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1 Introduction

Dans ce chapitre, nous présenterons tout d'abord l'importance des matériaux dans le métier d'ingénieur. En sciences des matériaux, les matériaux en générale peuvent être classés en matériaux amorphe ou cristallins, aussi il est possible de classer les matériaux de base en trois catégories, mais dans la construction, il est devenu courant de distinguer les matériaux selon les domaines d’emploi et les caractéristiques principales. Les propriétés principales des matériaux de construction peuvent être généralement divisées en plusieurs groupes telles que:      Propriétés physiques. Propriétés mécaniques. Propriétés chimiques. Propriétés physico-chimiques. Propriétés thermiques.

Les matériaux et l’ingénieur :

D’après Larousse: Homme qui conduit et dirige à l’aide des mathématiques appliquées des travaux d’Art. D’après Robert: Personne qui a reçu une formation scientifique et technique le rendant apte à diriger certains travaux.

2 Classification des matériaux de construction

En sciences des matériaux, il est possible de classer les matériaux de base en trois catégories:    Les métaux Les polymères Les céramiques Mais dans la construction, il est devenu courant de distinguer les matériaux selon des domaines d’emploi et des caractéristiques principales: les matériaux de construction et les matériaux de protection. Les matériaux de construction sont les matériaux qui ont la propriété de résister contre des forces importantes:      Pierres Terres cuites Bois Béton Métaux, etc.

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Cours MDC, Département Génie Civil Les matériaux de protection sont les matériaux qui ont la propriété d'enrober et protéger les matériaux de construction principaux:    Enduits Peintures Bitumes, etc.

3 Propriétés des matériaux de construction

Les propriétés principales des matériaux peuvent être divisées en plusieurs groupes tels que:      Propriétés physiques: (la dimension; la densité; la masse volumique de différentes conditions; la porosité; l'humidité etc..), Propriétés mécaniques: (la résistance en compression, en traction, en torsion etc..) Propriétés chimiques: (l’alcalinité, l’acide etc..) Propriétés physico-chimiques: (l'absorption, la perméabilité, le retrait et le gonflement etc..) Propriétés thermiques: (la dilatation, la résistance et comportement au feu, etc..) Propriétés liées à la masse et au volume:    Masse spécifique Masse volumique Porosité, densité Propriétés liées à l’eau:     Humidité Perméabilité Degré d'absorption d’eau Variation de dimension en fonction de la teneur en eau Propriétés thermiques:    Résistance et comportement au feu Chaleur spécifique Coefficient d’expansion thermique

Les matériaux de construction doivent:

1.

2.

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posséder certaines propriétés techniques pouvoir facilement être travaillés être économiques.

Coefficients de dilatation thermique α

  ΔL la variation de longueur en mètre (m) ; α le coefficient de dilatation linéaire en kelvin puissance moins un (K -1 ) ou en (C° -1 ) ;

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Cours MDC, Département Génie Civil   L 0 la longueur initiale en mètre (m) ; ΔT = T - T 0 la variation de température en kelvin (K) ou en degré Celsius (°C). Soit un rail en acier de 30 m en hiver à -20 °C ; en été, la température est de 40 °C. Le rail subit donc une variation de température ΔT = 60 K, sa variation de longueur est :

Conductivité thermique

La conductivité thermique ou conductibilité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert thermique par conduction. Notée λ. Elle représente l'énergie (quantité de chaleur) transférée par unité de surface et de temps sous un gradient de température de 1 kelvin par mètre.

Résistance a u feu

Le classement sous norme NF P92-507, composé de 5 catégories qui définissent la réaction au feu des matériaux : ils vont de M0 pour l'ininflammable à M4 pour désigner les matériaux les plus inflammables jusqu'à leur propension à la propagation du feu.

M0 M1 M2 M3 M4 Combustibilité

Incombustible Combustible Combustible Combustible Combustible

Inflammabilité

ininflammable ininflammable difficilement inflammable moyennement inflammable facilement inflammable

Exemples

Pierre, brique, ciment, tuiles, plomb, acier, ardoise, céramique, plâtre, béton, verre Matériaux composites, PVC, dalles minérales de faux-plafonds, polyester, bois ignifugé Moquette murale, panneau de particules Bois (y compris lamellé-collé), revêtement sol caoutchouc, moquette polyamide, laine Papier, polypropylène, tapis fibres mélangées

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4 Technologie des matériaux de construction

Dans l’industrie des matériaux de construction, plusieurs techniques et procédés sont utilisés afin d’élaborer ou de fabriquer un matériau données à partir d’une matière ou plusieurs premières première, destiné à une utilisation bien définie en construction. Généralement, à l’échèle industriel les matières première subissent une opération d’extraction à partir des gisements et carrières, puis une opération de préparation, en fin un traitement permettant ainsi l’élaboration des matériaux de construction. Ses opérations peuvent être classées comme suit : - Concassage réalisé avec des concasseurs ; - Broyage réalisé avec des broyeurs ; - Séchage réalisé avec des séchoirs ; - Cuisson réalisé avec des fours. Chaque opération est réalisée dans un but bien précis, à l’aide d’un équipement ou une machine spécifique dédiée à la réalisation de ses opérations.

