns l’ét ude d’un gis ement .
Une d écouver t e jugée t r opimpor t ant e peut évent uellementamener à renoncer à l ’ouvert ured’une exploit a t ion.
Décapage des t er res ar ables en vue du f u t u r ré am én ag em ent d e la car r i ère
S’agis sant de mat ér iaux meubles non consol idés, l ’ext ract ion
s’ef f ect ue par décapage du g isement avec d i f f érent es sor t esd’engin en f onct ion des cont ext es, s oit en s it e t er res t re, à s ec,s oit en s it e imm ergé en eau
Ext rac t ion en t er rain sec
Quand le gisement de gr anulat s alluvionnaire s e s it ue au-dess usdu niveau de la nappe phréat ique, on exploit e direct ement avec des
mécaniques ou des chargeuses (bulldozers munis d’un large godetbasculant ).
L’ext ra ct ion p eut avoir lieu parle haut du gis ement(exp loit at ion en f ouille) ou par lebas (exploit at ion en but t e).
Explo it a t io n d e g ranu la t s a lluv io nna ire s à la chargeuse, en t e r ra in sec .
Dans le cas d e sit es imm ergés p eu pr of onds , l’exploit at ion pour raavoir lieu dep uis la r ive avec des pelles à câble équipées en dr agline,des p elles hydr auliques ou des excavat eurs à godet s .
Le dragage r amène à la s urf ace le “t out -venant ” qui es t ensuit echar gé s ur bat eaux, s ur camions ou sur bandes t rans por t euses enbord d e rive.
L’ext ra ct ion des r oches m as s ives , com pact es et dur es , nécess it e
l’emploi des explos if s .Un t i r de mine provoque l ’abat t age d’une grande quant i t é demat ér iaux éclat és qui s ont ens uit e repr is par une pelle ou unchargeur et t ranspor t és par cam ion dumper ou t ombereau, ou parbandes t ra nspor t euses jus qu’au cent re de t ra it ement .
Procéder à un t ir nécess it e un plan de t ir co mp renant :, , ,
• le choix des explosif s ,•le déc lenchement du t ir avec le res pect de t out es les r ègles des écurit é as s ociées .
Le t ir es t p lacé sous la responsabilit é d ’un p rofess ionnels pécialis é: le « bout efeu ».
Les opérat ions d e t ra it ement ont pour but d’obt enir, à part ir d es
mat ériaux d’or igine, alluvionnair es ou mas s ifs , t out e une gamm et rès var iée de g ranula t s pour répondre aux demandes ets pécif icit és des chant iers .
Les principales opér at ions s ont le concas s age, le cr iblage, le lavageet le s t ockage
a) Chargem ent
Trait ement
Les mat ér iaux ex t ra it s sont t ranspor t és vers le cent re det ra it ement s i t ué en généra l à proximit é de la car r ière . Cet ransf ert s ’eff ect ue :- soit en cont inu par des t rans por t eurs à bandes .- s oit en disc ont inu. Les m at ériaux s ont alors a cheminés par d escam ions (ou dumper s ). C’est la s olut ion ut i lisée habit uellementd ans les car r ièr es d e r oches m ass ives , les t ir s d e m ines
empêc hant l’implant at ion d’inst allat ion à proxim it é des f ro nt s d et aille.
Les di f f érent es phases de concass age s ’ef f ect uent dans desconcas s eurs qui perm et t ent de r éduir e la t ail le des élément s . Ilsen ex is t e d if f ér ent s t ypes : concasse ur s à m âcho ir es , àpercuss ion, girat oires, à project ion cent r i f uge. Les dif f érent esopéra t ions de concassage s ont séparées par des é t apes decriblage.
t oujours plusieurs opérat ions succes s ives de concas s age.
Dans le cas des granulat s a lluvionnaires, seuls les p lus grosélément s s ubis s ent un concas s age, les aut res s ont direct ements élect ionnés par cr iblage.
Les mat ér iaux const i t ut i fs des mor t iers et bét ons modernes
doivent avoir une cer t a ine granulomét r ie, ce qui amène t rèssouvent à f a ire subir aux produit s d irect s de la car r ière desopérat ions d e concas s age :
- Le concas s age primaire: les moellons br ut s ( 5 0 à 3 0 cm ) s ontt ransf ormés en gross es p ier res cass ées de 1 0 à 6 cm de Ø.(Concass eur à mâc hoires ),
-sont t ransf ormées en graviers de 3 à 1 cm de Ø . (Concasseurgirat oire),
- Le concassa ge t er t ia ir e: les gr avier s d e 3 à 1 cm so ntt ransf orm és en s able de 5 mm de diamèt re maximal (concass eurà cy lindr e).