4-1- Les concasseurs : 4-1-1- Concasseurs à mâchoires :

Ils sont généralement conçus pour la fragmentation des matériaux au niveau des unités de production (carrières) des granulats utilisés dans l’industrie du béton. La chambre de concassage est constituée par deux mâchoires disposées en V (Figure 1) dont l’une est fixe et l’autre mobile. Cette dernière est articulée autour d’un axe horizontal qui peut être placé à la partie supérieure ou à la partie inférieure de l’appareil. Les mâchoires agissent entre deux plaques latérales. Les matériaux sont concassés par compression et sont évacués par gravité.

Figure 1 :

Photos et schéma d’un concasseur à mâchoire.

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Cours MDC, Département Génie Civil Les battements sont obtenus par action d’un arbre à excentrique actionnant une mâchoire mobile dont la partie inférieure est rendue solidaire d’un volet. L’angle de prise du matériau varie de 22 à 27˚, la cohésion volets-mâchoires est assurée par une barre de liaison munie d’un ressort placé à l’extérieur du bâti. L’énergie est conservée grâce à un volant rotatif solidaire de l’arbre horizontal.

4-1-2- Concasseurs giratoires et concasseurs à cône

Ils réalisent également une compression obtenue par l’action d’une tête tronconique mobile à l’intérieur d’une chambre de concassage de forme tronconique inversée. La tête de concassage est montée sur un arbre décrivant autour de l’axe vertical des rotations imprimées par un excentrique situé à la base de l’arbre. L’arbre tourne fou sur lui-même. La figure 2 montre la trajectoire décrite par le système.

Figure 2 :

Photos et schéma d’un concasseur à cône. La conception d’appareil délivrant un produit constant en dimension ; l’usure qui modifie la sortie est compensée par une descente correspondante de la tête de concassage montée sur vérins et équipée d’un blindage de forme et d’épaisseur appropriées dit à performance constante (figure 2 ).

4-1-3- Concasseur à marteaux :

Le concasseur à marteaux, également connu sous le nom de broyeur à marteaux, est conçu pour moudre différents types de matériaux en particules fines. Les matériaux broyé doit avoir une caractéristique semi-dure et doit comprendre des matières érosives légères dont la capacité de résistance de la pression est inférieure à 100 MPa, et le niveau d'humidité est inférieur à 15%. Cependant, la machine peut supporter le concassage de matériaux qui ont une résistance maximum de compression de 150MPa. Par exemple le charbon, le sel, la craie, le gypse, le bloc, le calcaire, etc. Le concasseur à marteaux (figure 3) utilise des rotors équipés de marteaux pour mener à bien sa tâche. Les rotors sont constitués d'un axe principal, d'un disque, d'un axe pin et des marteaux. Un moteur est utilisé pour conduire les rotors à grande vitesse, pour faciliter le broyage des matériaux. Une fois à l'intérieur de la machine, le matériel est frappé, pilé, coupé et meulé à petites tailles par le mouvement à grande vitesse du marteau. Le matériel est réduit à la taille voulue, en raison de l'impact de collision entre le déplacement du marteau et le matériel à broyer. Une plaque de blindage est montée en dessous du rotor de sorte que les

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Cours MDC, Département Génie Civil matériaux concassés qui ont atteint une taille plus petite soient tamisés, laissant les plus grands qui seront encore broyés. La plaque de blindage peut être ajustée afin de créer l'écart souhaité des rotors, en fonction de la convenance.

Figure 3 :

Image concasseur à marteau. A l'intérieur de la cuve tourne un rotor muni de marteaux. La vitesse de rotation est élevée pour assurer une vitesse périphérique des marteaux allant de 20 à 100 m.s

-1 . Ce type de broyeur n'est pas utilisé pour des matériaux durs et abrasifs, qui provoqueraient une usure trop importante.