Les opérat ions de cr iblage (t r iage ou t amis age) ont pour but des élect ionner les gra ins en f onct ion de leur t aille.
les mailles du cr ible (ou t am is) ne laiss ant pas s er que les élément sin fér ieur à une cer t a ine t a ille. On peut a ins i, par c r iblagess uc ces s if s , t r ier les gr ains et obt enir d es gr anulat scor res pondant s à une granulomét rie précise (exemple du s able de3 mm).
Les opérat ions de c r iblage sont comp lét ées pa r celles dedépouss iérage et de lavage.
Le c iment es t un liant hyd raulique car il a la p rop r iét é des ’hydr at er et de durc ir en pr ésence d’eau.
Ce durc iss ement est dû à l’hydrat at ion de cer t a ins composésminéraux, not amm ent des s ilicat es et des aluminat es de calcium
Les romains f urent les premiers à f abr iquer un vér i t able lianth dr auli ue en mélan eant de la chaux aérienne avec des cendres
6 . Ciment
Int rod uct ion
volcaniques (=Pouzzo lane).En 1 7 5 6 , un anglais a m is au point un prod uit à par t ir d e pierr esde l’île de Por t land, capable de f aire pr ise s ous l’eau. On parla pourla prem ière f ois de c iment . D’où l’or igine du nom do nné aujourd’huiau ciment (Ciment Por t land).
Ciment s usuels f abr iqués à par t ir d ’un mélange de ca lcaire(CaCO3 ) environ de 8 0 % et d’argile (S iO2 –A l2 O3 ) environ de2 0 %.
Ce mélange peut êt re cor rigé par appor t de bauxit e, oxyde de f erou aut res mat ér iaux f ourniss ant le complément d’alumine et des ilice req uis.
Principe de f abr icat ion cim ent por t land
a a r ca on e c men s e r u s c ma quemen aux ro sopéra t ions s uivant es :
• préparat ion du cr u• cuis son• bro yage et condit ionnement
La cuiss on à 1 4 5 0 °C du mélange com pos é de calcaire et d’argile.
Le clinker es t ensuit e broy é avec environ 5 % de gyps e pour d onnerdu ciment Por t land ar t if iciel (C.P.A .) .
Procédé plus ancien, plus s imple ma is dem ande plus d ’énergie.
Dans ce pro cédé, les mat ériaux calcaire et l ’argile concass és s ontmélangés et broy és f inement avec l’eau de f açon, à const it uer unepât e as s ez liquide (2 8 à 4 2 % d’eau) avec des gra ins d e diamèt reinf ér ieur à 2 0 0 µm.
La pât e est ensuit e st ockée dans de gr ands bass ins où elle es tcont inuellement ma laxée. Ce mélange es t appelé le cru.
Des analys es chimiques per met t ent de cont rôler la com posit ionde cet t e pât e, et d’appor t er les cor rect ions nécess aires avant s acuisson.
Pât e envoyée à l ’ent rée d’un f our rot at i f d’acier chauf f é à son
ext rém it é par une f lamm e int érieure.
La pât e perd s on eau dans le f our puis s e clinkérise vers 1 4 5 0 °C.
Le clinker est ensuit e ref ro idi.
Voie sem i-humide
La pât e s ort ant des cuves de s t ockage, es sor ée sur un f i lt re-presse.
Trans f o rmée ensu it e en bâ t onnet s de 2 cm de d iamèt re.Bât onnet s ensuit e int roduit s s ur une gr ille pour s ubir un s échage,rent rent dans un f our pour êt re clinkéris és .
Le clinker obt enu par l ’un des procédés est s t ocké dans les halls
qui aliment e des br oyeur s à boulet .
B royeurs à boulet = cy lind res d ’aciers compor t ant 2 ou 3cha mbr es ( de 8 à 1 2 m d e lo ng et d e 2 à 4 m d e Ø) m unisint érieurem ent de boulet s d’acier de 2 0 à 9 0 mm d e diam èt re.
Br oyeurs prod uis ent environ 3 0 à 2 0 0 T/h.
en an e royage, on a ou e e gyps e e es cons uan ssecondaires.
Quelque f ois des agent s de mout ure (ex. chlorure) permet t antd’évit er la ré-agglom érat ion des gr ains déjà mo ulus s ont ajout és .
Ces agent s f acilit ent le rem pliss age et la vidange des s ilos et descamions.
Les pr inc ipaux c om po s ant s anhy dr es o bt enus lor s d u
ref roidiss ement rapide du clinker sont :
- s i licat e t r icalcique 3 CaO.SiO2 (C3 S) (5 0 -7 0 % du cl inker).
- s i licat e bicalcique 2 CaO.S iO2 (C2 S) (1 0 -3 0 % du cl inker).
- aluminat e t r icalcique 3 CaO.Al.O3 (C3 A ) (2 -1 5 % du clinker ).
- a lumino- f err i t e t ét racalc i ue Ferro-aluminat e t et racali ue
4 CaOAl2 O3 .Fe2 O3 (C4 AF) (5 -1 5 % du clinker ).Le clinker co nt ient encore en f aibles quant it és d es alcalins (Na2 O,K2 O), de la ma gnésie (M gO), et divers es t r aces d e mét aux.
Les ciment s avec cons t it uant s secondair es renf er ment en plus duc linker e t du gypse des produit s la it iers , cendres vo lant es ,pouzzolanes , … à rais on de 1 0 à 2 0 % envir on.
Lait ier granulé de haut f our neau
- S ous- prod uit de l 'indus t r ie mét allurgique ayant des propr iét éshydrauliques.
A ut res cons t it uant s du cim ent
- Obt enu par re f ro id iss ement rap ide ( t rempe) de cer t a inessc ories f ondues provenant de la f usion du minerai de f er dans unhaut f ourneau.
Cert ains mat ériaux t els que les argiles et les s chist es peuvent
apr ès chauf f age jusqu’à une cer t aine t empér at ur e développer despropr iét és analogues aux pouzzolanes nat urelles. On les appellepouzzolanes art ificielles.
Fillers
Roches calcaires ou siliceus es bro yées à une f ines s e élevée (gr ainsde Ø<5 0 µm, cer t ains Fil lers parf ois appelés « f umée de s ilice »).
es er s en g n r a e am or en c ons r a em en a r s s anc e.
La propor t ion (en masse) des d if fé rent s const it uant s es tindiquée dans le t ableau 2 .2 . Les cons t it uant s mar qués d’uneét oile (*) sont considérés comme const i t uant s s econdaires etleur t ot al ne dépa s s e pas 5 %.
Il exis t e ains i 4 class es principales : 3 5 , 4 5 , 5 5 et HP (HP pour
« Haut e Per f or ma nce»).
Il exis t e des sous c lasses R ( pour les c iment s rapides etcont rôlés pour leur s par t à 2 jours ). On ret rouve donc par ailleursles sous -c lass es : 4 5 R, 5 5 R et HPR .
Les plus ut ilis és en A f r ique s ont les CPJ 3 5 et CPA 4 5 .
Pour BA (bét on ar mé) s ollicit é (pot eau, pout re, dalle) ; c’est le
ciment de s t r uct ure courant :- Bét on ar mé,- Bét on précont ra int ,- Dallage indus t riel,- Bét on rout ier,-Ouvr age de génie civil
CPA 5 5 R :
BA t rès f or t ement sol lic it é (oss at ure por t euse) et avec pr iserapide:
- BA avec décof f rage rapide.- Elément s pr éf abr iqués en BA (pout r e, pout relle, pr é-d alle).-B ét on pr écont raint .
Les CHF et CLZ sont sur t out dest inés aux f ondat ions, auxt ravaux sout errains, milieux agress if , t ravaux en gr ande mas se,t ravaux d’inject ion.
- Ciment s a lumineux (c iment réf r act a ire à 4 0 % d’a lumine) ,rés ist ant aux milieux agres s ifs ; pr ise nor male mais durc iss ementt rès r apide ; recom ma ndé en milieu f ro id ; ciment dif f icile à ut ilis er,
- Ciment Prompt pr ise t rès rapide ; prend en quelque minut es ;ut ilisé pour le sce llement e t répara t ion, ou encore en à lapr ojec t ion (cons t ruct ion de t unnel, t alus de so ut ènement , ...);
- Ciment blanc (souvent CPA 5 5 et R)
- Ciment pr ise mer
- Ciment pour eaux s ulfa t ées
- Ciment expans if ou encore à ret rait com pens é
- Ciment réf ract aire (résist e jusqu’à 2 0 0 0 °C) ; en général descim ent s alumineux (f or t e t eneur en alumine , de 5 0 à 8 0 %)
Prise et durciss ementLors qu’on réalise une gâchée de pât e de ciment , de m or t ier ou d ebét on, on c onst at e apr ès un cert ain t emps un raidissement duprod uit : c’est le début de prise.