4-2- Les broyeurs :

Les broyeurs à boulets sont composés d'un tambour horizontal mis en rotation par un moteur. On le remplit partiellement de matières à broyées avec un ajout des corps broyant (métalliques, galets de silex). Une fois la rotation lancée, un phénomène de cascade broie la matière à moudre en une fine poudre. Naturellement pour que ce phénomène se produise, la vitesse de rotation ne doit pas être élevée : les corps broyant à l'intérieur du tambour ne doivent pas être collés contre la paroi par la l’effet de la force centrifuge. Le broyage est assurer par le choc des es corps avec le matériau à broyé, comme le montre la figure 4.

Figure 4 :

Image broyeur à boulet.

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Cours MDC, Département Génie Civil Les broyeurs industriels peuvent fonctionner en continu : ils sont alimentés d’une extrémité et déchargés de l'autre, le broyage peut être effectué en milieu sec ou humide, cela dépend de la finalité rechercher le d’opération et les matériaux rechercher dans la production. Afin d’assurer un bon broyage des matières, des additifs (les tensions actifs) sont généralement introduits afin d’éviter le phénomène de colmatage des grains, ses derniers s’adsorbe sur les grains et créent des forces répulsives entre la matière divisées.

4-3- Les séchoirs :

L’opération de séchage dans la technologie des matériaux de construction, est une étape déterminante dans le procédé de fabrication, qui permet l’élimination d’humidité issu généralement de la préparation des matières premières. Le phénomène de séchage est aussi très délicat à suivre dans la chine de production, il dépend de plusieurs paramètres à savoir, la température (100 C°), la granulométrie de la matière première dans cas de produits rouges (fiances, briques rouges, de la géométrie du produit semi finis, et du temps de séchage qui doivent être déterminé au préalable pour chaque type de produit, afin d’obtenir des produits de qualité. A l’échèle industriel il existe une variété de modèle de séchoirs, qui différent d’un produit à un autre, ils peuvent être, fixes (atomiseurs) utilisé dans l’industrie des fiances pour obtenir la poudre, rotatifs dans le cas des liants, ou à rouleaux pour opérer au séchage des carreaux crûs.

4-3- Les fours :

Les fours permet d’assurer l’opération de cuisson, qui consiste à traiter traitement thermiquement les matières premières utiliser pour la production de certain matériaux de construction, par qui l’effet de la chaleur une décomposition totale ou partielle cas des liants (ciment, plâtre et chaux), ou une consolidation des grains des produits façonnés cas des produits rouges. La cuisson est influencée par plusieurs paramètres tels que la température, le temps, la composition chimique de la matière première ainsi que la forme géométrique des produits à traiter. A l’échèle industriel la cuisson est assurer par l’introduction des matières dans des installations appelés fours, qui sont classer comme suit :

4-3-1- Les fours rotatifs :

Ce type de four est généralement conçu pour la fabrication de liants, caractériser par leur forme cylindrique en acier, qui peut atteindre des longueurs de 110 m, dans le cas des cimenteries fonctionnant par voix humide, conçu une inclinaison de 7 à 12°, afin de permettre l’avancement de la matière à traiter dans le four par l’effet de la force centrifuge et gravitationnelle. Les fours de cimenterie ont un revêtement intérieur en brique réfractaire, qui assure une isolation thermique et une protection du cylindre en acier, menu d’une source de chaleur, alimentée fioul lourd, gaz, la température nécessaire à la clinkerisation est de l'ordre de 1 450 °C, caractériser par quartes zones essentielles, zone de préchauffage, chauffage, cuisson et zone de refroidissement. Les gaz dégagés pendant la décomposition de l’argile et du calcaire seront évacués par des moteurs extracteurs placés à l’extrémité du four, afin d’éviter une sur pression à l’intérieur de ce dernier, comme le montre le schéma ci-après.

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Figure 5 :

Four rotatif.

4-3-2- Les fours à rouleaux :

Le four à rouleaux pour céramique est utilisé pour la cuisson des carreaux de dalle de sol avec glaçure de décoration et céramique domestique, construit et protéger de l’intérieur par un briquetage réfractaires, menu avec des rouleaux assurant par leurs rotation l’avancement des carreaux à cuire, les sources de chaleurs ou bruleurs sont placés sur les cotés du fours en deux zones distinctes, inférieurs et supérieurs comme indiquer dans la figure 6. Zone de cuisson supérieure Série de rouleaux Zone de cuisson inférieure

Figure 6:

Four à rouleau d’une faïencerie.

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4-3-2- Les fours tunnel :

Ce type de four est destiné aux grandes capacités de production avec des cycles de cuisson et une consommation significativement plus basse que celle des autres types de fours. Les fours sont destinés à la cuisson de briques, tuiles. Conçus d’une façon à travaillé en continu, menu 7des railles de wagonnets (figure 7), qui assurent le transport des produits à traiter thermiquement

Figure 7:

Four tunnel.

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