Ce raidis s ement s ’accent ue jusqu’à ce que le prod uit obt ienne unerés ist ance appr éciable en f in de pris e.
Car act ér is t iques du ciment por t land
Les réact ions qui se pass ent dès le début du gâchage et qui s epoursu ivent dans le t emps sont complexes. Il se produit unemicro-cr ist all isat ion. La mult ipl icat ion de ces cr is t aux dans let emps explique l’augment at ion de r és ist a nce mécanique.
Le p héno m ène d e p r ise d u c im ent es t lié à d e no mbr euxparam èt res t els:
• la nat ur e du ciment ,
• la f iness e de mout ure du c iment ; p lus son broyage a ét épouss é, plus le t emps de pr ise est court ,
• ,
t empér at ur e es t élevée plus la pr ise es t ra pide,• la prés ence de m at ières o rganiques d ans l'eau ou dans l'un desaut r es cons t it uant s du bét on qui ralent i la pr ise,
• l'excès d'eau de gâc hage qui a, ent re aut r es inco nvénient s , uneact ion ret ar dat r ice s ur la pr ise .
Prat iquement t ous les c iment s ont des t emps de pris e de l'ordr e
S ont des pr oduit s liquides ou en poudr e que l’on ajout e en pet it equant it é dans les gâchées de bét on et qui sont des t inées à leurconf érer des pr opr iét és par t iculières .
Par mi les ad juvant s, il y en a qui agiss ent s ur la pr ise :
• Les accélérat eur s de pris e,
• Les ret ard at eur s de pris e.
Les pr emiers s ont ut i lisés lors qu’on est ast reint à des délais dedécof f rag e t rès cour t s ou lors que l’on bét onne en t emp s f ro id (5 à1 0 ° C).
Les sec onds d e pris e sont ut ilisés lors que l’on bét onne par t empschaud ou pour évit er les rep r ises de bét onnage.
Il exist e auss i des adjuvant s pour rendre les bét ons ét anches(bét on hydr of uge) ou encore rés ist ant au gel, et c ….
d_ M esure de la f iness e (surf ace s pécif ique)Est une caract ér is t ique import ant e lors du gâchage : p lus lasur f ace de c iment en cont act avec l ’eau es t g rande e t p lusl’hydr at at ion es t ra pide et com plèt e.
Généralement exprimée par s a surf ace mas sique: c’est la s urf acet ot ale des grains (exprimé en cm 2 ) cont enus dans une m ass eunit é de poud re (g) .
L’object if de l’ess ai es t d’appr écier cet t e s urf ace.
La s urf ace s pécif ique des ciment s est compris ent re 2 5 0 0 et4 5 0 0 cm 2 / g.
La su r face spéc if i que es t mesurée le p lus souvent avec leper méabilimèt r e de BLA INE.
e_ Dét erminat ion du pourcent age d ’eau normale (Ess a i decons ist ance)
Il s ’agit de dét erm iner la quant it é d ’eau à ajout er à un p oids deciment pour obt enir une pât e dit e nor ma le.
L’ess ai est réalisé à l’aide de l’appar eil de VICAT muni d’une so nded it e de VICAT.
La sonde de VICAT de 1 0 mm de Ø, est la iss ée sans v it esseinit iale depuis la surf ace d’un moulage de pât e de 4 0 mm de haut .Elle s’enf once sous s on propr e poids pour s ’ar rêt er à une dis t ance(d) du f ond.
La pât e es t dit e nor ma le lors que la s ondes ’ar rêt e à 6 ± 1 mm d u fond. On exprimele rés ult at s ous le rappor t E/C.
Les début et f in de pr ise des pât es de ciment (liant s hydr auliques )
s ont import ant s à connait re af in de pouvoir évaluer le t empsdisponib le pour la mise en p lace correct e des mort iers et desbét ons .
Ils s ont mes urés s ur pât e norm ale à l’aide de l ’appareil de VICATmuni d’une aiguille de VICAT de 1 ,1 3 mm de diam èt re.
Quand, so us l’ef f et d’une char ge de 3 0 0 g, l’aiguille s ’ar rêt e à unedis t ance (d) d u f ond du m oule t elle que d= 4 mm ± 1 mm , on dit quele début de pr ise est at t eint . Ce moment , mesuré à part ir dudébut du malaxage, es t appelé « t emp s de début de pris e ». .
Le t emps de f in de prise est généralque l’ins t ant où l’aiguille ne laiss eplus de t ra ce à la s urf ace de la pât e.
Les liant s hydr auliques so nt des poud res f ines qui ont la pr opr iét éde f or mer une pât e dur ciss ant aus s i bien à l’aire que s ous l’eau.
Il exist e deux t ypes de liant hyd raulique : la chaux et le ciment .
Ces liant s hydr auliques dif f èrent par leur mode de f abr icat ion.
7 . Chaux
Ils so nt t ous élaborés à par t ir de pier r e calcaire principalement .La chaux est le produit de la cuiss on d’un calcaire, suiv i d ’uneext inc t ion à l’eau.
d_ Ut ilis at ion de la chaux dans la cons t r uct ion
L’ut i lisat ion de la chaux a progr ess ivement diminué au pr of it duciment .
A uss i, la chaux doit ret r ouver une ut ilis at ion dans les dom aines oùson emploi est préférable, grâce à ses qualit és de p last ic it é ,d’élast icit é de erm éabilit é à la va eur d’eau.
Ces qual it és s ont part icul ièrement adapt ées à la réalisat iond’enduit s et de badigeons .
Pour 1 m 3 de mor t ier, i l f aut 1 ,2 m 3 de s able. Le sable ut ilisé doitêt re exempt de t er re et de mat ièr e végét ale.
Les s ables de bonne granulomét r ie d oivent cont enir des grainsf ins, moyens et gros .
Ils peuvent êt re:
• nat urels et roulés (de r ivières, de sablières, ..) , de nat ures iliceuse ou s ilico-calcair e;• nat urels concas s és (r oches de carr ièr es), com me des basalt es ,porphyres , quart zit es. Ils s ont anguleux et durs .
• s péciaux ( lourds , réf ract aires, légers): sable de lai t ier, s abled ’oxydes de fe r, de chromit e; cor indon, sable de b r iquesconcassés;,…
Le mélange de sable et de liant do it êt re homogène.
Pour le gâchage manuel, les disp os it ions s uivant es doivent êt reobser vées :
• Dispos er d'une aire propr e et à l’abr is de la pluie s i nécess aire,
• M esur er le s able suivant le dosage pr esc r it , avec une brouet t eou d'une cais s e,
•
déf inies , au moyen de pelles ou d’une bét onnière. On ajout eens uit e la quant it é d'eau pr éalablement mesurée, et de f açonpr ogres s ive, jusq u’à l'obt ent ion de la plas t icit é rec om ma ndée.
Sont des produit s chimiques que l’on ut ilise dans le cas desbét ons .
M odif ient les pr opr iét és des bét ons et des m or t iers auxquels i lssont a jout és en f a ib le propor t ion (environ de 5 % du poids deciment ).
on e ren s ypes :
• les plast if iant s (r éduct eurs d ’eau)• les ent raîneurs d ’air ;
• les modif icat eurs de prise (ret ar dat eurs , accélérat eur s );
c_ Emplois des mor t iersUne const r uct ion est généralement réalis ée par élément s , dont i lf aut as s urer la liaiso n et pr ot éger par un revêt ement . D’où le rôledu mor t ier.
• Les joint s de maçonnerie : la const ruct ion réalisée ent reélément s ma onnés blocs de bét on ierr es de t ail le br i ues
nécess it e leur as s emblage avec un mo r t ier• Les enduit s :• Les chapes : assurent la mise à n iveau du da llage e t larégularit é de sa s urf ace.
Le bét on de f aible quant it é peut êt re f abr iqué m anuellement àl'image des mo r t iers . Pour les grand es quant it és , il es t f ait appel àl'emploi de bét onnière.
Pour u t iliser au mieux le bét on, il f aut b ien connaît re sespropr iét és à l ’ét at f rais , alors qu’i l est plast ique et qu’on peut let ravailler ; et à l ’ét at dur ci, alors que sa f or me ne peut plus êt remodif iée mais que ses caract ér is t iques cont inuent à évoluerdur ant de nombreux mois , voire des années .
Le bét on f rais
-La pr opr iét é es s ent ielle est s on ouvrabilit é, qui le r end apt e àremp lir n’imp or t e quel volume, c- a-d l’apt it ude d’un bét on à rem plirles cof f rages et à enrober convenablement les arm at ures .
- Les f act eurs influant s ur l’ouvr abilit é: t yp e et do s age en ciment ,f or me des gr anulat s, granulomét rie, emploi d’adjuvant s et dos ageen eau.
- Por os it é : un f act eur dét erm inant de la dur abilit é du bét on dur cicar elle influence la rés ist ance , la car bonat at ion et la t enue
- Résist ance mécanique à la com press ion : s ouvent recherchéepour le bét on dur ci. Elle dépend en par t iculier du t ype et du dos agedu ciment , de la por os it é du bét on et du f act eur E/C.
- Ret ra i t hydraulique avant pr ise et en cours de pr ise : dû à un
dépar t ra pide d’une part ie de l’eau de gâchage, par évaporat ion oupar absor pt ion (cof f rage, granulat s por eux). Il provoque une f or t econt ract ion de la pât e qui f ait f iss urer la s urf ace ext erne.
- Ret r ait t her mique : dû à des bais s es rapides d e T pr ovenant :
* s oit du ciment lui-même lor s d e son hydr at at ion aux premier sâ ges , q ui p ro vo que une éléva t io n d e T, suivie d e so nref roidiss ement ;
En f onct ion des besoins part iculiers du c hant ier, des bét ons auxpr opr iét és part iculièr es peuvent êt re f abr iqués et livr és .
• B ét ons usuels arm és ou non (gamme d e r ésist ance 2 0 à 4 0MPa).
• Bét ons précont ra int s : pour réaliser des p ièces f or t ementsol lic it ées à la f lexion. Il s 'agit de t echniques qui consist ent à
t endre (comme un ressor t s ) l’a rmat ure du bét on, e t donc àcom primer, au repos, ce dernier.
• B ét ons à Haut es Perf or mances (B HP) (gamm e de rés ist ance 6 0à 1 0 0 M Pa). Ils sont également plus durables, plus ét anchesgrâ ce à une por os it é t rès f aible.
• Bét on Aut o-plaçant (BAP) : est t rès f luide et s e met en place
s ans com pact age ni vibr at ion. Il remplit de lui-m ême les moindresint ers t ices .
• Bét ons légers (8 0 0 à 2 0 0 0 kg/m ) pour la réhabilit a t ion,l ’isolat ion t herm ique et pour le gain d e poids d’un ouvrage. Il estobt enu par ajout au bét on, des granulat s légers (polys t yrène,ponce, g ranula t de bois , de schis t es , a rgile expansé , …)
.
• B ét ons lourd s pour le conf inement de mat ièr es rad ioact ives .
• B ét ons f ibr és (mét al, verr e, synt hét ique) pour la r éalisat ion d eplaques minces et pour am élior er la t enue à la f iss ura t ion.
Les blocs de bét on non ar mé (pour mur et clois on), dont la f or meest généralement parallélépipédiques .
Ils s ont class és, s elon l 'impor t ance de la surf ace des alvéoles, en :• blocs pleins s ans alvéoles ,• blocs per f or és (s ect ion net t e > 8 0 % s ect ion brut e),• blocs cr eux (sect ion net t e > 6 0 % s ect ion br ut e).
Employés pour l 'habit at ion, ils sont généralement enduit s ouprot égés ext érieurement , pour améliorer leurs caract éris t iquesphys iques du m ur ( t herm ique, acoust ique, f eu), et pour r at t raperles ir r égular it és de sur f ace af in d'obt enir une s urf ace plane.
Agressions chimiques:• l iquides : eaux polluées, eau de mer, eaux chargées en ions(sols) ,• s olides : s els gyps eux,• gazeus es : air pollué, CO2 , O2 , …
Lis t e d’agress eurs chimiques:• acides : car bonique, nit r ique, f or mique, urique,lact ique, …• bases a lcalines : am ines, KOH, NaOH, ...• alcools ,• s els : chlorures , nit rat es, s ulf at es, s ulf ures, ...• bact éries : cham pignons qui s e nourr iss ent de chaux,• eau : peut s e char ger en ions.
La p réd ic t ion du compor t ement d ’un mat ér iau ex ige uneconnaiss ance complèt e de ses propr iét és, des process us quiint erviennent lors de l'int erac t ion avec s on environnement , et desf act eurs envir onnement aux à l'act ion des quels, il s er a s oumis .
- la co uche pass ivant e est dét r uit e localement , là où la t eneuren chlorure est t rès f or t e => dépas s ivat ion,
- la " rouille vert e " s e f or me là où la pas s ivat ion a dis par u,- la "rouil le vert e" s e t ransf or me en des oxydes (ou hydroxyd es)por eux, s i la t eneur en oxygène es t as s ez élevée.